本文介绍了一项由Longqing Cong、Yogesh Kumar Srivastava、Huifang Zhang、Xueqian Zhang、Jiaguang Han和Ranjan Singh等研究人员共同完成的研究，该研究发表在2018年的《Light: Science & Applications》期刊上。研究的主要机构包括新加坡南洋理工大学的物理与应用物理学院、光子学研究所，以及中国天津大学的太赫兹波与精密仪器与光电工程学院。该研究聚焦于开发一种新型的超快全光学主动控制太赫兹波（THz）的混合超表面（metasurface），并展示了其在偏振切换和动态光束分裂中的应用。

研究背景与动机

随着摩尔定律逐渐接近物理极限，传统集成电路的发展面临瓶颈。为了应对这一挑战，研究人员开始探索下一代全光学器件，这些器件需要具备极小的尺寸和高速响应能力。超表面（metasurface）作为一种亚波长尺度的平面光学元件，近年来在光聚焦和全息成像等领域展现出巨大潜力。然而，现有的超表面器件大多是被动的，无法实现动态调控。因此，开发具有主动调控能力的超表面器件成为了一个重要的研究方向。

太赫兹波在无线通信、成像和传感等领域具有广泛的应用前景，但现有的太赫兹器件往往体积庞大且无法实现快速调控。通过将半导体材料与超表面结合，研究人员提出了一种混合超表面设计，能够通过外部光泵浦实现太赫兹波的超快调控。

研究方法与实验设计

研究团队设计了一种混合圆形开口环谐振器（Hybrid Circular Split Ring Resonator, H-SRR），作为超表面的基本构建单元。该谐振器由蓝宝石基底、硅环和铝制开口环组成。通过改变谐振器的几何参数，研究人员能够调控其共振行为，从而实现对太赫兹波的偏振和光束分裂的动态控制。

在实验中，研究人员使用飞秒激光脉冲（800 nm波长，1 kHz重复频率，120 fs脉宽）作为外部光泵浦，激发硅层中的载流子，从而改变其光电导率。通过光学泵浦-太赫兹探测（Optical Pump-Terahertz Probe, OPTP）系统，研究人员测量了不同泵浦能量下的光电导率变化，并观察了谐振器的共振模式切换。

实验结果与分析

实验结果表明，通过外部光泵浦，H-SRR的共振模式可以在667皮秒（ps）的时间尺度内实现快速切换。具体来说，当光泵浦开启时，硅层的光电导率显著增加，导致谐振器的电容性间隙被短路，从而抑制了某些共振模式。这种动态调控使得超表面能够在不同的偏振状态之间快速切换，并实现了光束分裂比的动态调节。

在偏振切换实验中，研究人员展示了从右旋圆偏振（RCP）到准线偏振（LP）的快速切换，偏振对比度显著优于以往的研究结果。此外，研究人员还设计了一种基于H-SRR的主动偏振光束分裂器，通过调控超表面的几何参数，实现了光束分裂比的动态调节。实验结果显示，光束分裂比可以从60:40调节到80:20，且调节过程可以在亚纳秒时间尺度内完成。

研究结论与意义

该研究成功展示了一种基于混合超表面的全光学主动调控太赫兹波的方法，能够在超快时间尺度内实现偏振切换和光束分裂比的动态调节。这一成果为开发下一代超快光学器件提供了新的思路，特别是在太赫兹无线通信、成像和显示等领域具有广泛的应用前景。

此外，该研究还展示了超表面器件的可扩展性，表明这种混合设计可以应用于从微波到可见光范围的宽带光谱调控。通过进一步优化材料和结构，研究人员有望实现更高效率的超表面器件，推动集成光学系统的发展。

研究亮点

1. 超快调控能力：研究展示了在667皮秒时间尺度内实现太赫兹波的偏振切换和光束分裂比调节，为超快光学器件的开发提供了新的可能性。
2. 混合超表面设计：通过将半导体材料与超表面结合，研究人员实现了对太赫兹波的主动调控，克服了传统超表面器件的被动性限制。
3. 广泛应用前景：该研究提出的混合超表面设计可以应用于太赫兹无线通信、成像、显示和全息技术等多个领域，具有重要的科学和应用价值。

总结

这项研究通过创新的混合超表面设计，成功实现了太赫兹波的超快主动调控，展示了其在偏振切换和光束分裂中的潜力。这一成果不仅推动了超表面器件的发展，也为下一代集成光学系统的设计提供了新的思路。