OEA丨像素级操控的可编程超构表面相位型空间太赫兹调制器

速读：图2可编程超构表面中超原子的设计。

来源：光电期刊发布时间：2026/11/5 7:37:59

Opto-Electronic Advances论文推荐首都师范大学张岩教授团队联合北京工业大学马赫副研究员团队与德国吉森大学Peter J. Klar 教授提出了一种基于二氧化钒（VO2）相变材料的紧凑、易于集成、多功能且高性能的光寻址可编程超构表面作为 2-bit 相位型高效透射式空间太赫兹调制器。该器件能够在一个 50 × 50 的分辨率阵列内实现光寻址像素级独立编码，并且对于任意单个像素均可达到完整的 2π 相位调制，从而实现动态波前生成和灵活的太赫兹场调控。

文章 | Li GB, Li GY, He ZH et al. Pixel-controlled programmable metasurface as phase-type spati a l terah ertz mod u l ator. Opto-Electron A dv 9, 260028 (2026).

作者：李桂彬、李冠仪、何泽浩*、王新柯、 Peter J. Kl ar*、马赫*、张岩*

*通信作者

研究背景

空间光调制器因其能够方便地将信息加载到目标光场中，从而精确、灵活地调控光波的振幅、相位和偏振态，已成为现代光学系统中不可或缺的核心器件。然而，与可见光及近红外波段的同类器件相比，工作于太赫兹波段的空间光调制器的发展仍然明显滞后，在性能提升与技术创新方面存在巨大空间。随着对多功能化与智能化光学系统需求的日益增长，太赫兹空间光调制器在小型化、易于集成以及高效场调控等方面也被提出了更高的要求。纳米光子学和超构表面的快速发展为应对这些挑战提供了重要的解决方案。

超构表面，即二维超材料，是由亚波长结构单元所组成的人工设计平面器件。传统的超构表面属于无源器件，其主要功能在制备完成后即被固定，这严重限制了其在动态和复杂场景下的应用。基于可调谐材料(如相变材料、液晶、半导体以及石墨烯等)的可重构智能表面，为应对上述挑战提供了一条颇具前景的途径。尽管如此，现有的基于可重构智能表面的太赫兹空间光调制器仍然面临着工作效率低、光学功能有限以及难以实现独立像素级可编程性等问题。目前，已有两种主要策略被用于实现像素级可编程：光寻址与电寻址。电寻址可编程超构表面本质上存在着相当大的局限性，包括制备工艺复杂度高、电极布线复杂以及电极占用空间面积大等，这些因素共同限制了可有效控制的像素数量，并最终阻碍了器件的规模化与进一步发展。相比之下，光寻址可编程超构表面则规避了这些限制，并展现出独特的优势，例如更高的制备可行性、光学功能的高密度集成以及可独立寻址像素数量的显著提升。其中，光寻址相位型太赫兹空间光调制器，目前在很大程度上仍处于空白状态。

本文亮点

基于上述研究背景，首都师范大学张岩教授团队联合北京工业大学马赫副研究员团队与德国吉森大学 Peter J. Klar 教授提出了一种基于二氧化钒（VO2）相变材料的紧凑、易于集成、多功能且高性能的光寻址可编程超构表面作为 2-bit 相位型高效透射式空间太赫兹调制器。通过采用图案化的脉冲光激发，该器件能够在一个 50 × 50 的分辨率阵列内实现光寻址像素级独立编码，并且对于任意单个像素均可达到完整的 2π 相位调制，从而实现动态波前生成和灵活的太赫兹场调控。概念验证实验表明，单个超构表面可以实现三种不同的光学功能(具有可调谐焦距的变焦超透镜、聚焦涡旋光束生成器以及动态全息成像) ，并且只需通过改变泵浦光束的强度分布，即可在这些功能之间自由切换。所提出的相位型空间太赫兹调制器的振幅转换效率可达到 27%，凸显了器件优异的性能和在实际应用中的巨大潜力。

图 1 展示了该研究中所提出的像素级操控的可编程超构表面相位型空间太赫兹调制器实现动态全息成像功能的概念演示。器件功能实现的关键在于构建能够同时具备完整 2π 相位调制覆盖和可重构性的超原子。研究团队采用了基于 C 形分裂环谐振器的金属结构，这对于实现具有特定相位延迟的高效线偏振转换至关重要。在此基础上，为了实现器件的可重构性，将制备在聚酰亚胺柔性衬底上的 200nm 厚的 VO2薄膜进行图案化，并精确嵌入到 C 形分裂环谐振器当中，最终形成了基于 VO2的 C 形分裂环谐振器结构作为超原子。利用 VO2材料的可逆绝缘体-金属相变特性，超原子能够在保持可重构性的同时，按需动态且有效地操控太赫兹波前。可编程超表面中超原子的具体设计如图 2 所示。

图1像素级操控的可编程超构表面相位型空间太赫兹调制器的示意图

图 2 可编程超构表面中超原子的设计。 (a) 基于 VO2的 C 形分裂环谐振器单元（即超原子）的示意图。其中，位于-45 °方位的间隙内所包含的 VO2贴片处于绝缘态（用灰色表示），其余间隙内的VO2贴片均处于金属态（用红色表示）； (b, c) 分别位于(b)蓝宝石和(c)聚酰亚胺基底上的超原子的模拟热学分布； (d) 成功制备的可编程超构表面的光学照片。插图展示了样品的显微图像，其中比例尺表示 200 μm； (e) 在工作频率 0.7THz下，当 x 偏振太赫兹波正入射时，所提出的超原子在 4种不同编码态下的模拟交叉偏振透射振幅和相位响应。下方的插图展示了对于编码态 M0–M3 ，超原子中的 VO2贴片发生空间选择性绝缘体-金属相变的具体配置。相邻编码态在引入约 π/2 相位增量的同时，产生几乎相同的振幅

综上所述，该研究工作提出了一类此前尚未实现的、以光学方式寻址的像素级可编程超构表面用于太赫兹波前调控，从而在可编程超构光学与太赫兹光子学之间架起了桥梁。这意味着在静态或单一功能太赫兹超构表面基础上的一次概念性与技术性的重大跨越，将惠及涵盖全息技术、超构成像、人工智能辅助光学以及超快波束整形等多个研究方向，为实现高性能太赫兹调制与可重构超构光学系统开辟了一条新的途径。

该工作以 “Pixel-controlled programmable metasurface as phase-type spatial terahertz modulator ”为题发表在 Opto-Electronic Advances 2026 年第 9 期。

【基金支持】该工作得到了中国国家自然科学基金项目（项目号12574421，62275175，12174270和12174271）与北京市自然科学基金项目（项目号2252032）的支持。

研究团队简介

张岩

首都师范大学物理系教授，博士生导师，超材料与器件北京市重点实验室主任，美国光学学会会士。张岩教授团队主要从事太赫兹光电子学、微纳光学、光学信息处理等方面的研究，在 Nature Photonics， Nature Communications， Advance Optical Materials, Opto -

Electronic Advances 等国际知名期刊上发表 SCI 论文 400 余篇， SCI 引用 14000 余次，在国际会议上作邀请报告 60 余次。

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主题：太赫兹空间光调制器