携带轨道角动量的矢量光束（特别是偏振涡旋光束），因其在增强光与物质相互作用、提升成像分辨率及拓展通信信道容量等方面的独特潜力，已成为前沿光学领域的研究热点。然而，在太赫兹波段实现矢量光束的动态、可重构生成一直面临严峻挑战。传统方法依赖于笨重、复杂的静态光学元件（如q波片、偏振转换器等），缺乏灵活性和可调谐性，难以满足未来太赫兹无线通信、超分辨成像等动态应用场景的需求。
如何开发一种紧凑、高效且可电控编程的平台，实现对太赫兹波偏振态在空间上的局域化精细调控，并动态生成不同的偏振涡旋态，是推动太赫兹光子技术发展的一个关键难题。
南京大学超导电子学研究所吴敬波教授团队，提出并研制了一种基于液晶-超表面融合技术的电控可调谐太赫兹偏振涡旋光束发生器。该工作通过原创性的单元结构设计与系统集成，首次在实验上实现了太赫兹圆柱矢量光束（CVB）的电场动态切换。
研究团队设计了具有各向异性响应的超表面单元（图2a）。单元底层金属为十字狭缝结构，其长短轴方向对应不同的谐振频率，从而对正交偏振入射波产生选择性吸收。顶层金属为圆形贴片，中间夹有25微米厚的双频液晶层作为可调谐介质。通过施加外部偏压，可改变液晶的介电常数，从而动态“切换”单元对x或y偏振光的吸收（反射）状态，使其相当于一个可电控切换的线偏振器（图3）。
基于这一可切换偏振器的单元，团队提出了一种通用的超表面设计方法：通过空间上按特定规律排列不同旋转角度（θ）的单元，即可在平面上“编码”出定制的偏振分布图案。作为概念验证，研究者首先制备了能显示“NJU”等字母的偏振图案器件，并实验验证了其在不同线偏振光入射下可呈现出互补的强度分布，实现了偏振图案的电控切换（图4）。
更重要的突破在于，通过令底层十字狭缝的取向角θ随单元位置坐标（x, y）变化，满足关系式 θ = arctan(y/x)，团队成功构建了能生成圆柱矢量光束的器件。理论分析与实验测量（图5）共同表明：在零偏压（OFF）状态下，反射光束为径向偏振；施加偏压（ON）后，光束瞬间切换为角向偏振。这一转变对应于偏振涡旋在庞加莱球上从标量态到矢量态的跨越。
团队通过太赫兹时域光谱系统对器件的性能进行了系统表征。实验测得，在0.409 THz工作频率下，单元对x和y偏振的反射系数随偏压变化发生显著改变（图3c,d），与仿真结果吻合，验证了其电控偏振选择能力。
对于偏振图案发生器，测量结果清晰显示出与设计对应的“NJU”等图案，且图案在正交偏振光入射下实现互补，证明了偏振空间编码的成功（图4c）。
对于圆柱矢量光束发生器，实验通过旋转检偏器并扫描空间电场分布，直观观测到了反射光束的偏振涡旋特性（图5c）。在OFF和ON状态下，分别观测到了典型的径向和角向偏振分布图样，其偏振消光比分别达到7.38 dB和8.17 dB，与理论模拟结果高度一致，确凿证实了电控切换偏振涡旋光束的功能。
此项研究在原理与技术层面均取得了重要进展：
1. 技术路径创新：提出了一种基于液晶超表面实现太赫兹波空间偏振态编程的通用方法，为动态矢量光束生成提供了全新的技术路线。
2. 功能集成突破：将可调谐偏振选择与空间相位编码功能集成于单片超表面器件中，实现了从静态图案到动态涡旋光束的多功能调控。
3. 应用潜力巨大：
大容量太赫兹通信：偏振涡旋可作为独立的信息载体，与频率、振幅等维度结合，极大提升无线通信的频谱效率和信道容量。
先进太赫兹成像：矢量光束可用于实现超分辨成像、材料各向异性检测等。
动态光学操控：该技术为光学镊子、粒子操控等应用提供了可动态重构的矢量光场源。
这项工作不仅为太赫兹矢量光子学提供了一个强大的可重构平台，也为未来迈向像素级独立可编程的太赫兹偏振超表面奠定了基础，在6G/7G通信、智能传感等领域具有广阔的应用前景。
图1：液晶基可调谐太赫兹圆柱矢量光束发生器示意图
展示了器件在偏压关闭（OFF）和开启（ON）状态下，能将入射圆偏振光分别转换为径向偏振和角向偏振的反射涡旋光束。
图2：超表面单元设计与仿真特性
a) 单元爆炸图，展示金属-液晶-金属三层结构。b) 底层十字狭缝结构定义及旋转角θ。c) 仿真得到的单元在ON/OFF状态下对x和y偏振波的吸收谱，显示各向异性与可调性。d-e) 单元偏振选择特性随旋转角θ的变化规律。
图3：电控太赫兹偏振器及实测反射谱
a) 反射波偏振态在零阶庞加莱球上的切换轨迹。b) 制备器件的显微图像。c-d) 实验测得的器件在不同偏压下，对x和y偏振入射波的反射谱，证实了电控偏振切换能力。
图4：可重构偏振图案发生器的设计与表征
a) 制备的具有特定偏振分布图案的器件照片。b) ON/OFF状态下设计的互补偏振图案原理图。c) 实验在0.409 THz下测得的共偏振投影图像，显示“NJU”等图案及其互补切换效果。
图5：可调谐圆柱矢量光束的测量
a) 二维太赫兹电场分布测量系统示意图。b) 制备的CVB发生器照片。c) 在0.409 THz下，实验测得（及理论计算）的径向（OFF态）和角向（ON态）偏振光束在不同检偏方向下的归一化强度分布图，证实了涡旋光束的生成与电控切换。
上述研究成果以“Electrically Active Terahertz Liquid-Crystal Metasurface for Polarization Vortex Beam Switching”为题，发表于光学领域顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》（影响因子：12.1）。
文献来源：
Sheng Wang, Hangbing Guo, Benwen Chen, Xinyu Hu, Wei Zhu, Jingbo Wu*, Caihong Zhang, Kebin Fan, Huabing Wang, Biaobing Jin, Jian Chen, and Peiheng Wu. “Electrically Active Terahertz Liquid-Crystal Metasurface for Polarization Vortex Beam Switching.” Laser & Photonics Reviews 2024, 18, 2301301.