光子太赫兹相控阵：基于非线性Pancharatnam-Berry元件的选择性激发实现宽带波前调控

研究人员针对太赫兹(THz)相控阵在高频操作、宽带性能、二维相位控制等方面面临的挑战，提出了一种基于非线性Pancharatnam-Berry(PB)超表面的光子平台。通过空间调制的飞秒激光选择性激发像素化PB元件，实现了0.8-1.4 THz频段的2比特相位编码，展示了单/双波束成形、成像和涡旋波束生成等功能。该研究为THz通信和雷达系统提供了集成化波前控制新方案。

　　

在电磁波谱中，太赫兹(THz)波段如同一位"神秘舞者"，兼具微波的穿透性和光波的指向性，却因缺乏高效调控手段而长期困于实验室。传统电子太赫兹相控阵(ETPA)受限于高频损耗和相位误差，而光子太赫兹相控阵(PTPA)又面临多路延迟线的复杂架构。当6G通信和精密雷达对THz波束控制提出更高要求时，如何实现宽带、动态的波前调控成为亟待突破的"阿喀琉斯之踵"。

这项发表于《Nature Communications》的研究开创性地将非线性光学与超表面技术结合，通过数字微镜器件(DMD)对飞秒激光进行空间编码，选择性激发具有不同取向的分裂环谐振器(SRR)阵列。这种非线性Pancharatnam-Berry(PB)相位元件可在THz产生过程中直接赋予0°、90°、180°和270°的2比特相位编码，避免了传统相位调制器的插入损耗。研究团队在2×1 mm²的氧化铟锡(ITO)玻璃基底上制备了130×130的SRR阵列单元，通过4×4的子元件排布实现200×200 μm的相位控制单元。

关键技术包括：1) 基于电子束光刻的SRR阵列制备；2) DMD空间光调制系统实现飞秒激光图案化激发；3) 太赫兹时域光谱系统进行波前表征；4) 基于PB相位的波束偏转算法设计。

可编程太赫兹单波束成形

通过DMD编码产生线性相位梯度，在0.8-1.4 THz范围内实现-28°至18°的连续波束偏转。实验测得1.0 THz时波束宽度15.6°，与理论预测的8.7°存在差异主要源于有限阵列尺寸导致的衍射效应。

可编程太赫兹双波束成形

采用全息法叠加两个相位梯度，成功生成振幅相当的分离波束。在1.0 THz时，双波束分别指向0°和10.8°，对应的理论方向性达83.8和82.3，验证了多用户服务潜力。

单波束扫描狭缝成像

通过29种相位梯度编码实现-29.8°至29.8°的波束扫描，成功定位5 mm金属狭缝。系统响应时间测试表明，当DMD切换周期缩短至100 ms时仍保持稳定信号输出，为实时成像奠定基础。

可编程太赫兹涡旋波束生成

构建方位角依赖的螺旋相位分布，产生拓扑电荷l=±1和±2的涡旋光束。0.7 mm近场测量显示清晰的环形强度分布和2π/4π相位缠绕，为THz轨道角动量通信提供新范式。

该研究的突破性在于将波前控制"熔铸"于THz产生过程，通过非线性PB相位规避了传统线性超表面的带宽限制。虽然目前转换效率约6.5×10^-8有待提升，但方案可拓展至自旋电子发射器等高效平台。正如作者Xueqian Zhang和Jiaguang Han强调的，这种"光入-太赫兹出"的工作模式为6G通信、高分辨雷达和量子传感提供了全新的器件架构，其相位编码策略更可移植至连续波系统，展现出广阔的应用前景。