太赫兹波的位置处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，其频率在0.1～10THz(1THz=1012Hz)之间，是电磁波中唯一尚未完全开发的频段。由于太赫兹波有高效的背景发射噪声抑制功能，很好的时间和空间相干性，超低的光子能量（4meV），超大的传输容量以及超强的穿透能力，使得太赫兹波在通信、生物传感、成像、非接触无损检测以及材料光谱分析等应用领域有着广阔的应用前景。近年来，随着太赫兹科学技术的飞速发展，太赫兹源、探测器以及相关功能器件均走向成熟,使得其在信息科学、天文学、物理学、化学等学科领域中的应用日趋明显。另一方面，由于生物大分子的振动、转动以及生物大分子间弱相互作用在太赫兹波段有明显的特征指纹谱,而且太赫兹波的光子能量相对较低，几乎不会对生物体系造成电离辐射的损伤，具有生物安全性，使得太赫兹波在生物医学领域具有重要的应用前景。然而，太赫兹波长介于30 μm 到 3 mm 之间，传统的太赫兹远场测量由于衍射极限的限制无法获得高空间分辨率，阻碍了太赫兹技术向高分辨精准医学的发展脚步。
超表面由亚波长的准二维微结构按照特定的排列方式构成，可以很灵活的调控电磁波的波前(振幅、位相和偏振)能够获得高质量的亚波长甚至突破衍射极限的聚焦光斑，并有效的将传统三维“体”功能器件的功能用二维/准二维的平面”flat”器件实现，有效的提高了功能器件的可集成度，为今后的系统的小型化和集成化提供了一个全新的解决方案。近日，上海理工大学太赫兹技术创新团队在庄松林院士和的指导之下，臧小飞、朱亦鸣教授等提出了一套理论方案同时控制太赫兹波的位相和偏振实现太赫兹超表面透镜并应用至太赫兹高分辨成像：
(1)利用几何超表面实现了线偏振太赫兹波的多焦点聚焦和焦点偏振任意旋转的控制；该工作将传统透镜的多个功能合成于一块超表面透镜之中，形成聚焦和偏振调控多功能复用(如图1所示)；基于此偏振依赖的超表面透镜我们还实现了偏振依赖的太赫兹高分辨成像(如图2所示)。相关工作以题为“Multi-foci metalens with polarization-rotated focal points”发表于Laser Photonics Reviews 13， 1900182(2019) 上(文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.201900182)。
图1. 太赫兹多焦点和偏振可控的超表面透镜
图2. 太赫兹偏振依赖的高分辨扫描成像
(2)同时，我们将超表面波前调控原理推广应用至太赫兹近场突破衍射极限的超聚焦光斑调控，该工作利用相干效应巧妙的设计相互正交排列的空气狭缝阵列(超表面)，形成圆偏振态依赖的等离激元激发，即创新性的引入手性结构，使得激发的偏振依赖的手性表面等离激元的转化效率最大化；进一步，本工作创新性的引入环状天线，通过相干效应将聚焦的等离基元发射至自由空间，形成单频点偏振可控且突破衍射极限的太赫兹超聚焦光斑(FWHM～0.4λ) (如图3所示)；相关研究结果有望应用至太赫兹超分辨成像，以上工作以题为“Polarization-controlled terahertz super-focusing”发表于Applied Physics Letters 113, 071102(2018).
图3. 突破衍射极限的超表面太赫兹超聚焦光斑
(3)进一步，我们提出了一套新的理论方案，巧妙的设计了一种偏振无关的几何超表面；该方法充分考虑了几何超表面圆偏振聚焦的原理，将线偏振光分解为相互正交的圆偏振态并借鉴全息成像方法，合成任意偏振聚焦调控和焦深调控于一体，形成偏振无关的太赫兹波的超长聚焦焦深(焦深可达23λ)的调控(如图4所示)，实现纵向高分辨、高宽容性的扫描成像(如图5所示)，相关工作以题为“ Polarization-insensitive metalens with extended focal depth and longitudinal high-tolerance imaging”发表于Advanced Optical Materials 7, 1901342(2019) (文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201901342)。
图4. 偏振无关的太赫兹长焦深超表面透镜
图5. 偏振无关的太赫兹长焦深超表面透镜的纵向高宽容性成像
(4)另一方面，我们将超表面波前调控原理推广应用至设计太赫兹轨道角动量操控，通过在金属薄膜上引入各项异性且互相正交的圆形空气阵列，实现了太赫兹波的波前调控(螺旋位相)，获得具有轨道角动量的太赫兹波束。通过局域操控各个空气隙缝的角度控制几何位相，实现了轨道角动量任意拓扑荷的调控和偏振/自旋(左旋和右旋)依赖的太赫兹OAM(场分布一致，拓扑荷相反)光束。进一步,通过设计阿基米德螺旋线阵列结构引入动力学相位，实现了非完全相反拓扑荷的偏振依赖的太赫兹OAM光束(如图6所示)。研究工作将可能在矢量光学，太赫兹通讯，微粒子操控等方面具有重要应用。研究成果“Manipulating Terahertz Plasmonic Vortex Based on Geometric and Dynamic Phase”发表于Advanced Optical Materials 7, 1801328(2019) (文章链接：https://doi.org/10.1002/adom.201801328)。
图6. 基于几何位相和动力学的太赫兹OAM超控