近日，上海理工大学太赫兹技术创新团队在庄松林院士的带领下与多家单位联合取得了太赫兹技术相关研究领域的新进展。
一、强场激光与物质相互作用辐射太赫兹波研究
上海理工大学太赫兹技术创新研究院在国家111引智基地和上海市科委国际联合实验室的支持下，和俄罗斯顶尖学府莫斯科大学共建太赫兹技术联合实验室。近期双方在强场激光与物质相互作用辐射太赫兹波研究上取得重要进展。研究结果发表在PhotonicsResearch 7(6) 678-686 (2019)（一区）。论文第一作者为联合实验室成员ALEXEIV. BALAKIN，第一单位为上海理工大学。
强场激光与物质相互作用辐射太赫兹波一直是高功率太赫兹源研究领域的重要课题。此前，科研人员已相继采用气体、固体甚至是液体水与激光相互作用，以产生高强度的太赫兹波。最近，上海理工大学-莫斯科国立大学国际联合实验室的科研人员独辟蹊径，采用“液氮”作为激光电离介质，在产生强太赫兹波的同时，探索出新的物理机制。研究表明，被电离后的液氮中，离子和电子在双极性扩散效应驱动下，形成了一个准静态电场，这是产生太赫兹辐射的主导原因。这为进一步优化强场激光与液体/气体相互作用下的太赫兹波辐射效率奠定了基础。
图1实验装置示意图
图2太赫兹辐射原理图
二、太赫兹量子阱探测器研究
与中科院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚课题组合作，在太赫兹量子阱探测器研究上取得重要进展。研究结果发表在Phys. Rev. Appl. 12,024035 (2019)（一区）。太赫兹量子阱探测器具有响应速度快、探测灵敏度高的优点，其探测机理是利用束缚电子吸收太赫兹光子，在半导体量子阱中子能带间跃迁，改变器件的电导率，从而实现对太赫兹辐射的探测。该工作采用非对称阶梯量子阱结构，打破了子带跃迁选择定则的限制，大幅度提高了探测带宽。同时，我们发现该探测器的太赫兹响应谱与偏压极性相关。理论计算表明，这种偏压极性相关太赫兹响应谱来源于阶梯量子阱中波函数的不对称性，这为设计新型太赫兹量子器件提供了新的手段。论文第一作者为上海理工大学光电学院张桂雪硕士研究生。
图3 在太赫兹量子阱探测器研究上取得重要进展
三、太赫兹超表面透镜研究联合英国赫瑞瓦特大学陈献忠老师课题组在太赫兹偏振可控的超表面透镜研究方面取得新进展；该工作提出了一套理论方案控制太赫兹波的位相和偏振，并利用几何超表面实现了线偏振太赫兹波的多焦点聚焦和焦点偏振任意旋转的控制(图4)；在此基础上，实现偏振依赖的成像检测。相关研究成果在太赫兹成像，检测和传感领域具有较为广阔应用前景。 几何超表面由亚波长的准二维微结构按照特定的排列方式构成，能够有效的调控电磁波的波前(振幅、位相和偏振)。近年来，几何超表面在全息成像、轨道角动量波束、超表面透镜、偏振转换器等方面取得了很多突出的研究成果。其中，几何超表面透镜由于其“超薄”可集成的特性，引起了众多科研工作者的关注。然而，几何超表面中的各项异性单元结构“只能”实现对圆偏振的电磁波实现波前调控；导致目前大部分几何超表面透镜实现均为圆偏振态的聚焦光斑，阻碍了其应用范围。基于此，研究团队提出了一套新的理论方案，巧妙的设计了一种线偏振聚焦和偏振可旋转的几何超表面；该方法充分考虑了几何超表面圆偏振聚焦的原理，将线偏振光分解为相互正交的圆偏振态并借鉴全息成像方法，合成线偏振聚焦调控和偏振旋转调控于一体，形成线偏振太赫兹波的有效聚焦和偏振调控。如图5所示，一束沿着x-轴偏振的太赫兹波入射至我们所设计的几何超表面透镜，出射的焦斑亦为线偏振态的焦点且相对于入射光旋转了900，即我们提出的方案实现了线偏振聚焦和偏振旋转调控。在此基础上，我们还提出了多焦点的线偏振聚焦和偏振调控：如图6所示，入射一束沿着x-轴偏振的太赫兹波，将在传播方向不同的位置上产生两个分别沿着x-轴和y-轴偏振的聚焦焦斑。进一步，我们将上述双焦点偏振可控的几何超表面透镜应用至太赫兹偏振依赖的成像检测：如图7所示，被测的偏振依赖的样品，在前一个焦点处所成的像为”E”,而后一个焦点处所成的像为”彐”，实现了偏振依赖的成像检测功能。相关工作以“Multi-foci metalens with polarization-rotatedfocal points”为题发表于Laser Photonics Review (链接：https://doi.org/10.1002/lpor.201900182) 期刊上。
图4 太赫兹多焦点和偏振可控的超表面透镜
图5 入射x-轴偏振的太赫兹波情况下单聚焦超表面透镜的聚焦场分布
图6 入射x-轴偏振的太赫兹波情况下双聚焦超表面透镜的聚焦场分布
图7 太赫兹偏振依赖的成像检测