表面波驅動超穎介面開啟太赫茲光學新紀元

隨著資訊與通訊技術的快速發展，尤其是5G和6G網路的崛起，人工智慧與物聯網的普及，對於高效能、低功耗且體積小巧的晶片光學控制裝置需求日益增加。然而，傳統光學裝置往往面臨體積龐大、效率低下及控制能力受限等問題。為此，研究人員開發了一種基於超穎介面的創新方法，利用表面波來產生太赫茲複雜向量光場，為光學技術開闢了新的可能性。

超穎介面是一種由超薄、次波長人工結構精確排列而成的光學裝置，能夠實現異常反射與折射、平面稜鏡、全息成像及表面波激發等特殊光學效應。近期研究更進一步探索了利用晶片表面波作為激發源，透過超穎介面將表面波高效解耦並控制自由空間中的波前，從而擴充套件了晶片光學應用的範疇。

然而，過去的研究大多聚焦於相位控制，如何同時實現相位、振幅和偏振的調控仍是一大挑戰，而這對於更靈活且先進的光場操控至關重要。為此，研究團隊提出了一種通用設計方法，能夠在表面波激發下高效生成預先設計的複雜波前向量光束，並在太赫茲頻段進行了實驗驗證。

具體而言，研究人員設計了一種複合超穎介面，將傳統單一人工原子擴充套件為2×2人工分子結構，其中不同子單元（藍色與紫色）具有獨立的旋轉角度和方向。在表面波照射下，這些子單元能同時輻射出左旋圓偏振（LCP）和右旋圓偏振（RCP）分量，透過干涉效應控制區域性相位與偏振分量，從而建構出特定波前與偏振分佈的向量光束。

為實現這一概念，研究團隊開發了一種通用設計方法，將目標向量光場分解為不同波向量與圓偏振基向量的總和，並透過目標總場與人工原子之間的對映關係，確定複合超穎介面的設計引數，最終完成原型裝置的設計。例如，研究人員開發了一種太赫茲裝置，能在表面波激發下產生徑向偏振貝塞爾光束，並透過全波模擬與近場掃描驗證了其優異效能。

這項研究為實現高度整合的晶片太赫茲裝置提供了新途徑，在生物感測、高速通訊、光達及擴增與虛擬實境（AR/VR）等領域具有廣泛的應用前景。

參考文獻：Zhuo Wang, Weikang Pan, Yu He, Zhiyan Zhu, Xiangyu Jin, Muhan Liu, Shaojie Ma, Qiong He, Shulin Sun and Lei Zhou, Efficient generation of vectorial terahertz beams using surface-wave excited metasurfaces, Opto-Electronic Science, 15 January 2025. DOI: 10.29026/oes.2025.240024