近日，中國科學院空天信息創新研究院廣州園區王天武研究團隊關于太赫茲（THz）載波包絡移相器的研發成果【《基于超材料的柔性太赫茲載波包絡移相器（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）】，發表在《先進光學材料》（Advanced Optical Materials）上。

作為太赫茲掃描隧道顯微鏡系統的核心部件，該載波包絡移相器由不同的人工微結構陣列組成（圖1）。研究團隊首次利用“超材料”在亞波長厚度和不改變THz電場極化的情況下實現了對寬帶THz載波包絡相位（CEP）的消色差可控相移，其CEP的相移高達2。與傳統的THz載波包絡移相器相比，該移相器具有超薄、柔性、低插損、易于安裝和操作等優點。

圖1 （a）移相器的單元結構示意圖，（b）整體和局部光學照片。

超短脈沖的CEP決定了脈沖的瞬時電場強度，在許多非線性物理過程中具有重要作用。例如，近年來，將亞皮秒THz脈沖耦合到納米尖端以調制隧道結的偏壓而開發的THz掃描隧道顯微鏡（THz-STM），在超快時間尺度上實現了原子級分辨率。通過簡單高效的途徑控制THz脈沖的CEP來實現對隧道結中近場THz時間波形的主動控制，對推進電子的超快納米尺度操縱必不可少。多個THz偏振元件組成的復雜裝置已用于控制THz脈沖的CEP，但菲涅耳反射損耗，致使其插入損耗很大。此外，天然材料在太赫茲波段具有弱的色散響應和小的雙折射系數，因此不易被設計用于具有寬頻率成分的太赫茲脈沖的CEP控制。與自然材料相比，超材料作為一種由亞波長結構衍生而來的具有特殊光學特性的人工材料，對電磁波的色散響應和雙折射系數均可人為定制。盡管超材料技術迅速發展，但由于近單周期THz脈沖的寬帶特性，它對THz脈沖的CEP控制仍具挑戰性。

基于此，科研團隊提出了基于超材料的柔性THz載波包絡移相器來控制THz CEP的方法，并對該移相器的性能進行模擬和實驗表征。研究利用特定的金屬分裂環諧振器的幾何相位和共振相位來控制THz脈沖的CEP，并利用正交定向光柵來提高傳輸效率。當入射的THz脈沖依次被載波包絡移相器中不同的微結構陣列調制時，通過THz時域光譜系統（THz-TDS）清晰地觀察到THz脈沖的時間波形在不同CEP值下的變化，與模擬結果吻合（圖2a、b）。實驗驗證了該移相器在廣角入射和大的形變下具有良好的魯棒性（圖2c、d），并且通過適當縮放模型的結構參數。此外，該設計方案也可應用于其他波段。

圖2.（a、b）模擬和實驗獲得的不同CEP值對應的THz時間波形變化，（c、d）廣角入射和樣品彎曲形變對器件性能的影響。

研究工作得到國家自然科學基金與廣州市等的支持。北京凝聚態物理研究所、松山湖材料實驗室及中國科學院大學參與研究。

審核編輯 ：李倩