近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光學(xué)與光電技術(shù)實驗室研究員司徒國海課題組與首都師范大學(xué)物理系教授張巖課題組合作提出可重構(gòu)的太赫茲超表面實施方案。該技術(shù)方案在太赫茲波段實現(xiàn)了任意、快速、精準(zhǔn)的波前調(diào)制，為可重構(gòu)超表面的發(fā)展提供了新的思路和實驗驗證。相關(guān)成果已發(fā)表在Advanced Optical Materials 7, 1801696(2019)上。

超表面是由一系列人工設(shè)計的亞波長天線組成的平面結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)光學(xué)元件相比，擁有超細(xì)、超薄并能實現(xiàn)精確、任意波前調(diào)制的優(yōu)點，在光學(xué)互連、集成光學(xué)、微納光學(xué)等方面具有重要應(yīng)用。但如何實現(xiàn)其動態(tài)可調(diào)性仍是目前所面臨的主要挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊使用高強(qiáng)度飛秒激光器，基于光電導(dǎo)效應(yīng)，將圖案投射到硅片上產(chǎn)生超表面效應(yīng)，以調(diào)制太赫茲脈沖。太赫茲的輸出隨投影圖案的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實現(xiàn)光控可重構(gòu)太赫茲超表面。用光照射半導(dǎo)體硅片時，產(chǎn)生載流子并導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。當(dāng)電導(dǎo)率上升到某個值時，被照射區(qū)域可視為金屬或弱金屬化材料。由于金屬結(jié)構(gòu)常用于超表面，故圖案化的光照半導(dǎo)體可實現(xiàn)類似的功能；當(dāng)撤去照明光時，載流子迅速復(fù)合到初始狀態(tài)。

該方案可以實現(xiàn)超表面的擦除和重寫，并且具有三大優(yōu)勢：一、結(jié)構(gòu)簡單，只需一片極薄硅片（10μm）；二、操作簡便，通過控制光照便可實現(xiàn)任意調(diào)制轉(zhuǎn)換；三、調(diào)制速度高，每秒可達(dá)4000幀。該方案可用于實時成像、光學(xué)開關(guān)、產(chǎn)生非線性效應(yīng)的時變材料、信息處理、顯微鏡的逐點掃描、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域。

該項研究成果得到國家“973”計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。

圖1. 光控超表面動態(tài)全息顯示示意圖

圖2. 太赫茲時域泵浦成像系統(tǒng)

圖3. 太赫茲動態(tài)調(diào)制成像結(jié)果