本文标题为《Achromatic Arbitrary Polarization Control in the Terahertz Band by Tunable Phase Compensation》，主要作者包括Hao Chen、Shengxin Yang、Sheng Wang等，作者所属机构包括Chinese Academy of Sciences、Nanjing University、University of Electronic Science and Technology of China等。该研究发表于《Optica》期刊第12卷第1期（2025年1月）。
本研究旨在解决太赫兹（Terahertz, THz）光波的偏振控制难题。偏振（Polarization）是光与物质相互作用中的关键参数，对光的操控、探测以及分析至关重要。然而，太赫兹波由于其宽频带和长波长的特性面临显著的控制挑战。现有技术在有效的宽带偏振操控方面仍存在效率低、色散（Dispersion）和吸收大的问题。本研究通过设计自适应相位补偿结构（包括镜耦合全内反射结构和液晶相位移器），为太赫兹波偏振提供了一种宽带、精确且高度功能化的解决方案。研究为包括偏振敏感的生物研究、光谱成像和无线通信应用在内的多种领域奠定了技术基础。
太赫兹波频率范围广泛（0.1–10 THz），被大量尖端技术支持，如太赫兹时域光谱系统（THz Time-Domain Spectroscopy, TDS）。在该波段实现高效偏振调控具有重要需求，例如在更高效的无线通信中使用圆偏振波以降低反射损失，以及通过手性（Chirality）光谱研究氨基酸分子螺旋结构等。但此类系统的实现面临巨大挑战，特别是半波和四分之一波转换需要超宽的带宽。现有技术如液晶相位移器（LC Phase Shifter）、局域共振超材料（Localized Resonant Metamaterials）等方案由于色散、调谐灵活性差等问题无法满足这些要求。通过机械微调镜-全内反射总结构并结合液晶补偿相位，是该研究提出的创新解决思路。
1. 样品设计与组件构成
研究使用一个基于120度等腰硅三棱镜、高反射性银镜（Silver Mirror）和液晶相位移器（LC Phase Shifter）的设备。三棱镜设计用于利用全内反射（Total Internal Reflection, TIR）现象，银镜通过电机控制位置以改变镜和棱镜之间的距离 ( h )。液晶相位移器则通过调整双折射（Birefringence）特性补偿相位变化。来光的偏振方向以45°倾斜设置。
2. 太赫兹波反射与相位调控原理
通过调节镜与棱镜的距离 ( h )，实验设定了 ( p ) 和 ( s ) 偏振波之间的相位差 (\Delta \phi_{ps})，具体描述了如何通过细微的微米级距离变化（小于40微米）实现高达289°的相位调制范围。同时，通过薄层液晶补偿器消除了频率相关的色散，理论和实验均显示设备能够在宽频带（1.5–3.5 THz）内保持稳定的偏振特性。
3. 数据分析与模型验证
实验通过理论建模计算 (\Delta \phi_{ps}) 以及双折射值 ( \Delta n )。通过实验验证了模型预测的高准确性，结合可调电压对液晶层（结构中最厚的部分为210微米）的双折射特性进行细致调控。使用高精度三层光学模型分析了全内反射耦合反射器和镜结构的相位和幅度响应。
1. 机械调控镜—全内反射结构的结果
测量结果表明，当实验调节 ( h ) 的范围从1.4到17.4微米时，相位差 (\Delta \phi_{ps}) 发生了超280°的巨大变化，均与理论预测高度吻合；幅度比值保持接近1，证明了结构具有理想的高效性和无损耗特征。
2. 液晶相位补偿器表征
实验表明液晶相位补偿器在全频域内能提供有效的负色散调控，且损耗控制在20%以内。液晶的双折射特性与理论预测相符，并采用方波电压调节进行了细微的连续相位调整，达到对偏振特性的精准控制。
3. 宽带偏振转换及高精度表现
综合偏振转换性能通过实验验证。设置 ( h ) 和液晶的双折射 ( \Delta n ) ，实现了总内反射与液晶相位补偿的完美结合，成功在宽频段内输出左旋、右旋圆偏振光以及正负方向线偏振光，线性和圆偏振度均超过0.996，验证了设备在1.6–3.4 THz宽频段内的极高精度与灵活性。
4. 可调中心频率的任意偏振输出
进一步实验随机设定了三种不同中心频率下的目标偏振状态，显示设备可以通过优化 ( h ) 和 ( \Delta n ) 的组合，生成具有自定义中心频率和宽带的任意偏振状态，在保证带宽覆盖的基础上显著拓展了设备的适用范围。
本研究提出了一种结合机械调节镜-全内反射结构和液晶相位补偿的新型设备，突破了传统太赫兹偏振调控技术在带宽、效率及色散控制等方面的限制。该设备： 1. 提供了宽达189%的比例带宽，支持从半波到四分之一波以及任意偏振状态的输出； 2. 实现1.6–3.4 THz频段内线性/圆偏振度超99.6%的高精度性能； 3. 相比现有技术，显著提高了调控灵活性及对宽频偏振控制的适应性，满足多功能化需求。
通过实验验证的建模算法准确性和设备性能，研究进一步强化了该技术在太赫兹成像、多光谱分析和无线通信等领域的潜在应用，有望成为这些领域的重要基础技术。