基于可拉伸碳纳米管超表面的动态太赫兹波前调控。 导读
近期，首都师范大学张岩教授团队联合北京交通大学、莫斯科先进研究中心、俄罗斯普罗霍罗夫普通物理研究所、奥塔哥大学、哈尔滨工业大学、斯科尔科沃科学技术研究所等多家单位，在Light: Advanced Manufacturing发表了题为Dynamic terahertz wavefront control using stretchable single-walled carbon nanotube-based metasurfaces的研究论文。
该研究提出并实现了基于单壁碳纳米管（SWCNT）的可拉伸太赫兹超表面器件，通过机械拉伸实现了对太赫兹波前的动态调控。研究团队设计并实验验证了两种太赫兹功能器件——焦距可调超表面透镜和波束动态偏转超表面。通过机械拉伸，提出的超表面表现出优异的动态波前操控性能，为柔性太赫兹器件在6G通信、智能感知和成像等领域的应用开辟了新途径。
太赫兹（THz）技术在下一代通信系统中扮演着关键角色，在高速数据传输和精密传感方面具有独特优势。超表面作为一种二维平面人工结构，通过设计亚波长微结构的几何形状、尺寸和空间排列，能够灵活调控电磁波的相位、振幅和偏振，极大地推动了太赫兹器件的小型化与多功能化。然而，传统太赫兹超表面一旦制备完成，其工作特性便固定不变，严重限制了其在太赫兹无线通信、实时成像和智能传感等动态场景中的适应性。因此，实现动态可调的超表面已成为现代太赫兹光子学研究的核心目标之一。
在众多可调策略中，基于柔性基底机械拉伸的调控方法因其连续可调性、优异的可逆性、高稳定性以及与可穿戴电子产品的兼容性而备受关注。然而，传统金属或半导体基超表面在反复变形下往往会发生断裂、分层或导电性下降等问题，从而限制其在可拉伸器件中的长期可靠性。单壁碳纳米管（SWCNT）作为最具前景的纳米材料之一，具有卓越的机械强度、高电导率、优异的热稳定性和本征弹性，是柔性可拉伸光电器件的理想候选材料。
图1：基于 SWCNT 的超表面示意图：通过拉伸变形实现波束偏转
图源：北京交通大学
亮点一：焦距可调超表面透镜——机械拉伸实现45%焦距变化
研究团队基于Pancharatnam-Berry（PB）相位原理设计并制备了焦距可调的太赫兹超表面透镜。整个超表面透镜面积为21 mm × 21 mm，由60×60个不同取向的SWCNT薄膜矩形条单元组成和硅胶基底上组成，SWCNT薄膜厚度约200 nm，硅胶基底厚度约200 μm。当左旋圆偏振（LCP）的0.35THz的太赫兹波经过超表面透镜后，其右旋圆偏振（RCP）分量会聚焦在19.4mm处。通过自制的拉伸夹具对样品施加均匀机械拉伸，随着拉伸程度逐步加大，焦点不断向后移动，焦距也出现明显提升。当样品的边长被拉伸至原来的1.2倍（拉伸系数A=1.2）时，透镜焦距从19.4 mm增加至28.2 mm，焦距变化约为原来的45%。所设计的SWCNT超表面透镜的实物照片、拉伸夹具以及实验测试得到光场变化规律如图2所示。
图2：SWCNT超表面透镜与均匀拉伸装置实物照片以及机械拉伸条件下焦距变化实验结果
亮点二：动态波束偏转超表面透镜——机械拉伸驱动波束转向
研究团队进一步设计并制备了动态波束偏转超表面透镜，在机械拉伸驱动下同时实现焦点的纵向位移和横向偏转。实验测得器件在未拉伸状态下焦点位于z=19.9 mm处，波束偏转角为-19.69°。当拉伸系数A增至1.2时，焦点移动至27.7 mm，波束偏转角从-19.69°变化至-16.01°，相对偏转3.68°。实验结果验证了机械拉伸对太赫兹波束的偏转控制能力。波束偏转超表面透镜的实物照片与实验测得的光场变化规律如图3所示。
图3：波束动态偏转超表面透镜实物与机械拉伸条件下波束偏转实验结果
亮点三：SWCNT超表面高可靠性
研究团队制备的SWCNT超表面的光学显微镜图像如图4a所示，SWCNT薄膜图案边缘锐利，间隙区域几乎无碳纳米管残留，展现了优异的图案精度。制备的SWCNT超表面透镜在经过1000次反复拉伸-收缩（A=1.0和A=1.2）实验下，仍能保持优异的波束聚焦性能，证实了样品优异的机械与电磁稳定性，如图4b所示。
图4：SWCNT超表面样品局部显微镜照片和反复拉伸测试的焦平面强度分布测试结果
总结与展望
该研究将SWCNT这一先进纳米材料与超表面设计理念相结合，实现了对太赫兹波前的动态机械调控，成功解决了柔性光子学中可调性与机械鲁棒性之间的权衡问题。两种功能器件——焦距可调超表面透镜和光束偏转可调超表面透镜——的实验验证，充分展示了该技术路线在动态太赫兹波前调制方面的可行性与优异性能。SWCNT优异的机械弹性和电磁稳定性，使得器件在反复拉伸循环后依然保持稳定的光学特性，为其在实际应用中的长期可靠性提供了保障。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.066
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作者：张岩等 来源：《光：先进制造》
