王磊 肖芮文 葛士軍 沈志雄 呂鵬 胡偉 陸延青

1) (南京郵電大學電子與光學工程學院、微電子學院,南京 210023)

2) (南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院,固體微結構物理國家重點實驗室,人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210093)

液晶是一種性能優(yōu)異的可調(diào)控光電功能材料,基于液晶的太赫茲器件有著廣泛的應用前景,但高性能太赫茲功能器件的研發(fā)仍處于初級階段.本文綜述了太赫茲領域液晶材料與器件的研究現(xiàn)狀,探討了液晶技術與太赫茲技術相結合的發(fā)展趨勢.

1 研究背景

太赫茲波(terahertz,THz)一般指頻率在0.1—10.0 THz (1 THz=1012Hz,對應波長 3000—30 μm )之間的電磁波,如圖1所示.由于其具有較低的光子能量,適合對生物組織進行活體檢查; 很多凝聚態(tài)物質(zhì)、鐵磁材料的諧振頻率,生物大分子的骨架振動和轉動能級,許多分子間弱的相互作用(氫鍵等)都處于THz頻帶; 許多非金屬、非極性材料對THz波的吸收較小,具有高透性; 與可見光和微波相比,THz波同時具有較高的方向性和較強的云霧穿透能力,能實現(xiàn)Gbit/s以上的無線傳輸速率等獨特優(yōu)勢,使得位于交叉學科前沿的THz科學技術在安全檢查、生物醫(yī)學、無損探測、高速通信等諸多領域具有重要的應用前景[1-5].目前,在世界范圍內(nèi)掀起了一股THz研究熱潮[6].相對于THz源和THz探測器的飛速發(fā)展,用于傳輸和控制THz波的高性能光子學器件還不夠成熟,尤其對各種動態(tài)可重構的THz功能器件的研究仍處于初級階段,但需求尤為迫切[7].

液晶兼具液體的流動性和晶體的有序性,其指向矢分布及光學性質(zhì)強烈依賴于表面作用和環(huán)境溫度,并對外場(電場、磁場、光場、聲場等)的變化非常敏感,其介電各向異性覆蓋從紫外到微波的廣闊頻段,是優(yōu)異的可調(diào)控光電功能材料[9].最初液晶光子學器件主要用于光通信領域的可調(diào)諧無源器件,以實現(xiàn)對光信號的控制和分配.由于液晶器件具有無機械移動部件、體積小、重量輕、成本低、工藝簡單、連續(xù)可調(diào)等優(yōu)勢,后來的研究也逐漸向波長更長的區(qū)域如中遠紅外波段、THz波段乃至微波波段延伸.液晶技術已經(jīng)在顯示領域和非顯示領域得到了廣泛的應用,積累了大量技術基礎[10,11],使得基于液晶的THz可調(diào)器件的研究越來越引起了人們的關注.本文綜述了當前液晶材料與基于液晶的動態(tài)可調(diào)器件在THz波段研究的最新進展,并對其發(fā)展趨勢進行了簡要探討.

2 太赫茲液晶材料的研究現(xiàn)狀

液晶材料具有介電與光學的各向異性,人們能夠通過外場來調(diào)節(jié)液晶分子的指向矢,從而對光波乃至各頻段電磁波的強度、位相、偏振等性質(zhì)進行有效調(diào)控,使得液晶材料具有了巨大的應用潛力.在THz波段一般使用熱致向列相液晶.該類液晶材料在THz波段的介電和光學各向異性較之在可見光或紅外一般會有所降低,同時其吸收損耗也會增大[12].2003年,臺灣國立交通大學的潘犀靈教授研究組率先進行了液晶5CB在THz波段下的折射率各向異性的研究[13],發(fā)現(xiàn)在0.3—1.4 THz內(nèi)雙折射(Δn)為0.13—0.21.2008年,Koeberle等[14]采用自由空間的連續(xù)THz波系統(tǒng)給出了K15和E7兩種液晶在0.10—0.35 THz頻率范圍內(nèi)的特性,Δn分別大于等于0.05和0.08.2009年,Wilk等[15]研究了四款CB系列液晶5CB,6CB,7CB和8CB的THz特性,除了折射率和吸收系數(shù),還給出了在不同電場和溫度條件下的雙折射值.在THz范圍這些液晶的no在1.64和1.60之間,ne在1.74和1.70 之間.THz波段的性質(zhì)主要由液晶的扭轉和振動模式?jīng)Q定,吸收主要來自于液晶分子苯環(huán)在液晶分子短軸方向的扭轉.Vieweg等[16]報道了向列相液晶在THz頻域內(nèi)的分子特性,探討了烷基鏈的長度對液晶特性的影響,重點研究了最明顯的奇偶效應.文獻中還用Vuks和Haller方法計算極化率和液晶指向矢,建立了液晶分子結構與THz特性之間的聯(lián)系,對由液晶分子主結構和側鏈引起的THz各向異性的變化也進行了分析討論.Yang等[17]研究了E7混合液晶的光學常數(shù),在0.2—2.0 THz頻段內(nèi),ne值的范圍為1.690—1.704,no值的范圍為1.557—1.581,即雙折射值的變化范圍為0.130—0.147,在26—70 ℃溫度下,其消光系數(shù)小于0.035,沒有尖銳的吸收峰,雙折射的溫度相關性與可見波段的特性相似.綜上所述,常規(guī)液晶在THz波段的雙折射普遍比較小.

圖1 電磁波譜示意圖及THz在電磁波譜中的位置[8]Fig.1.Schematic diagram of electromagnetic spectrum and location of THz in electromagnetic spectrum with blue underline [8].

相比可見光波段的液晶器件,在THz波段通常需要更厚的液晶層,如(1)式所示：

式中 Δφ 為 o 光與 e 光的相位差,Δn 為液晶雙折射,d為液晶層厚度,λ 為入射波長.液晶層太厚會導致器件響應速度變慢和較高吸收損耗等問題[18].人們迫切需要THz波段大雙折射液晶材料.當液晶的雙折射增大時,可以使用較薄的液晶盒來實現(xiàn)相同的相位延遲.目前比較大的THz雙折射材料如表1所列.

表1 THz大雙折射液晶材料Table 1. Large birefringence liquid crystal materials in THz range.

2010年,Trushkevych等[19]報道了基于異硫氰酸酯的液晶在0.5—1.6 THz范圍內(nèi)雙折射從0.2變化到0.3,但這種液晶對光和熱的穩(wěn)定性都較差,無實用性.2011年,Vieweg等[20]研究了BL037液晶混合物在THz頻域的光譜,并提取了折射率和吸收系數(shù)等參數(shù),同時分析了該液晶的溫度依賴性,從0.3 THz到2.5 THz雙折射約為0.2,是應用于THz頻域的比較好的液晶材料.潘犀靈教授研究組[21]在室溫下測得MDA-00-3461液晶在0.3—1.4 THz,ne和 no分別為 1.74和 1.54,即雙折射為0.2,且在該頻域內(nèi)的消光系數(shù)相對比較小,在整個頻域范圍內(nèi)沒有觀察到有吸收峰.2012年,Park等[22]用THz時域頻譜方法測得RDP97304具有最大的雙折射值0.22,也是一種比較有效的開發(fā)THz器件的液晶材料.我們研究組[23]研制了一種THz波段大雙折射液晶材料NJU-LDn-4,具體是以氟化二苯乙炔衍生物為主要成分的混合液晶材料,是最早報道的在THz波段Δn ＞ 0.3,且溫寬達到實用要求的液晶材料,如圖2所示.

圖2 THz波段大雙折射液晶的雙折射和折射率 (a) 實部；(b) 虛部隨頻率的變化[23]Fig.2.Frequency-dependent birefringence Δn and refractive indices： (a) Real part n; (b) imaginary part κ of NJULDn-4 [23].

該液晶在THz頻段的電磁特性十分穩(wěn)定,并且隨著頻率的上升,液晶的介電損耗始終保持在一個較低的范圍.該成果為設計合成更大雙折射、更快響應的液晶材料提供了很好的參考.2013年,Naftaly和Dudley[24]在較寬的THz頻段范圍0.4—4 THz內(nèi),測得GT3-23001液晶的雙折射約為0.22.Reuter等[25]展示了兩種在THz波段具有大雙折射、低損耗特性的液晶混合物1852和1825,在0.2—2.5 THz范圍內(nèi),最大雙折射分別為0.32和0.38,但其吸收系數(shù)隨THz頻率變化明顯.2016年,Liu等[26]研究了一種正性液晶材料MLC-2142在THz波段的特性,發(fā)現(xiàn)其在0.1—1.6 THz范圍內(nèi),雙折射的大小隨頻率的增加略有增大,且都大于0.23.該液晶材料非常適合應用于寬帶可調(diào)THz器件.Chodorow等[27,28]研究了摻入鈦酸鋇鐵電納米粒子的液晶材料,其中一種2020液晶懸濁液在0.3—3.0 THz,平均雙折射達到0.3以上,1 THz時的雙折射甚至高達0.36.這為我們獲得大雙折射液晶材料提供了一個新的思路,但其吸收損耗會由于納米粒子的摻入而增大.2017年,Dziaduszek等[29]研究表明一些二、三和四氟取代的4-異硫氰酸根和4-氰基-4'-(4-烷苯乙烷)是制備高雙折射液晶的有用成分,且尤其適用于THz波段.

綜上,現(xiàn)有THz大雙折射液晶材料的雙折射還不夠大,仍有進一步提升的需求和空間.一般大雙折射液晶分子共軛長度長,電子云共軛性強,共軛方向的偶極較強; 雙折射隨端基柔性鏈部分的增長而增加,但是奇偶效應明顯; 當然實用的液晶材料還要同時滿足快速響應等特性,液晶黏彈性系數(shù)越小,響應速度越快.目前研究表明,在可見光波段的大雙折射液晶在THz波段其雙折射不一定較大.由于商業(yè)保密,很多在THz波段具有較大雙折射的液晶材料的分子結構配比無從知曉,分子結構和THz雙折射的關系等深入的機理尚不清楚.THz大雙折射液晶材料可以減小液晶THz器件盒厚,保證液晶的良好取向,提高器件響應速度等;對同樣厚度的液晶層,又能增大THz液晶器件調(diào)制范圍.對液晶材料在THz波段的特性研究是THz液晶器件性能提升與廣泛應用的關鍵,今后仍需對THz大雙折射液晶材料分子設計規(guī)律進行深入研究,進一步優(yōu)化設計在THz波段具有寬帶、更大雙折射、更小損耗且更快響應速度兼顧較寬液晶相溫寬等優(yōu)良特性的液晶材料.

3 傳統(tǒng)太赫茲液晶器件的研究現(xiàn)狀

根據(jù)THz源和探測器最新進展及應用倡議,需要發(fā)展各種THz可調(diào)器件,包括： 可調(diào)的相位延遲器、濾波器、波片和空間光調(diào)制器等,這些可重構器件可以減小THz系統(tǒng)的復雜度、成本和尺寸.人們嘗試用不同的方法調(diào)制THz有效介電常數(shù)的實部和虛部,包括電學的、磁學的、光學的、機械的、熱學的和結構的方法[30-35].其中,由于液晶在較寬的頻帶范圍內(nèi)具有雙折射且具備成熟的液晶顯示(LCD)技術基礎,基于液晶材料的連續(xù)可調(diào)THz器件備受關注[36,37].

由于早期缺乏THz波段的高透明電極,人們利用磁場調(diào)制液晶.潘犀靈教授研究組利用磁場對液晶的指向矢分布進行調(diào)控(即調(diào)節(jié)液晶介質(zhì)的折射率),設計實現(xiàn)了可調(diào)的THz相移器[38]和濾波器[39,40].Chen等[41]采用向列相液晶E7,并用磁場給總厚度長達3.0 mm液晶盒配向,在1 THz實現(xiàn)了0—360°相位可調(diào).2016年,Yang等[42]用弱磁場對隨機取向的液晶進行調(diào)控,實現(xiàn)了比較高的相位調(diào)制深度.磁場調(diào)控液晶的優(yōu)點在于能有效避免電極材料對THz不透明和厚盒需加高工作電壓等問題,可實現(xiàn)液晶分子折射率的有效調(diào)制.但磁調(diào)液晶器件體積大、功耗大,很難集成.Ge等[43]把液晶填充到金屬薄片陣列空隙間,通過溫度控制液晶折射率的變化,實現(xiàn)了一種新型THz可調(diào)濾波器,但其可調(diào)范圍比較窄.在所有驅動機制中,電調(diào)諧由于其易集成和高可靠性最具吸引力.Tsai等[44]最初利用38.6 μm的向列相液晶盒實現(xiàn)了5°的延遲量.后來該研究組采用570 μm厚的向列相液晶盒,通過側向加電壓的方式,在125 V的驅動電壓作用下實現(xiàn)了在1 THz延遲量為90°的器件[45].該器件可以作為在1 THz的電控四分之一波片,也可以作為電控四分之一波片的補償片,但響應速度較慢.同時該研究組實現(xiàn)了在1 THz的可調(diào)相位為360°相位延遲器[46],相位延遲所對應的電壓為100 V.該器件采用盒厚為1.83 mm的垂直配向液晶盒,所用液晶為E7.通過改變電極位置(將金屬條作為液晶盒的間隔材料進行橫向加場)等方法實現(xiàn)了電場調(diào)控,并結合理論工作又報道了電場調(diào)諧的THz液晶相位光柵的研究結果[47].

在可見及近紅外波段最常用的透明導電薄膜氧化銦錫(ITO),在THz波段的透過率卻非常低,不再適用[37],迫切需要重新尋找在THz波段可用的替代材料.我們研究組前期已用亞波長金屬線柵作為透明電極實現(xiàn)了緊湊型、高效的THz相位延遲器,但這種電極是偏振相關的,僅一個偏振方向的THz波能通過[48].最近ITO納米須電極被用在電調(diào)THz相位延遲器中,它在0.2—1.2 THz透過率約為82%[49]; 一種聚合物在THz波段的透過率達到90%,被用作透明電極,實現(xiàn)了一種電可調(diào)相位延遲器[50,51].Wu等[52]用石墨烯做THz波段電極,驅動50 μm厚的液晶盒,實現(xiàn)了最大相移10.8°,飽和電壓5 V.但隨著石墨烯層數(shù)增加,電導率增加,THz透過率會減小.我們研究組在2015年通過紫外線臭氧法(ultra-violet ozone,UVO)對石墨烯進行處理得到少層多孔石墨烯,其在THz波段透過率超過98%且保持了較小的面電阻,成為THz波段完美透明電極.然后結合亞波長金屬線柵偏振器電極,驅動被光控取向的大雙折射液晶材料NJU-LDn-4,實現(xiàn)了0.5—2.5 THz寬帶低電壓連續(xù)調(diào)諧的THz波片[53],如圖3所示.

通過疊加多孔石墨烯電極的雙層液晶盒,調(diào)節(jié)帶寬進一步增大,工作電壓進一步減小,實現(xiàn)了真正高效實用的超寬帶可調(diào)THz波片,可實現(xiàn)線偏振光到圓偏振光之間的連續(xù)演變,為設計THz偏振轉換提供了一個很好的思路,在集成化、高效率、低能耗的實用液晶THz元器件方向上邁出了關鍵的一步.隨后,Sasaki等[54]也用石墨烯作為透明電極,驅動隨機取向的液晶,可實現(xiàn)任意偏振態(tài)THz波的相位延遲.2018年,Ji等[55]又設計了一種石墨烯光柵與液晶相結合的寬帶可調(diào)THz波片.2017年,Sasaki等[56]用 PEDOT/PSS 作電極,同時作為摩擦取向層,控制扭曲向列相液晶的初始取向,實現(xiàn)了一種THz偏振轉換器.同年,Ji等[57]結合THz介質(zhì)超表面,進一步增強了液晶的相位延遲能力.Wang等[58]使用手性向列相液晶,實現(xiàn)了偏振不相關的THz相位調(diào)制器,調(diào)制量可達2 π,這種稀釋的手性劑可把臨界電壓減小至0.24 V/μm.2018年,Yu等[59]用一種新型雙頻液晶實現(xiàn)了一種可調(diào)的THz波片.

以上液晶THz器件都為透射式.2017年,我們研究組設計實現(xiàn)了一種基于亞波長金屬線柵的反射式電控寬帶可調(diào)THz液晶波片[60],如圖4所示.在0.5—2.5 THz寬帶范圍內(nèi),僅有偏振方向垂直于光柵方向的THz波透過亞波長金屬線柵,進入液晶層,然后從反射面再返回; 偏振方向平行于光柵方向的THz波直接被線柵反射,因此這兩束光即形成光程差.通過調(diào)節(jié)電壓控制液晶指向矢,在 2.2—2.5 THz可實現(xiàn)半波片功能,在1.1—2.5 THz之間可實現(xiàn)四分之一波片功能,在2.1 THz和1.1 THz時的偏振演化過程如圖4(b)所示.

圖3 液晶THz波片 (a) 結構圖；(b) 石墨烯傳輸特性；(c) 電調(diào)THz偏振態(tài)；(d) 雙層液晶器件[53]Fig.3.Tunable THz waveplate： (a) The cell is composed of a front fused silica substrate covered with a subwavelength metal wire grid and a rear fused silica substrate covered with porous graphene,both substrates are spin coated with SD1 alignment layers,and 250-μm-thick Mylar is used to separate the two substrates,NJU-LDn-4 LCs are capillary filled into the cell; (b) UVO-treated and then SD1 spin-coated CVD-grown few-layer graphene films; (c) polarization evolution at 2.1 THz： linearly polarized at 0 V,elliptically polarized at 6 V,circularly polarized at 8.8 V,elliptically polarized at 20 V and linearly polarized at 50 V (orthogonal to the polarization at 0 V); (d) schematic illustration of the double-stacked cell [53].

圖4 一種反射式電控寬帶可調(diào)THz液晶波片 (a) 示意圖；(b) 不同電壓下的THz偏振態(tài)[60]Fig.4.A reflective electrically controlled broadband tunable THz liquid crystal waveplate： (a) Schematic drawing; (b) polarization evolution (0-22 V) from linearly polarized to circularly polarized at 1.1 THz,to orthogonally linearly polarized at 2.2 THz[60].

由公式

可得,對于一個給定的相位差,反射式波片所需液晶層厚度僅為透射式的1/10; 在同樣的液晶層厚度下,相位差動態(tài)可調(diào)范圍是透射式的2倍; 通過改變THz波入射角,可以同時實現(xiàn)偏振轉換和THz光束掃描.2018年,Yang等[61]又結合超材料,設計實現(xiàn)了一款基于液晶的電調(diào)反射式THz相位延遲器.通過設計超材料周期和偶極子尺寸得到所需的反射陣諧振頻率的帶寬、相位和反射損耗,實現(xiàn)了從325 GHz到337.6 GHz相位可調(diào)范圍300°以上,在330 GHz最大相位延遲331°.

基于SD1偶氮光控取向劑,利用自主研發(fā)的數(shù)字掩模偏振曝光系統(tǒng)實現(xiàn)液晶光軸空間連續(xù)漸變的微結構,Ge等[62]成功制備出了基于THz波段大雙折射率液晶材料的液晶THz q波片,實現(xiàn)了不同拓撲荷THz渦旋的產(chǎn)生,如圖5.這是國際上首次利用液晶實現(xiàn)THz渦旋的產(chǎn)生與調(diào)制,有望推進THz渦旋在通訊、傳感和成像等領域的應用.在液晶THz q波片的基礎上,進一步引入偏振光柵設計,又研發(fā)了一種液晶THz叉形偏振光柵[63],集成了偏振光柵的偏振選擇性衍射和叉形光柵的渦旋產(chǎn)生能力,為THz渦旋的產(chǎn)生和分離提供了一種簡單實用的方法.

圖5 (a) 液晶光軸分布理論值；(b) q=2的THz液晶q波片在正交偏振片下的照片,標尺為1 mm；(c) 1 THz左旋圓偏振THz波經(jīng)過該波片后所測強度和(d) 相位分布[62]Fig.5.(a) Theoretical optical axis distribution; (b) photo under crossed polarizers of the q-plate with q=2,the scale bar is 1 mm; (c) the measured intensity,and (d) phase distributions of the transformed component at 1.0 THz with left circular incident polarization [62].

相對于可見光或紅外波,THz波長較大,在THz頻段要實現(xiàn)相同的調(diào)制量(比如半波片所需的相位差 π ),所需的液晶盒厚就會大大增加,這會在液晶取向、工作電壓等各方面帶來極大挑戰(zhàn),上述傳統(tǒng)液晶THz光子學器件尚存在響應速度慢且功能單一等許多不足.

4 太赫茲超材料液晶器件研究現(xiàn)狀

超材料具有亞波長人工微結構,理論上可以任意設計電磁參數(shù)(介電常數(shù)ε,磁導率 μ ),會呈現(xiàn)出與自然材料所不同的電磁特性,是操控電磁波的理想平臺.尤其在THz波段,自然界尚無特別有效的材料來操控THz波.雖然超材料已展示出了許多奇異的效果,但由于它們的諧振特性,其工作帶寬一般比較窄.且以超材料為代表的微納結構材料的性質(zhì)取決于其結構參數(shù),難以即時調(diào)控.在各種非寬帶應用中,對電磁響應的動態(tài)可調(diào)仍然是高度期望的,因此為了得到實用的設備,構建可調(diào)的THz超材料器件尤為重要.將液晶和人工超材料相結合,利用液晶的可調(diào)控性和超材料的特殊效應,可實現(xiàn)具備即時調(diào)控功能的超材料器件,例如偏振控制器、吸收器、波束掃描、空間光調(diào)制器,用于THz通信、THz成像、THz傳感、THz探測等領域,又可有效地解決傳統(tǒng)液晶THz器件響應速度慢等問題,同時具有體積小、重量輕、易集成等優(yōu)勢.

2013年,Padilla等[64]首次設計實現(xiàn)了一種THz波段液晶可調(diào)超材料吸收器,如圖6所示.該器件諧振頻率可調(diào)范圍只有4%,在2.62 THz振幅可調(diào)范圍只有30%.隨后,基于此,Padilla教授研究組[65]又實現(xiàn)了一種THz空間光調(diào)制器,可單像素獨立控制,器件整體調(diào)制深度可達75%.2015年,Isi?等[66]設計了一種基于液晶的臨界耦合THz超材料吸收器,調(diào)制深度高達23 dB,頻譜可調(diào)范圍大于15%.2017年,Yang等[67]用液晶實現(xiàn)了可調(diào)THz超材料類電磁誘導透明和類電磁誘導吸收,調(diào)制深度分別達到 18.3 dB和10.5 dB.同年Lu等[68]利用超材料吸收器測量液晶在低THz頻域的介電常數(shù).Vasi?等[69]實現(xiàn)了一種基于金屬介質(zhì)金屬(MIM)諧振腔結構的電調(diào)液晶THz超材料偏振轉換器.2018年,Wang等[70]利用電磁誘導透明傳感器研究了THz波段向列相液晶的介電常數(shù).Wang等[71]設計了一種等離子誘導透明的液晶可調(diào)THz超材料調(diào)制器.Yin等[72]設計實現(xiàn)了一種基于液晶的電可調(diào)THz超材料雙帶吸收器.同時Wang等[73]制作了一種三帶同時可調(diào)的液晶THz超材料吸收器.

以上基于液晶電控可調(diào)的超材料THz器件,為了方便加靜電場控制液晶,超材料除了做功能器件外,同時當電極使用,這就使得超材料單元必須至少一邊相連.這樣不僅降低了超材料設計的靈活性,而且由于這個連接線,超材料性能有所下降.我們?yōu)榇嗽O計了一種高效復合電極,把少層多孔石墨烯集成到超材料表面,這樣不僅超材料可以設計成各種類型,而且電極的面電阻也比單純的石墨烯電極的更小.我們用這種電極,設計實現(xiàn)了一種高效液晶可調(diào)十字架型THz超材料吸收器,而且通過精確設計不同的十字架臂長,從而實現(xiàn)高性能的寬帶可調(diào)[74].如圖7所示,少層多孔石墨烯集成到超材料表面,可以提供非常均勻的靜電場來高效控制液晶,也使其工作電壓較以往有所降低,而且作為透明電極不影響THz波透過特性.液晶層厚度在10 μm左右,器件響應速度可達亞毫秒量級.

圖6 (a) 液晶可調(diào)超材料吸收器單元；(b) 液晶在偏置電壓下取向變化；(c) 吸收頻率可調(diào)范圍[64]Fig.6.(a) Rendering of a single unit cell of the liquid crystal metamaterial absorber; (b) depiction of the random alignment of liquid crystal in the unbiased case (right) and for an applied ac bias (left); (c) frequency dependent absorption A(w) for 0 V (blue solid curve) and 4 V (red dashed curve) at fmod=1 kHz,dashed line is centered at Amax(Vbias=0)=2.62 THz [64].

其諧振頻率可調(diào)范圍為0.75 —1.00 THz,且具有較高的品質(zhì)因子,振幅可調(diào)范圍在80%左右,工作電壓只需10 V.由于實驗上尚不具備直接探測THz近場的條件,通過模擬仿真可知,THz近場增強區(qū)域的熱點分布也有大范圍的可調(diào)控性.因此,結合THz大雙折射液晶材料,我們設計實現(xiàn)了調(diào)制量大,響應速度快的THz超材料吸收器.同時我們還研究了不同微區(qū)液晶指向矢變化與THz遠場特性之間的對應關系[75].

沈志雄等[76]設計實現(xiàn)了一種集成液晶的多功能THz超材料器件,如圖8所示,進一步擴展了液晶超材料器件在THz領域的應用.

對于透射工作模式,該器件表現(xiàn)為一種類電磁誘導透明特性; 對反射工作模式,則表現(xiàn)出吸收器特性.梳狀電極在平面內(nèi)驅動液晶,避免了超材料單元的相互連接,分別實現(xiàn)了60 GHz頻率可調(diào)范圍和15%的調(diào)制深度,器件調(diào)制速度可達毫秒量級.

5 液晶在THz領域的一些應用

液晶在THz領域的應用已逐步涉及到THz源、THz無線通信和THz探測器等領域.Qiu等[77]設計實現(xiàn)了一種磁場和電場共同驅動的集成鐵磁材料和大雙折射液晶材料新型多功能可調(diào)THz源.對傳統(tǒng)THz液晶波片而言,金屬對THz不透明,不能用金屬薄膜做電極,而這里不僅可以做電極而且還減少了一個襯底對THz波的損耗,如圖9所示

鐵磁異質(zhì)結基于反自旋霍爾效應,可產(chǎn)生THz輻射,既作為THz源,又能作為入射面電極驅動液晶指向矢變化,通過加載電場控制出射THz波的偏振態(tài),實現(xiàn)了一種緊湊的可調(diào)THz源,在產(chǎn)生寬帶THz輻射的同時可完美控制THz偏振態(tài)從線偏振到圓偏振的轉換.

反射陣天線作為新一代天線具有較高的增益,較小的剖面,易制作、易集成、可單獨控制單元相位等優(yōu)點,受到廣泛關注.目前主要有貼片式反射陣天線、3D打印反射陣天線和可重構反射陣天線.其中可重構反射陣天線因可靈活調(diào)控,備受青睞.THz可重構反射陣天線主要分為基于石墨烯和液晶兩類.當前高純度的石墨烯難以大面積生產(chǎn)和集成到其他器件上,同時石墨烯電導率存在較強的色散特性,且主要在THz高頻段可調(diào),這些問題限制了石墨烯在THz天線技術中的推廣.基于液晶的THz反射陣列天線,其基本原理是將液晶作為陣列單元的電調(diào)介質(zhì),通過改變外加電場來調(diào)節(jié)各陣列單元的反射相位,進而實現(xiàn)波束的連續(xù)掃描,具有一定優(yōu)勢.

圖7 一種石墨烯/超材料協(xié)同驅動的電控液晶可調(diào)THz波吸收器 (a) 結構示意圖；(b) 十字超材料的顯微圖片；(c) 十字超材料電極驅動液晶指向矢分布；(d) 十字超材料和石墨烯復合電極驅動液晶指向矢分布；(e) 可調(diào)THz波吸收器的遠場吸收特性和(f) 近場特性,A,0.864 THz,0 V; B,0.884 THz,10 V; C,0.742 THz,10 V; D,0.742 THz,0 V.液晶方向在 0 V為平行,在10 V為垂直[74]Fig.7.Liquid crystal tunable metamaterial/graphene absorber： (a) Schematic; (b) optical image of the metasurface (inset： a unit cell of the metasurface),P=150 μm,lx=120 μm,ly=100 μm,w=10 μm.Simulations of the static electric field and liquid crystal director distributions shown at a plane centered in the liquid crystal layer when the operating voltage is 10 V： (c) crossshaped electrode; and (d) metamaterial/graphene electrode with the same metal ground.Tunability of the THz resonant frequencies and hot spots of the metamaterial absorber： (e) tunable absorption of TE and TM mode; (f) electric field of the corresponding points in (e) at a plane 1 μm above the cross-shaped metasurface.A,0.864 THz,0 V; B,0.884 THz,10 V; C,0.742 THz,10 V; D,0.742 THz,0 V.The orientation of liquid crystal is horizontal at 0 V while vertical at 10 V [74].

2008年,貝爾法斯特女王大學的Vincent研究組[78]設計了一種基于矩形貼片的液晶反射陣列單元,該陣列單元在102 GHz可以實現(xiàn)165°的相位變化.2015年,Gerardo等[79]提出了一種基于液晶電控掃描的反射陣列天線,如圖10所示.陣列單元是由三個尺寸不同的偶極子平行放置構成,改變液晶層兩側偏置電壓,單元可以實現(xiàn)330°的相位變化.該反射陣列天線在100 GHz的掃描范圍達到了—60°到—5°.2017年,Fuscaldo 等[80]研究了一種基于液晶的Fabry-Perot腔的THz漏波天線.

另外,在THz探測器方面,液晶也可嘗試作為探測器.膽甾相液晶(cholesteric liquid crystal,CLC)是一類對溫度敏感的液晶,其指向矢呈螺旋分布,沿著螺旋軸方向折射率呈周期性變化.通過加熱或冷卻液晶,其分子排列發(fā)生改變,從而造成液晶的光學性質(zhì)(包括選擇反射,旋光性等)變化.其中CLC的熱色特性(螺距隨溫度敏銳變化,反射光的顏色也隨之變化)被普遍用于溫度計和各種測量溫度變化的裝置中.CLC的顏色隨溫度變化的靈敏度高,且性能穩(wěn)定,在液晶顯示和生物醫(yī)學等領域已有成熟應用[81-85],基于CLC的光子學器件具有廣泛的應用前景[86,87].

圖8 集成液晶的多功能THz超材料器件 (a) 示意圖；(b) 分解圖,黃色箭頭方向為液晶取向方向；(c) 超表面顯微照片,內(nèi)插圖為共振器的單位尺寸,p,晶格周期,50 μm ; l,CRR長度,40 μm ; r,SRR長度,20 μm ; w,結構寬度,3 μm ; g,液晶層厚度,4 μm ;x,非對稱距離,11 μm ；(d) 梳狀電極顯微圖和特性；(e) 器件響應時間實驗測試[76]Fig.8.The active multifunctional terahertz metadevice： (a) Schematic illustration; (b) decomposition diagram of the device,the yellow arrows indicate the alignment direction; (c) the micrographs of the metasurface; (d) the comb electrode,inset in (c) shows the unit dimension of the resonator; p,lattice periodicity,50 μm ; l,CRR length,40 μm ; r,SRR length,20 μm ; w,structure width,3 μm ; g,gap,4 μm ; and x,asymmetry distance,11 μm ; the inset in (d) shows the polarization selectivity of the subwavelength grating; (e) black line reveals the electro-optical response of the device at 45 V; the blue line depicts the 1 kHz square-wave voltage signals[76].

圖9 (a) 偏振可調(diào)的THz發(fā)射器結構圖；(b) 鐵磁異質(zhì)結THz源工作原理圖,由飛秒激光脈沖作用鐵磁異質(zhì)結產(chǎn)生的自旋電流Js轉化成面內(nèi)電流Jc,其沿x軸方向類似電偶極子,發(fā)射出線偏振THz波,THz波偏振方向由磁場方向決定[77]Fig.9.(a) Schematic of the polarization-tunable THz emitter; a ferromagnetic heterostructure and a large birefringence liquid crystal are integrated in the emitter,the heterostructure acts as the THz source as well as the electrode on the front side,a few-layer porous graphene with a high transmittance is employed as the other electrode on the rear side; (b) the spin current Js launched by the laser pulse excitation is converted into the in-plane charge current Jc due to the ISHE,the current Jc along the x-axis act as an electric dipole,emitting linearly polarized THz waves into free space,the polarity of the THz waveform is determined by the direction of the magnetic field H and reverses together with it [77].

2015年,大阪大學激光工程研究所THz研究中心Nakajima教授研究組[88]設計實現(xiàn)了一種基于CLC的THz波束測量卡,如圖11所示.由于THz輻射導致CLC溫度升高,在室溫下即可通過其顏色的變化檢測THz波.通過Hue法數(shù)字化得到的圖像,可以測量THz光斑和強度,但其探測靈敏度較低,且THz功率密度必須在4.3 mW/cm2以上,原因在于該器件對THz波的吸收只有30%,且沒有考慮或利用熱擴散效應,要求THz功率密度也不能太高.而Renk教授研究組[89]用CLC對THz波的探測研究,僅集中在單頻的連續(xù)THz源.Woolard教授研究組雖然用CLC同時探測了脈沖型和連續(xù)THz波,但頻率范圍僅到2 THz[90].

圖10 (a) 液晶電控反射陣天線結構單元示意圖；(b) 增益與掃描角度關系[79]Fig.10.(a) Schematic of the liquid crystal-reflectarray,cells showing its different parts; (b) measured radiation patterns at 100 GHz of several scan angles[79].

圖11 (a) 基于CLC的THz成像卡; (b) 數(shù)字化處理后的THz波束[88]Fig.11.(a) CLC picture taken by a digital camera; (b) hue image digitalized from (a) [88].

2018年,我們把上述工作進一步改進,設計實現(xiàn)了一種基于三層結構的膠囊型CLC薄膜的可視化THz功率計[91],如圖12(a)所示.利用CLC的熱色效應和熱擴散效應,通過量化由THz吸收引起的顏色變化,來探測THz功率,尤其適用于測量強THz波功率.圖12(b)顯示了不同THz功率下,顏色變化區(qū)域隨THz強度的增加而明顯增大.利用ImageJ軟件對基于色調(diào)的膠囊型CLC薄膜圖像進行處理.在熱平衡狀態(tài)下,顏色變化的直徑隨THz功率的增加而增大,可檢測的THz場閾值約為0.07 mW,此時可以產(chǎn)生肉眼可見的顏色變化.當大于閾值時,顏色變化區(qū)域直徑與THz功率具有近似線性的關系,如圖12(c).即使THz功率密度超過4.0 × 103mW/cm2,薄膜仍能很好地工作.圖12(d)表示THz波不同輻射時間下的顏色變化規(guī)律.同時,我們還得到在瞬態(tài)工作狀態(tài)下,THz功率與顏色變化面積近似拋物線關系.

圖12 (a) 一種基于膠囊型CLC薄膜的可視化THz功率計結構示意圖; (b) 在不同THz強度輻照下膠囊型CLC薄膜顏色變化情況; (c) 熱平衡時THz功率與顏色變化區(qū)域直徑的關系; (d) THz波輻照時間與顏色變化區(qū)域直徑的關系[91]Fig.12.(a) Schematic and working principle of the capsulized CLC film,the inset shows a micrograph of the film,which is produced with a color 3D laser scanning microscope (VK-8710,KEYENCE,Osaka,Japan); (b) visible pictures are taken under different THz intensities by a smartphone camera with Bluetooth; (c) increase in the diameter of the color change with different THz powers in thermal equilibrium,similar to a dartboard shown in the inset; (d) increase in the diameters as a function of response time with 1.3 mW and 2.6 mW THz radiation,the inset shows image changes under different THz radiation times [91].

該設備不受顏色變化飽和的限制,且不需要任何額外的組件來測量溫度.這種新型THz功率計具有柔性可彎曲、成本低、便于攜帶等特性,可用于THz成像、THz生物傳感和THz檢測等領域.目前對這一領域的研究并不多,仍面臨許多挑戰(zhàn)：靈敏度不高、響應速度慢、分辨率低等,具有極大的提升空間.

6 總結與展望

前期基于液晶的電調(diào)THz器件面臨的幾大挑戰(zhàn)： 1)液晶在THz頻段的雙折射比較低; 2)傳統(tǒng)的透明電極如ITO在THz波段高反射,缺少高透過率的透明電極; 3)大盒厚帶來的液晶取向效果差,工作電壓高,響應速度慢等.經(jīng)過最近幾年的研究,阻礙THz液晶器件發(fā)展的這些主要問題已經(jīng)基本解決.目前已經(jīng)有不少THz大雙折射液晶材料和THz波段透明電極,已經(jīng)可以實現(xiàn)各種液晶可調(diào)THz超材料功能器件.

各種液晶材料和器件在THz領域應用前景十分廣闊.下一步要發(fā)展性能更加優(yōu)異的THz波段更大雙折射液晶材料; 研究其他新型液晶如藍相液晶、鐵電液晶在THz波段的特性; 各種新型2D材料如MoS2在THz液晶領域的應用; 優(yōu)化超材料設計,尤其對THz超材料近場主動調(diào)控與探測的研究,可用于THz超分辨成像等; 優(yōu)化液晶超材料天線陣列,實現(xiàn)高效THz波束賦形與掃描; 研究液晶材料在THz強場作用下的非線性效應等.各種性能優(yōu)異的液晶材料與超材料、2D材料三者相結合,必將在THz源、THz功能器件和THz探測器等領域發(fā)揮其獨特作用.