《光学学报（网络版）》在组稿专家刘伟伟教授、吴晓君教授、江天研究员的支持下，精心策划并推出 “太赫兹源、功能器件与应用”专题，专题分三期出版，分别于2026年第13/17期和2027年第2期出版。本文为2026年第17期封面文章。

封

面

解

析

封面以周期排列的开口谐振环阵列勾勒出太赫兹超表面的微观结构。中央交织的蓝色与粉色光带象征耦合系统的两个本征模态及其本征值分支，它们随系统参数演化逐渐靠近，并在奇异点处发生本征值与本征态的同时合并。环绕其外的发光轨迹寓意奇异点附近独特的拓扑演化与相位积累。贯穿画面的蓝紫色光晕连接微观谐振单元与宏观光场，体现了非厄米物理的核心思想：将传统上被视为不利因素的损耗转化为可精确设计的调控自由度，从而实现对太赫兹波振幅、相位和偏振的多维操控。

链接：万顺, 何韦宝, 胡思扬, 任子恒, 喻钟意, 廖佳慧, 张玉龙, 王宗超, 袁瑜岩, 何勇杰, 扶灏, 胡瑜泽, 江天. 太赫兹超表面中非厄米奇异点研究进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(17): 1713001. 

01

背景介绍

设想这样一个场景：研究人员希望利用太赫兹波检测极少量的生物分子。许多生物分子和化学物质在太赫兹频段具有独特的振动和转动“指纹”，理论上可以通过光谱识别它们的种类。然而，当待测物只是极薄的表面吸附层，或者浓度非常低时，它对太赫兹波造成的频率变化十分微弱，常常会被器件线宽、环境漂移和测试噪声所掩盖。

为了增强太赫兹波与物质之间的相互作用，研究人员发展了由亚波长人工结构组成的太赫兹超表面。通过改变谐振单元的形状、尺寸和排列方式，超表面能够灵活调控电磁波的振幅、相位与偏振，为通信、传感、成像和信息处理提供小型化、集成化的器件平台。

但是，损耗始终是太赫兹器件难以回避的问题。金属中的欧姆损耗、半导体中的载流子吸收和材料色散都会削弱共振强度、降低器件效率。传统设计通常将损耗视为需要尽可能消除的不利因素。非厄米物理则提出了一种截然不同的思路：与其一味躲避损耗，不如对损耗进行精确设计。

当不同模式之间的频率、耦合强度和损耗差满足特定条件时，它们的本征值和本征态可以同时合并，形成非厄米系统中特有的“奇异点”。在奇异点附近，微小扰动可能引起显著的频谱、偏振和相位变化，从而为增强传感、控制散射、操纵偏振和整形波前提供新的物理机制。

针对上述问题，国防科技大学江天研究员团队万顺、胡瑜泽等人围绕太赫兹超表面中的非厄米奇异点，对其基本理论、实现方法、主要类型和器件应用进行了系统梳理，希望回答一个核心问题：如何把原本限制器件性能的损耗，转化为可主动利用的光场调控自由度？

2.1 从“增益-损耗平衡”走向无源损耗工程

非厄米物理早期研究主要围绕宇称-时间对称系统展开。在理想情况下，一个模式获得能量，另一个模式损失能量。当增益、损耗与耦合达到平衡时，系统可以演化至奇异点。

这一思路在可见光和近红外系统中可通过光泵浦或电注入实现，但在太赫兹波段，稳定、高效并且便于片上集成的增益材料仍然较为有限。相比之下，金属欧姆损耗、半导体吸收和辐射泄漏天然存在。因此，太赫兹非厄米研究逐渐从严格的增益-损耗平衡转向更加实用的无源损耗工程。

研究人员可以选用损耗不同的材料，改变谐振单元间距、几何尺寸和排列方式，或者引入石墨烯、相变材料和光生载流子，分别调节模式损耗、近场耦合和辐射通道。这样，即使系统中没有真正的光学增益，也可以通过两个模式之间的相对损耗差构造非厄米响应并形成奇异点。该方法更加符合太赫兹器件的材料特性，也更有利于器件加工和功能集成。

2.2 奇异点让微弱信号更加显著

太赫兹波能够识别许多生物分子、药物和有机化合物的低频振动模式，但微量样品与太赫兹波之间的作用通常较弱。传统传感器受到共振线宽、噪声和频率分辨率限制，很难清楚分辨微小变化。

奇异点为放大这些微弱扰动提供了新方法。哈尔滨工程大学史金辉教授团队将相变材料二氧化钒集成到双层太赫兹超表面中，利用温度引起的电导率和损耗变化驱动系统接近奇异点，实现温度与折射率双功能传感。华中师范大学林海教授与南昌大学沈云教授团队进一步将偏振自由度用于奇异点传感，通过读取偏振本征态和偏振转换变化，提高信号的可测性。

在高阶奇异点方面，中国科学院大学顾长志研究员、清华大学杨鲁懿副教授等通过调控三个开口谐振环之间的近场耦合，并利用神经网络搜索高维参数空间，实现了从二阶奇异点到三阶奇异点的演化，使系统对介电微扰呈现更加明显的立方根响应。

图1 用于超灵敏传感和生物传感器的非厄米超表面

2.3 利用损耗控制传播方向和偏振状态

除传感领域外，奇异点还可用于调控太赫兹波的传播方向。Chen等利用光泵浦石墨烯提供有效增益，并通过其与金属薄膜损耗之间的平衡实现单向无反射。Kaur等则采用正交开口谐振环，通过明、暗模式耦合和非对称耗散，在无源条件下实现针对特定偏振的单向反射抑制。这些研究为方向选择性耦合、非对称调制和太赫兹波束控制提供了新的设计方案。

偏振调控是太赫兹奇异点研究的另一条重要主线。Lawrence等利用两个相互正交、共振频率相同但损耗不同的谐振器，首次在太赫兹超表面中展示了偏振空间的宇称—时间对称相变。在奇异点处，两个偏振本征态合并为单一圆偏振态。国防科技大学江天团队则利用光泵浦产生的瞬态损耗，驱动系统快速穿越奇异点，实现超快四分之一波片功能；进一步通过三模耦合和损耗调节，实现左旋与右旋圆偏振之间的动态手性翻转。

这些研究表明，偏振转换不再只能由固定的几何结构决定，还可以通过损耗和耦合引起的本征态重构实现，为太赫兹偏振编码和动态调制增加了新的控制维度。

图2 用于偏振调控的非厄米超表面

2.4 从偏振调控拓展到波前整形

当奇异点附近的相位演化与超表面的空间排布相结合时，非厄米物理还可以用于波前调控。

天津大学韩家广教授团队在参数空间中设计环绕奇异点的演化路径，获得了区别于传统几何相位的拓扑相位，实现自旋选择的定向发射和双焦点聚焦。针对环绕奇异点需要多个参数、器件设计复杂的问题，国防科技大学江天团队提出了无需环绕奇异点的单参数调控方法。通过连续改变一个几何参数，系统的演化轨迹穿过一对奇异点之间，即可获得完整的相位积累，显著降低设计难度。

南洋理工大学张柏乐教授团队进一步利用全介质超表面构建特殊奇异点结构，有效抑制零级衍射背景，产生高信噪比的自旋选择涡旋光束。南京大学张彩虹副教授、范克彬教授等则将奇异点与连续域束缚态相结合，通过光泵浦产生瞬态载流子，在高品质因子共振态和奇异环状态之间进行快速切换，实现动态波束偏折。

由此，太赫兹非厄米超表面的功能已由早期的频谱调控，逐步扩展到传感、散射、偏振和空间波前的多维联合操控。

图3 用于波前调控的非厄米超表面

非厄米物理改变了传统太赫兹器件“尽可能降低损耗”的设计理念。通过协同调控材料损耗、模式耦合、辐射通道和偏振响应，原本限制器件性能的耗散可以转化为构建奇异点和实现特殊光场调控的有效自由度。现有研究已经展示了奇异点在超灵敏传感、单向无反射、动态偏振转换、手性切换和波前整形等方面的应用潜力。

未来，太赫兹非厄米超表面需要进一步解决工作带宽较窄、加工容差较小、环境漂移敏感和系统集成困难等问题。一方面，可将奇异点与连续域束缚态、高阶奇异点及其他拓扑奇点相结合，协调提升品质因数、效率和稳定性；另一方面，可引入石墨烯、相变材料、光生载流子和微机电结构，实现动态、可编程的损耗与耦合调控。

人工智能和逆向设计也有望在高维参数空间中同时考虑器件效率、奇异点位置、加工误差和环境稳定性。结合闭环反馈后，器件还可以实时补偿材料差异和外界扰动，使奇异点从需要精细调参的物理现象，逐步发展为可重复、可集成和可工程化利用的太赫兹器件机制。

国防科技大学江天团队面向国家天基智能重大需求，持续探索新一代光频梳星间链路技术，凝聚起一支涵盖光学工程、仪器科学与技术、物理学等多学科交叉融合的科研队伍，从基础理论、核心器件到系统应用体系布局，开展前沿基础创新研究，先后入选国家自然科学基金创新研究群体（B类）、湖南省自然科学基金卓越研究群体。团队长期聚焦光频梳光源与光场调控、光频梳链路精密测量、太赫兹微波光子学以及时空感知应用等方向，研制了国际先进的光频梳光源，突破了光场调控新机理，攻克了微波和光频梳精密测量关键技术，成果应用于北斗导航、载人航天等国家重大工程，在Nature子刊、PRL等高水平期刊发表论文50余篇，获得国家技术发明、科技进步二等奖各1项，军队及省部级奖励5项。

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期刊简介

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