近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授丛龙庆团队在超快全光宽带太赫兹调制器方面取得进展，相关成果以“All-optical hybrid metasurfaces for ultrafast computational spectrometer and single-pixel imaging”为题发表在Nature Communications。

太赫兹（THz）频段在化学传感、生物医学诊断与安检等方向具有极大应用潜力。然而，现有THz光谱和成像平台为了获得足够的频谱与空间信息，往往依赖两个关键手段：一是机械扫描（如延迟线或光栅式扫描）来获取时间或空间维度的数据；二是相干探测来恢复电场幅度与相位，从而实现高精度谱测量。然而，这些方案普遍存在系统体积大、速度受机械运动或电子带宽限制、稳定性要求高、工程集成难度大的痛点，因此难以满足现场部署、便携检测或片上集成的需求。针对上述瓶颈，研究团队提出基于连续域束缚态物理的异质集成超表面空间光调制器方案，通过全光驱动的方式实现超快调控，同时收集调制后的低关联度强度信息结合重构算法，为THz光谱与成像提供适合工程化与集成化的新路径。

图1. 传统太赫兹时域谱系统与计算光谱仪/单像素相机对比

异质集成超表面单元由金属谐振结构与硅外延结构构成，通过能带折叠将多个连续域束缚态（BIC）模式“折叠”进同一频谱范围，并通过破缺对称性将BIC转化为准BIC（q-BIC），从而在0.30-0.55 THz范围内激发一组密集的高品质因数（Q）谐振。这些q-BIC对应不同的局域场分布特性并具备高敏感性。通过设计硅结构分布灵活调控不同的q-BIC模式，再由硅电导率的瞬态变化产生一系列低关联度光谱，从而构造“多通道、低关联”的测量矩阵，为后续计算光谱与单像素成像重构奠定基础。

图2. 宽带太赫兹超表面调制器设计思路图

在光泵浦条件下，异质集成超表面的弛豫过程可产生“纳秒级、低关联”的动态编码。太赫兹光泵浦探测（OPTP）实验结果显示，太赫兹电场的相对变化ΔE/E随延迟时间τ的演化：光生载流子在泵浦后约30 ps内快速达到最大值，并在约1.9 ns的时间尺度内逐渐弛豫回初始状态。在弛豫过程中选取10帧光谱构建测量矩阵，并利用自相关系数对光谱关联性进行表征，光谱重建的频率分辨率（以自相关半高全宽表征）可达到0.024 THz。

图3.异质集成超表面的光泵浦调制实验及光谱关联度表征

图4展示了太赫兹计算光谱仪的概念框架：利用光泵浦激活异质超表面，生成时序多帧编码矩阵对待测未知光谱进行编码，并用单像素强度探测器记录时序强度向量，随后通过正则化算法重构光谱。采用不同带宽的未知高斯光谱进行重建，可较好复现谱形，其分辨率约0.03 THz；两峰间隔约0.05 THz的双峰光谱也可区分，且测量矩阵维度增加将进一步提升重建质量。

图4. 基于全光调制异质集成超表面的太赫兹计算光谱仪概念框架

图5展示了单像素成像的概念：将异质集成超表面按一定比例缩放并构成像素化矩阵。以3×3像素阵列为例，在0.45 THz的中心频率下，通过泵浦光同时激活9个像素单元，弛豫过程产生具备不同弛豫特性的低关联空间编码矩阵，省去逐像素寻址过程。选取若干代表性编码帧构建测量矩阵，由单像素探测器采集对应的强度向量，通过L1正则化算法重构演示“T/H/Z”等二值图案的重建质量；在压缩率超过66.7%时，重建误差仍接近零，并对噪声具有一定鲁棒性。

图5. 基于像素化异质超表面的太赫兹单像素成像概念演示

研究表明，光泵浦异质超表面的超快弛豫过程可获得一系列低关联度的调制光谱构成调制矩阵，并结合算法完成对未知光谱和图像进行光谱维度和空间维度重构验证。该方案应用于成熟的太赫兹时域光谱系统，探测端仅需要强度信息，而无需通过相干探测即可实现光谱和图像重建，省去了延迟线与相干探测光路，为紧凑、超快、可集成的THz光子器件提供了新的实现路径。研究有望推动太赫兹光谱与成像器件走向集成化与应用化，为化学检测、生物医学与安全安检等场景提供新的系统解决方案。

南方科技大学电子与电气工程系博士生廖子健为论文第一作者，南科大为论文第一单位，丛龙庆为论文唯一通讯作者。电子系助理研究员凡俊兴、博士后许桂珍、博士生薛占强、博士生邢宏阳为本工作做出了重要贡献。本研究获得了国家自然科学基金、广东省和深圳市科技项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67605-8

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

编辑：任奕霏