基于近红外相位位错调控的通用型太赫兹波前相位操控机制

研究人员针对太赫兹(THz)波段直接相位调制技术受限的难题，提出通过近红外(NIR)相位操控实现THz波前调制的通用机制。通过位错方案结合II型相位匹配差频转换(DFG)，成功动态生成了可调拓扑电荷的THz涡旋、贝塞尔及涡旋-贝塞尔复合场，其"无衍射"传播距离达15.3 mm。该工作为THz通信、成像等领域提供了突破性的波前调控方案。

　　

在光场调控领域，太赫兹(THz)波段一直面临着"调控困境"——虽然THz波在生物成像、安全检测等领域展现出独特优势，但传统THz相位调制器存在响应速度慢、损耗大、带宽窄等固有缺陷。与成熟的可见光/近红外(NIR)调控技术相比，THz元件发展严重滞后，使得动态、多功能的THz波前操控成为长期未解的难题。

针对这一技术瓶颈，深圳大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，提出"近红外相位代偿"的创新思路：通过成熟的NIR元件调控泵浦光相位，再通过II型相位匹配差频转换(DFG)将相位信息传递至THz波段。研究团队设计出包含两个Pancharatnam-Berry(PB)相位板的位错方案，当两板沿x/y轴相对位移时，可独立产生对数-锥形相位(用于贝塞尔光束)和涡旋相位，其相位梯度满足?φ₂/?x=?φ₁/?y的数学约束条件。

关键技术包括：1) 基于液晶PB板的二维相位调制器(2D-PM)实现NIR波前操控；2) 采用<110>ZnTe晶体进行II型DFG转换；3) 动态减法成像提升THz探测信噪比；4) 通过机械位移精确控制拓扑电荷(步进精度17.7μm)和衍射距离。

调制原理验证
通过垂直位移PB板实现涡旋相位连续调控，当位移量ΔL_y从-218μm增至211μm时，拓扑电荷从+6线性递减至-6，实验测得每改变1个电荷需位移35.4μm，与理论完美吻合。水平位移则控制对数-锥形相位，ΔL_x每变化85.2μm即产生2π相位跃变，成功实现贝塞尔光束的独立调控。

THz涡旋场生成
泵浦光经DFG转换后，THz涡旋场呈现典型四叶瓣电场分布和环形强度轮廓。相位测量显示方位角0-4π范围内呈现顺时针旋转特征，证实拓扑电荷为2。通过位移调控可获得拓扑电荷-5至+5连续可调的THz涡旋束，位移灵敏度达16.9μm/电荷。

THz贝塞尔场特性
当ΔL_x=-56μm时，产生的THz贝塞尔束中心光斑直径463μm，其"无衍射"传播距离达15.3 mm，是相同条件下高斯光束瑞利长度(1.43 mm)的10.7倍。通过调节ΔL_x可在6-56μm位移范围内实现7.86-15.95 mm的可调衍射距离。

复合场调控
同步位移PB板可生成THz涡旋-贝塞尔复合场，实验演示了拓扑电荷-1和-2的复合模式，其电场呈多花瓣结构，相位呈现螺旋分布与多环强度叠加的特征。

该研究建立了NIR-THz相位传递的普适性框架，其位错方案可拓展至其他相位对(如立方相位-艾里光束)。相比传统THz调制器，该方法具有三大优势：1) 规避THz元件性能限制；2) 实现多维度独立调控；3) 位移控制精度达微米级。研究成果为THz通信(轨道角动量复用)、精密检测(长距离无衍射探测)等应用开辟了新途径，特别在生物组织穿透成像等领域具有重要价值。文中所用数据与代码已开源，为后续研究提供基准平台。