太赫茲波（0.1–10 THz）因其在穿透能力、頻譜資源和空間分辨率方面的獨(dú)特優(yōu)勢，在6G通信、雷達(dá)成像、智能感知系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。在實(shí)際系統(tǒng)中，這類應(yīng)用往往同時(shí)依賴多種波束調(diào)控模式，例如多焦點(diǎn)聚焦、定向傳輸、波束掃描等。因此，如何在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多功能集成，并支持不同工作模式之間的靈活切換，成為當(dāng)前太赫茲器件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。超表面為太赫茲波調(diào)控提供了高度可設(shè)計(jì)的平臺(tái)，然而，現(xiàn)有多數(shù)太赫茲超表面仍屬于靜態(tài)器件，其功能在制備完成后即被固定。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控，研究人員通常引入有源材料，但這類方案常面臨響應(yīng)效率有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和系統(tǒng)集成困難等問題。與材料調(diào)控路徑不同，機(jī)械重構(gòu)提供了一種通過改變結(jié)構(gòu)配置實(shí)現(xiàn)功能切換的替代策略。然而，現(xiàn)有機(jī)械重構(gòu)超表面設(shè)計(jì)多依賴固定堆疊/級(jí)聯(lián)配置或復(fù)雜的協(xié)同優(yōu)化過程，缺乏制造后的靈活性，同時(shí)對(duì)大面積、低成本制備并不友好。

近期，南開大學(xué)王曉雷教授課題組提出了一種基于自旋解耦機(jī)制的模塊化太赫茲超表面設(shè)計(jì)策略，在無需有源材料的情況下，實(shí)現(xiàn)了多種太赫茲波束調(diào)控功能的自由切換。該方案的核心思想在于將偏振復(fù)用與模塊化結(jié)構(gòu)重構(gòu)相結(jié)合，從系統(tǒng)架構(gòu)層面提升超表面的功能自由度。基于這一策略，研究團(tuán)隊(duì)僅使用兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的超表面模塊，即實(shí)驗(yàn)演示了多種典型太赫茲波束調(diào)控功能（如圖1所示）。相關(guān)成果以“Modular Spin-Decoupled Metasurfaces for Switchable and Multifunctional Terahertz Wave Modulation"為題，發(fā)表在期刊《Laser & Photonics Reviews》上。南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所的博士生胡浩為作者，王曉雷教授為通訊作者。

超表面設(shè)計(jì)、制備與表征：如圖2(a)所示，研究中選取了一種具有多自由度幾何參數(shù)的“Z"形手性晶胞。通過調(diào)節(jié)晶胞的多個(gè)幾何參數(shù)，可以在較寬范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)控左右旋圓偏振光的透射相位與效率。基于全波電磁仿真，對(duì)不同參數(shù)組合下的相位延遲和透射效率進(jìn)行了系統(tǒng)掃描，構(gòu)建了完整的晶胞數(shù)據(jù)庫。通過合理排布不同手性晶胞，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的太赫茲波前調(diào)控功能。研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，精度10 μm）制造了兩個(gè)相同的超表面模塊。所選用的材料為氧化鋁陶瓷，該材料在太赫茲頻段具有較高折射率和良好的介電性能，同時(shí)兼容高精度3D打印工藝。圖2(b)展示了制備完成的超表面模塊的顯微結(jié)構(gòu)照片及典型晶胞的尺寸測量結(jié)果。隨后，利用連續(xù)太赫茲波測量系統(tǒng)[圖2(c)]對(duì)器件性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征。實(shí)驗(yàn)測得的聚焦位置、偏轉(zhuǎn)角度及場分布[圖2(e)]與仿真結(jié)果[圖2(d)]高度一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法與制造工藝的可靠性。

平面拼接：通過對(duì)兩個(gè)模塊進(jìn)行平面拼接，可實(shí)現(xiàn)整體相位分布的重新構(gòu)建，其對(duì)應(yīng)的相位分布如圖3(a)所示。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[圖3(b)(c)]均表明，該拼接結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)預(yù)期的雙焦點(diǎn)與無衍射波束生成功能。更進(jìn)一步，拼接結(jié)構(gòu)允許模塊之間的相對(duì)位置進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。圖3(d)所示的仿真結(jié)果表明，當(dāng)模塊在面內(nèi)平移約10 mm 時(shí)，光束的聚焦位置可在 z = 30–50 mm 范圍內(nèi)連續(xù)變化。這一特性為變焦成像等應(yīng)用提供了新的實(shí)現(xiàn)方式。

同向級(jí)聯(lián)：在同向級(jí)聯(lián)配置中，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)模塊之間的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)雙焦點(diǎn)在橫向方向上的連續(xù)掃描。同時(shí)，結(jié)合四分之一波片調(diào)節(jié)入射偏振態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)不同焦點(diǎn)之間的功率分配調(diào)控，如圖4和圖5所示。盡管實(shí)驗(yàn)中僅展示了沿x方向的掃描，但通過組合不同旋轉(zhuǎn)角度，理論上可在半徑約20 mm的圓形區(qū)域內(nèi)合成任意連續(xù)掃描軌跡。

反向級(jí)聯(lián)：在反向級(jí)聯(lián)配置中，系統(tǒng)能夠在近場聚焦與遠(yuǎn)場定向傳輸模式之間實(shí)現(xiàn)切換。如圖6所示，在近場模式下，聚焦點(diǎn)可在 ?20 至 19 mm 范圍內(nèi)連續(xù)掃描（焦距f ≈ 23 mm）；而在遠(yuǎn)場模式下，出射波束可在約?40° 至 42° 的視場角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定向傳輸。

總結(jié)：該工作提出了一種基于自旋解耦與模塊化重構(gòu)的超表面設(shè)計(jì)策略，不僅支持正交圓偏振通道的獨(dú)立控制，還能夠在多種功能模式之間實(shí)現(xiàn)無縫切換，而無需重新設(shè)計(jì)晶胞或引入額外調(diào)控單元。與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)太赫茲器件相比，該方案在制造兼容性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、成本控制和功能擴(kuò)展性方面具有明顯優(yōu)勢，為構(gòu)建高集成度、多功能的太赫茲光子系統(tǒng)提供了有力支撐。