近期，中國(guó)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(shí)驗(yàn)室研究員司徒國(guó)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(shí)施方案。該技術(shù)方案在太赫茲波段實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)的亞波長(zhǎng)天線(xiàn)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(shí)現(xiàn)精確、任意波前調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)可調(diào)性仍是目前所面臨的主要挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)，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(gè)值時(shí)，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(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能；當(dāng)撤去照明光時(shí)，載流子迅速?gòu)?fù)合到初始狀態(tài)。

該方案可以實(shí)現(xiàn)超表面的擦除和重寫(xiě)，并且具有三大優(yōu)勢(shì)：一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一片極薄硅片（10μm）；二、操作簡(jiǎn)便，通過(guò)控制光照便可實(shí)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(shí)時(shí)成像、光學(xué)開(kāi)關(guān)、產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)的時(shí)變材料、信息處理、顯微鏡的逐點(diǎn)掃描、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域。

該項(xiàng)研究成果得到國(guó)家“973”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

圖1. 光控超表面動(dòng)態(tài)全息顯示示意圖

圖2. 太赫茲時(shí)域泵浦成像系統(tǒng)

圖3. 太赫茲動(dòng)態(tài)調(diào)制成像結(jié)果