太赫兹波（0.1–10 THz）因其在穿透能力、频谱资源和空间分辨率方面的独特优势，在6G通信、雷达成像、智能感知系统中具有重要应用价值。在实际系统中，这类应用往往同时依赖多种波束调控模式，例如多焦点聚焦、定向传输、波束扫描等。因此，如何在单一平台上实现多功能集成，并支持不同工作模式之间的灵活切换，成为当前太赫兹器件设计中的关键问题。超表面为太赫兹波调控提供了高度可设计的平台，然而，现有多数太赫兹超表面仍属于静态器件，其功能在制备完成后即被固定。为实现动态调控，研究人员通常引入有源材料，但这类方案常面临响应效率有限、结构复杂、制造和系统集成困难等问题。与材料调控路径不同，机械重构提供了一种通过改变结构配置实现功能切换的替代策略。然而，现有机械重构超表面设计多依赖固定堆叠/级联配置或复杂的协同优化过程，缺乏制造后的灵活性，同时对大面积、低成本制备并不友好。
近期，南开大学王晓雷教授课题组提出了一种基于自旋解耦机制的模块化太赫兹超表面设计策略，在无需有源材料的情况下，实现了多种太赫兹波束调控功能的自由切换。该方案的核心思想在于将偏振复用与模块化结构重构相结合，从系统架构层面提升超表面的功能自由度。基于这一策略，研究团队仅使用两个结构完全相同的超表面模块，即实验演示了多种典型太赫兹波束调控功能（如图1所示）。相关成果以“Modular Spin-Decoupled Metasurfaces for Switchable and Multifunctional Terahertz Wave Modulation”为题，发表在期刊《Laser & Photonics Reviews》上。南开大学现代光学研究所的博士生胡浩为第一作者，王晓雷教授为通讯作者。
图1. 模块化自旋解耦超表面的不同工作模式及相应功能示意图。
超表面设计、制备与表征：如图2(a)所示，研究中选取了一种具有多自由度几何参数的“Z”形手性晶胞。通过调节晶胞的多个几何参数，可以在较宽范围内独立调控左右旋圆偏振光的透射相位与效率。基于全波电磁仿真，对不同参数组合下的相位延迟和透射效率进行了系统扫描，构建了完整的晶胞数据库。
通过合理排布不同手性晶胞，可实现复杂的太赫兹波前调控功能。研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度10 μm）制造了两个相同的超表面模块。所选用的材料为氧化铝陶瓷，该材料在太赫兹频段具有较高折射率和良好的介电性能，同时兼容高精度3D打印工艺。图2(b)展示了制备完成的超表面模块的显微结构照片及典型晶胞的尺寸测量结果。随后，利用连续太赫兹波测量系统[图2(c)]对器件性能进行了系统表征。实验测得的聚焦位置、偏转角度及场分布[图2(e)]与仿真结果[图2(d)]高度一致，验证了设计方法与制造工艺的可靠性。
图2. 自旋解耦超表面模块的设计、制造与表征。
平面拼接：通过对两个模块进行平面拼接，可实现整体相位分布的重新构建，其对应的相位分布如图3(a)所示。仿真与实验结果[图3(b)(c)]均表明，该拼接结构能够稳定实现预期的双焦点与无衍射波束生成功能。更进一步，拼接结构允许模块之间的相对位置进行灵活调节。图3(d)所示的仿真结果表明，当模块在面内平移约10 mm 时，光束的聚焦位置可在 z = 30–50 mm 范围内连续变化。这一特性为变焦成像等应用提供了新的实现方式。
图3. 平面拼接模式实现双焦点与无衍射波束生成。
同向级联：在同向级联配置中，通过调节两个模块之间的面内旋转角度，可以实现双焦点在横向方向上的连续扫描。同时，结合四分之一波片调节入射偏振态，还可实现不同焦点之间的功率分配调控，如图4和图5所示。尽管实验中仅展示了沿x方向的扫描，但通过组合不同旋转角度，理论上可在半径约20 mm的圆形区域内合成任意连续扫描轨迹。
图4. 同向级联模式实现功率可调的双焦点扫描。
图5. 同向级联模式实现功率可调的双焦点扫描。
反向级联：在反向级联配置中，系统能够在近场聚焦与远场定向传输模式之间实现切换。如图6所示，在近场模式下，聚焦点可在 −20 至 19 mm 范围内连续扫描（焦距f ≈ 23 mm）；而在远场模式下，出射波束可在约−40° 至 42° 的视场角范围内实现定向传输。
总结：该工作提出了一种基于自旋解耦与模块化重构的超表面设计策略，不仅支持正交圆偏振通道的独立控制，还能够在多种功能模式之间实现无缝切换，而无需重新设计晶胞或引入额外调控单元。与传统动态太赫兹器件相比，该方案在制造兼容性、系统稳定性、成本控制和功能扩展性方面具有明显优势，为构建高集成度、多功能的太赫兹光子系统提供了有力支撑。
原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202502604
