全光学混合超表面实现太赫兹超快计算光谱仪与单像素成像

《Nature Communications》：All-optical hybrid metasurfaces for ultrafast computational spectrometer and single-pixel imaging

本研究针对传统太赫兹光谱仪依赖机械延迟线和相干检测导致的系统笨重、速度慢、成本高等问题，开发了一种基于准连续域束缚态（q-BICs）的主动混合超表面，作为低相关性超快光谱/空间光调制器（SLM）。该研究通过色散工程在0.30-0.55 THz波段实现了多个高Q值共振，利用全光调制在纳秒时间尺度完成光谱重建（分辨率0.03 THz）和单像素成像（3×3像素）。这种CMOS兼容、无电路策略为下一代太赫兹光子器件提供了可扩展路径。

　　

在化学传感、生物医学诊断和安检筛查领域，太赫兹（THz）波谱因其强穿透性、非电离光子能量和丰富的分子振动"指纹"特征而展现出巨大潜力。然而，传统太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）依赖机械延迟线和相干检测方案，导致系统笨重、成本高昂，且空间信息需通过逐点扫描获取，严重制约了便携式太赫兹设备的发展。

为解决这一瓶颈，南方科技大学Cong Longqing团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种基于混合超表面的全光学调制新策略。该研究巧妙利用准连续域束缚态（q-BICs）物理机制，在单个超表面中集成多个高Q值共振模式，实现了低相关性、宽带太赫兹光调制，成功将计算光谱仪的重建时间缩短至纳秒量级，同时演示了高速单像素成像功能。

研究团队采用双间隙裂环谐振器（DSRRs）作为基本单元，通过布里渊区折叠技术激发三个独立的q-BICs共振（0.35 THz、0.44 THz和0.48 THz）。这些共振分别对应反相LC振荡、同相LC振荡和偶极子模式，展现出不同的局域场分布特性。为实现动态调制，他们在谐振器关键位置集成硅贴片，利用800纳米飞秒激光脉冲激发光生载流子，通过改变硅的电导率（4800 S/m至300 S/m）在纳秒时间尺度调控共振行为。

关键技术方法包括：基于光学泵浦-太赫兹探测（OPTP）系统的超快动力学测量；通过能带折叠工程实现多q-BICs共振的超表面设计；硅片上铝微结构的CMOS兼容制备工艺；以及基于压缩感知的计算重建算法。实验使用蓝宝石衬底上的硅外延层（850纳米）作为半导体材料，通过紫外光刻和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀制备图案化结构。

结果

宽带低相关性光谱调制

研究人员比较了两种调制策略："频移型"（硅贴片嵌入电容间隙）和"模式改变型"（间隙完全填充）。前者使三个q-BICs共振发生红移和深度减小，后者则通过淬灭LC共振诱导新模式产生。自相关函数分析表明，模式改变型设计具有更低的帧间相关性（半高全宽HWHM为0.024 THz），更适合计算光谱应用。

超快测量矩阵构建

光学泵浦实验显示，光生载流子密度在27皮秒达到峰值，随后通过载流子复合和俘获过程在1.9纳秒内衰减。这种动态演化自然形成了时间变化的调制掩模，无需电子寻址或外围电路即可生成测量矩阵。从1.9纳秒弛豫窗口选取10个均匀间隔的时间帧，即可实现高质量光谱重建。

太赫兹计算光谱仪演示

使用带通滤波器作为测试样本，该系统仅需10个调制帧就能准确重建光谱线形，峰值频率误差仅3.95×10^-3THz，频率分辨能力达~1193。对更复杂的双洛伦兹峰光谱（间距0.05 THz）也表现出优异重建质量。峰值信噪比（PSNR）分析显示，当测量帧数超过20时重建质量趋于饱和，模式改变型SLM在10次测量下即可达到30.1 dB的高质量重建阈值。

太赫兹单像素成像应用

将超表面像素化为3×3阵列，通过几何缩放因子调控各像素的瞬态响应特性。在均匀光学泵浦下，9个像素展现出丰富且不相关的时空调制模式。从单次泵浦脉冲诱导的1.9纳秒弛豫过程中提取7个代表性帧，成功重建了"T"、"H"、"Z"等二进制图像，在压缩比超过66.7%时仍保持接近零的均方误差（MSE）。

讨论与结论

该研究通过q-BICs和色散工程成功解决了宽带覆盖与高Q值共振之间的传统矛盾。与传统千赫兹调制速度的SLM相比，全光学方案将操作速度提升至吉赫兹量级，且无需RC延迟限制。CMOS兼容的硅基混合超表面架构为大规模制造提供了可行路径。

虽然当前演示的工作带宽为0.30-0.55 THz，但通过晶格工程折叠更多导模可进一步扩展带宽。空间分辨率可通过减小单元尺寸和优化重建算法提升，调制速度有望通过采用离子注入硅或砷化镓等快弛豫半导体材料进入皮秒范畴。

这项研究开创了一种动态、宽带、低相关性的调制平台，将太赫兹计算光谱仪和单像素成像集成于简化架构中，为开发紧凑、超快太赫兹光电子系统奠定了坚实基础。其技术路线兼具可扩展性和CMOS工艺兼容性，预示着太赫兹技术向便携化、低成本化迈出了关键一步。