非线性PB超表面实现宽带可编程光子太赫兹相控阵

太赫兹波因其独特的光谱特性，在高速通信、高分辨成像与生物传感等领域展现出巨大潜力。然而，传统太赫兹相控阵技术在高频工作、宽频带运行、大阵列二维相位调控等方面仍面临严峻挑战。电子太赫兹相控阵受限于高频损耗与复杂相位控制电路，而光子太赫兹相控阵虽能实现高频可调谐，但系统复杂、成本高昂，且难以实现高分辨率二维相位控制。近日，天津大学、纽约市立大学及俄克拉荷马州立大学等联合团队在《Nature Communications》上提出一种基于非线性Pancharatnam-Berry（PB）超表面的光子太赫兹相控阵平台。该平台利用空间调制的飞秒激光，通过数字微镜器件（DMD）选择性激发PB超表面中具有不同取向的谐振单元，在0.8–1.4 THz宽频范围内实现了2比特可编程相位编码与波前动态调控。研究团队成功演示了单波束/双波束成形、实时扫描成像与涡旋光束生成等多种功能，为下一代宽带、可重构太赫兹系统开辟了全新路径。

核心原理：DMD选择性激发如何实现可编程太赫兹波前控制？

该光子太赫兹相控阵的核心在于将非线性PB相位机制与光学空间调制技术相结合，实现“生成即调控”的一体化设计。

非线性PB相位机制：超表面由金制开口环谐振器阵列构成，其取向分别为0°、90°、180°和270°。根据非线性PB相位原理，当圆偏振泵浦光激发SRR时，所产生的左旋/右旋太赫兹波分量将携带与取向角成正比的相位（θ 或 –θ），从而天然形成0°、90°、180°、270°四类离散相位态，构成2比特相位编码基础。

DMD选择性激发：采用高速DMD作为空间光调制器，对近红外飞秒泵浦光进行二进制图案编码。通过控制每个微镜的倾角（“开”或“关”状态），可选择性地仅照亮超表面上具有特定取向的SRR子阵列，从而在生成太赫兹波的同时直接赋予其预设的相位分布。该方法无需外部的太赫兹相位调制器或延迟线，将相位控制与波束形成过程合二为一，极大简化系统结构与控制流程。

图1.不同太赫兹相控阵架构对比与本工作概念示意图

图1清晰对比了传统电子太赫兹相控阵、传统光子太赫兹相抗阵与本工作的创新架构。传统电子方案依赖高频振荡器、相位器与倍频器，面临高频损耗与复杂热管理挑战；传统光子方案需多路激光与延迟线，系统复杂。本工作提出的光子太赫兹相控阵（PTPA）基于非线性PB超表面，通过DMD编码泵浦光图案（红色光束）选择性激发不同取向的SRR，直接生成具有预设相位梯度的太赫兹波，实现了从“太赫兹输入-输出”到“泵浦输入-太赫兹输出”的模式跃迁。

图2.光子太赫兹相控阵单元设计与动态相位控制

图2a展示了开口环谐振器单元结构及其几何参数。图2b-c为PTPA单元的构成与样品电镜图：每个单元由4×4个子元（取向分别为0°、90°、180°、270°）交错排列而成。图2d-f揭示了DMD编码机制：通过对泵浦光进行二值图案编码，可选择性地仅激发单元内某一类取向的子元，从而赋予生成的太赫兹波相应的PB相位。图2g的实验结果证实，在0.8–1.4 THz宽频带内，左旋与右旋太赫兹波均可实现稳定的四阶相位（0°、±90°、±180°、±270°）控制，验证了2比特宽带相位编码能力。

图3.可编程太赫兹涡旋光束生成（二维相位控制）

为展示PTPA的二维相位控制能力，研究团队进一步实现了拓扑荷数可编程的涡旋光束生成。图6b,d展示了用于生成拓扑荷l=±1和l=±2涡旋光束的DMD编码图案，其对应的相位分布呈螺旋状（图6c,e）。远场模拟（图6f,h）与实验测量（图6g,i）在0.8–1.4 THz多个频点均显示出典型的“甜甜圈”形强度分布与2π/4π螺旋相位结构，成功验证了PTPA对太赫兹轨道角动量的灵活操控。这为太赫兹波段的空间复用通信提供了关键技术支撑。 

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63127-5