【科技前沿】第28期：基于超表面BIC的太赫兹全偏振相干操控（图）

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近日，我校光电工程学院太赫兹研究中心韩家广教授团队联合天津师范大学、天津大学、美国德克萨斯州立大学奥斯丁分校、美国纽约城市大学联合攻关，在基于硅光子超表面结构的太赫兹全偏振的相干操控方面研究取得了突破进展，相关研究成果以“Coherent full polarization control based on bound states in the continuum”为题于2022年8月发表于《Nature Communications》上（Nature Communications13，4536（2022），https://www.nature.com/articles/s41467-022-31726-1）。

代表着光矢量特性的偏振在光通信、光传感、光学成像以及量子光学领域有着非常重要的应用。一般而言，光的偏振态调控可通过各向异性晶体、界面的布儒斯特角、光栅、以及超材料来实现。此外，光学连续能态中的束缚态（BICs）不仅能够用其高品质因子增强光与物质的相互作用，其在动量空间的偏振拓扑特征也可用于偏振调控。但是对于固定的偏振调控器件与确定的输入偏振状态而言，输出偏振态是固定的，很难实现实时输出偏振的动态调控。相干控制源于反激光器概念的提出，通过控制入射到光谐振器件的多路光干涉，不仅可以实现光的完美吸收，也可以通过改变入射光之间的相对位相延迟来实现对光器件输出的主动调控，调控深度甚至可达100%。因此，相干控制是一种设计高效、可动态调控光器件的有效方法。

在这项研究工作中，借助于相干完美吸收体的概念，结合硅光子晶体平板结构中对称性保护BIC态的偏振拓扑特征，通过精细控制两个输入偏振光的相对位相延迟这个新的调控自由度，在太赫兹频段实现了输出偏振的高效实时调控。通过相对位相延迟的调控，输出偏振态能够随之实时改变，可以实现输出偏振态相对输入偏振态的完全转换以及输出偏振态在庞加莱球的覆盖。该研究工作中提出的相干控制下的偏振态调控不仅极大地扩展了对称性保护BIC态偏振态调控的范围，还同时实现了输出偏振态的实时调控。

图1.（左）基于BIC的太赫兹全偏振相干操控测量系统示意；（右）特定入射角θ和样品面内旋转角φ下，输出偏振态随两输入太赫兹波间相对相位延迟在庞加莱球上的演化情况。

光电工程学院太赫兹研究中心积极推动与国内外高校和研究所的合作与交流，最近在基于超表面的波前调控方面取得了一系列研究成果，成功实现了基于立体金属结构的高效率太赫兹偏振转化器（AdvancedFunctional Materials (2022)）；太赫兹表面等离激元的可定制偏振依赖定向耦合器（AdvancedFunctional Materials (2022))；太赫兹片上集成表面等离激元涡旋相干器件（Laser & Photonics Reviews（2022））；基于几何相位的机械式可编程超表面（Advanced Photonics（2022））；太赫兹赝表面等离激元片上集成功能器件（AdvancedOpticalMaterials（2022））等，相关研究极大丰富了太赫兹功能器件的大家族，为未来太赫兹通信和集成光电子器件的研究提供了新的手段和新的方法。

图2，太赫兹功能器件研究：相关研究发表在AdvancedFunctionalMaterials，

Laser&PhotonicsReviews及AdvancedPhotonics上。

未来光电工程学院太赫兹研究中心，将进一步加强与国内外兄弟院校的合作，在太赫兹功能器件、太赫兹时域光谱仪、太赫兹表面等离激元、太赫兹通信等方面积极开拓创新，同时进一步拓展太赫兹产学研的相关工作。研究工作得到了国家自然科学基金、广西八桂学者、广西光电信息处理重点实验室、天津市自然科学基金等的资助。

论文信息：

1，M. Kang et al., Coherent full polarization control based on bound states in the continuum,Nature Communications13, 4536(2022),https://www.nature.com/articles/s41467-022-31726-1

2，Y. Xu et al., Stereo Metasurfaces for Efficient and Broadband Terahertz Polarization Conversion，Advanced Functional Materials (2022),https://doi.org/10.1002/adfm.202207269

3，J. Han et al., Tailorable Polarization-Dependent Directional Coupling of Surface Plasmons, Advanced Functional Materials (2022),https://doi.org/10.1002/adfm.202111000

4，Y. Lang et al., On-Chip Plasmonic Vortex Interferometers,Laser & Photonics Reviews(2022），https://doi.org/10.1002/lpor.202200242

5,Q. Xu et al., Advanced Photonics (2022), Mechanically reprogrammable Pancharatnam–Berry metasurface for microwaves,https://doi.org/10.1117/1.AP.4.1.016002

6,Y．Zhang et al., Rotated Pillars for Functional Integrated On-Chip Terahertz Spoof Surface-Plasmon-Polariton Devices, Advanced Optical Materials (2022),https://doi.org/10.1002/adom.202102561