基于液晶的太赫茲波前調(diào)控器件研究進(jìn)展

申彥春，王金蘭，王巧蓮，沈志雄，胡 偉

(1. 廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510430；2. 南京大學(xué) 現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093)

1 引 言

太赫茲(Terahertz, THz)波是指振蕩頻率為0.1～10 THz (對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍0.03～3 mm)的電磁波。其在電磁波譜中的位置介于微波與紅外波之間，是電子學(xué)(Electronics)與光子學(xué)(Photonics)的過渡區(qū)域，該區(qū)域是人類了解與開發(fā)最少的波段，存在與微波和光波不同的特性，蘊(yùn)含著豐富的應(yīng)用前景[1-3]。THz波的光子能量很低，大約是X射線的百萬分之一，非常適合生物活體檢測(cè)；THz波段覆蓋了蛋白質(zhì)等諸多分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，構(gòu)成了對(duì)應(yīng)的“指紋”(Fingerprints)譜；由于THz波脈寬為亞皮秒量級(jí)，具有較高的信噪比，廣泛用于飛秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光譜研究與成像；THz波具有很高的時(shí)空相干性，便于從事材料的瞬態(tài)相干動(dòng)力學(xué)研究；THz波的高帶寬特性，適用于寬頻無線通信。基于上述特點(diǎn)，THz技術(shù)在化學(xué)及生物成分標(biāo)記、無損檢測(cè)、無線通信等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注[4-9]。與可見光、紅外和微波等頻段相比，THz頻段的研究起步較晚且不夠廣泛深入，但近年來，THz波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)不斷成熟，THz輻射源[10-12]、信號(hào)探測(cè)器[13-15]等器件的研究取得了顯著發(fā)展。然而THz波傳輸過程中的控制與調(diào)制技術(shù)仍處于起步階段，制約了THz系統(tǒng)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的THz光學(xué)元件，如THz波片、偏振轉(zhuǎn)換器等[16-18]，帶寬窄、體積大、不易集成且制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、可調(diào)諧性差，因此，探索小型化、易加工、低損耗、可調(diào)諧的新型THz波前調(diào)控元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波束高效、動(dòng)態(tài)的調(diào)控將是THz光學(xué)元件的未來發(fā)展方向。

液晶(Liquid crystals)是一種可調(diào)的光電各向異性功能材料[19]，可以通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)在可見光波段到微波波段的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，利用液晶獨(dú)特電磁調(diào)諧性制備的液晶THz器件具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，將對(duì)THz技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[20-23]。不過，在THz波段應(yīng)用液晶材料制備可調(diào)諧元件也面臨一些新的挑戰(zhàn)。一方面，在THz頻段主要應(yīng)用的是向列相液晶材料，膽甾相液晶的應(yīng)用也有少量文獻(xiàn)報(bào)道，例如利用其螺距的溫度敏感特性應(yīng)用到THz波的可視化中[24]。向列相液晶的介電和光電各向異性相較于可見光波段顯著降低，同時(shí)吸收損耗增大，THz波段所需的大液晶盒厚會(huì)帶來取向、加電困難等問題。另一方面，在可見光及近紅外波段最常用的玻璃基板和ITO導(dǎo)電膜分別表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收和反射特性，因此需要重新尋找替代材料。為了解決上述問題，世界范圍內(nèi)的科研人員進(jìn)行了廣泛深入的探索，取得了技術(shù)突破。本文綜述了當(dāng)前基于液晶的THz波前調(diào)控器件的最新研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論。

2 純液晶型THz相位調(diào)制器件

早期THz液晶元件實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法是利用外加磁場(chǎng)改變液晶的指向矢分布[25-31]。潘犀靈教授研究組設(shè)計(jì)了可調(diào)的液晶THz相移器和濾波器，該設(shè)計(jì)利用磁場(chǎng)調(diào)節(jié)液晶介質(zhì)的折射率來實(shí)現(xiàn)[25]。Chen等[26]提出了一種相位調(diào)控方法，該方法利用磁場(chǎng)為30 mm厚的液晶盒配向以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控。2016年，Yang等[30]提出了一種用弱磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)取向液晶的相位調(diào)制方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)較大的調(diào)制深度。由于大盒厚導(dǎo)致響應(yīng)速度慢、驅(qū)動(dòng)電壓高、調(diào)制效率低等問題，需要利用磁場(chǎng)調(diào)節(jié)液晶介質(zhì)的折射率，但該方法設(shè)計(jì)制備復(fù)雜，不利于元器件的小型化和集成化。隨著THz波段高透過率、高電導(dǎo)率的透明電極材料的開發(fā)(例如ITO納米晶須、少層石墨烯和PEDOT∶PSS等[32-38])，科研人員采用多片疊層或?qū)⒔饘贄l夾在液晶盒上下兩層基板之間的方法，在基板間橫向加場(chǎng)，進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)控[39]。由于液晶的折射率除受電場(chǎng)、磁場(chǎng)調(diào)制外還可以通過溫度來調(diào)制，因此也有一些THz液晶元件采用的是溫控調(diào)節(jié)[40-41]。液晶THz元件主要分為兩大類，一類是直接利用液晶本身對(duì)THz波進(jìn)行調(diào)制，例如相移器、波片等；另一類是把液晶與超構(gòu)表面進(jìn)行集成，對(duì)其包覆的超構(gòu)表面的電磁響應(yīng)進(jìn)行調(diào)制，例如超構(gòu)表面濾波器、吸收器、光場(chǎng)調(diào)制器等。

2.1 可調(diào)相移器、波片

THz液晶相移器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將液晶灌入均一取向的液晶盒內(nèi)，通過外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)調(diào)諧，使內(nèi)部均一取向的液晶分子在加場(chǎng)前后的指向矢發(fā)生變化，從而得到兩種不同的液晶折射率(ne和no)。當(dāng)THz波線偏振入射時(shí)，產(chǎn)生相位的變化。若要獲得盡量大的相移，則需要液晶的雙折射率及液晶層的厚度盡可能大?，F(xiàn)有的相移器受結(jié)構(gòu)厚度和液晶材料的限制，所實(shí)現(xiàn)的相位調(diào)控范圍不能覆蓋整個(gè)0～2π區(qū)間，同時(shí)由于大盒厚的影響，THz透過效率以及加場(chǎng)后液晶的響應(yīng)速度均變小。受器件集成度和成本限制，科研人員逐漸摒棄了磁場(chǎng)調(diào)控方式而采用電場(chǎng)調(diào)控方式。下面分別介紹幾種THz液晶相移器。

Lin等[42]利用亞波長(zhǎng)金屬線柵作為THz透明電極實(shí)現(xiàn)了一種自偏振的電調(diào)液晶相移器，在0.2～2 THz具有較高的偏振選擇透過率，該元件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。在制備有金屬線柵的上下石英基板間旋涂一層PI取向?qū)?，摩擦方向與線柵方向垂直，基板間填充256 μm厚的E7液晶，得到THz液晶元件，該元件具有較小的閥值電壓(小于20 V)和飽和電壓(約為130 V)，在1.88 THz處能夠?qū)崿F(xiàn)最大π/3的相移(圖1(b))，在集成化的寬帶可調(diào)THz元件中具有廣泛的應(yīng)用前景。Altmann等[43]同樣是在石英基板上制作金屬線柵作為電極，利用聚合物穩(wěn)定液晶(PSLC)實(shí)現(xiàn)電調(diào)控相移器，該元件響應(yīng)迅速，且聚合物網(wǎng)絡(luò)能夠誘導(dǎo)液晶的取向方向，元件無須取向?qū)?。Yang等[44]利用ITO納米晶須作為THz波段透明電極研發(fā)了一種THz相移器，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。該元件利用電子束掠射角沉積技術(shù)在基板表面傾斜地生長(zhǎng)ITO納米晶須，使其可以同時(shí)作為THz波段透明電極和液晶取向?qū)?，該元件能夠?17 μm的大盒厚下實(shí)現(xiàn)液晶層的良好取向，而且在0～2.5 THz的寬頻率范圍內(nèi)透過率能夠達(dá)到82%。該元件在1 THz處的相位延遲量超過π/2，透過率達(dá)到78%，驅(qū)動(dòng)電壓低至5.66 V，且制作工藝與CMOS工藝相兼容。有機(jī)物PEDOT∶PSS具有良好的導(dǎo)電性且制備工藝簡(jiǎn)單，在有機(jī)發(fā)光二極管(OLEDs)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[45]。Du等[37]采用該材料作為THz波段透明電極，設(shè)計(jì)了一種新型相移器，該元件在6.7 V的電壓驅(qū)動(dòng)下，在1.17 THz處的相移最大值超過2/3π。

圖1 (a)一種自偏振液晶相移器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)產(chǎn)生的THz相移與施加電壓的關(guān)系。Fig.1 (a) Schematic illustration of aself-polarized LC phase shifter； (b) Dependency of THz phase shift on the applied voltage.

圖2 (a)采用ITO納米晶須作為電極和取向?qū)拥南嘁破鹘Y(jié)構(gòu)示意圖；(b)產(chǎn)生的THz相移在不同施加電壓下隨頻率的變化關(guān)系。Fig.2 (a) Schematic illustration of a phase shifter with ITO nanowhiskers as the electrodes and alignment layers； (b) Dependency of THz phase shift on frequency with various applied voltages.

液晶波片的作用是改變?nèi)肷洳ǖ钠駪B(tài)。原理為：將入射THz波線偏振方向與液晶分子的長(zhǎng)軸方向呈45°夾角，通過改變電壓大小可實(shí)現(xiàn)不同偏振態(tài)的出射。在未加電時(shí)，沿著長(zhǎng)軸方向和垂直于長(zhǎng)軸方向的偏振分量感受到不同的折射率從而產(chǎn)生相位差，導(dǎo)致出射時(shí)偏振態(tài)發(fā)生變化。加電可以調(diào)節(jié)液晶指向矢方向，進(jìn)而調(diào)節(jié)相位差。在飽和電壓下，液晶分子垂直于上下基板排列，相位差減為0。

當(dāng)前見著報(bào)道的波片結(jié)構(gòu)有兩種，分別是透射式結(jié)構(gòu)和反射式結(jié)構(gòu)。其中，透射式結(jié)構(gòu)是指依靠液晶的雙折射Δn產(chǎn)生正交偏振分量的相位差。Wang等[46]把金屬線柵和石墨烯電極相結(jié)合，設(shè)計(jì)制備了寬帶可調(diào)THz波片，結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示：上下兩層石英基板中間是250 μm的大雙折射液晶材料NJU-LDn-4[47]，該材料在1 THz附近雙折射率達(dá)到0.3。其中，上基板內(nèi)表面覆蓋亞波長(zhǎng)金屬線柵，線柵周期20 μm，金屬線寬10 μm，可同時(shí)作為透明電極和偏振片，偏振透射效果如圖3(b)所示。金屬線柵上涂覆一種光敏偶氮取向材料SD1[48-49]，取向方向和線柵方向呈45°以實(shí)現(xiàn)波片功能。下基板采用石墨烯作為透明電極，經(jīng)過紫外臭氧處理之后，產(chǎn)生的多孔石墨烯在THz波段的透過率高達(dá)97%。然后在石墨烯層上旋涂SD1材料實(shí)現(xiàn)均勻液晶取向。在金屬線柵和石墨烯上加電能使液晶盒的相位延遲量發(fā)生變化，從而改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)(圖3(d))。該元件單盒結(jié)構(gòu)在1 THz處相位調(diào)制量達(dá)到π/2，為了增大調(diào)制量，采用了雙層疊盒結(jié)構(gòu)(圖3(c))，疊盒后在1 THz處相位調(diào)制量達(dá)到π。該元件能夠?qū)崿F(xiàn)偏振態(tài)的連續(xù)調(diào)制，且控制電壓小于50 V。Sasaki等[50]提出了一種將石墨烯作為驅(qū)動(dòng)對(duì)液晶進(jìn)行取向的方法，該方法能夠延遲偏振THz波的相位。2018年，Ji等[51]提出了一種寬帶可調(diào)THz波片，該波片采用石墨烯光柵驅(qū)動(dòng)液晶進(jìn)行取向。由于傳播相位的波長(zhǎng)相關(guān)性，色差是液晶THz調(diào)波器件不可避免的問題。Yang等[52]通過人為提供相位補(bǔ)償，在相對(duì)較寬的頻域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了相同的相位調(diào)制量。如圖4(a)所示，該波片由3個(gè)液晶盒構(gòu)成，每個(gè)盒由兩片石英基片中間夾一層均勻取向的液晶，每個(gè)盒之間有一定的取向夾角。該元件通過電調(diào)實(shí)現(xiàn)在0.2～0.8 THz處相位調(diào)制量達(dá)到π/2，實(shí)現(xiàn)寬頻1/4波片的功能(圖4(b))。2017年，Wang等[53]提出了一種反射式可調(diào)THz波片，如圖5(a)所示。偏振方向垂直于光柵方向的THz波透過金屬線柵進(jìn)入液晶層后被反射，偏振方向平行于光柵方向的THz波到達(dá)金屬線柵再返回，兩束光由于經(jīng)過的路徑不同，因而存在一定的光程差。由于液晶THz器件可以利用電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可在一定的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)半波片功能。2016年，Zografopoulos等[54]也提出了一種基于金屬-液晶-金屬結(jié)構(gòu)的反射式THz液晶波片，并得出在相同相位差的前提下，反射式波片所需液晶層厚度遠(yuǎn)小于透射式波片。在相同液晶層厚度前提下，反射式波片的相位差動(dòng)態(tài)可調(diào)范圍是透射式波片的兩倍。通過改變?nèi)肷浣?，可以?shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換和波束掃描功能。但在實(shí)際應(yīng)用中，受限于THz光路系統(tǒng)，透射模式比反射模式的應(yīng)用更廣泛。

圖3 (a)透射式液晶THz波片結(jié)構(gòu)示意圖；(b)金屬線柵的對(duì)TE波和TM波的偏振選擇特性；(c)雙層疊盒結(jié)構(gòu)；(d)在2.1 THz頻率處出射偏振態(tài)隨著施加電壓的變化關(guān)系。Fig.3 (a) Schematic of a LC THz waveplate working on the transmission mode； (b) Polarization selected transmission of metallic gratings with TE and TM incidences； (c) Stacking cell structure； (d) Polarization evolution at 2.1 THz with various applied voltages.

圖5 (a)一種反射式波片結(jié)構(gòu)示意圖；(b)產(chǎn)生的THz相移在不同施加電壓下隨頻率的變化關(guān)系。Fig.5 (a) Schematic of a waveplate working on the reflection mode； (b) Dependency of THz phase shift on frequency with various applied voltages.

2.2 液晶幾何相位調(diào)制器

上述液晶THz器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)波前均一調(diào)制的功能，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一。近年來，隨著圖案化光取向技術(shù)的發(fā)展，幾何相位的概念被引入到液晶體系中[55-59]。與傳播相位利用光程產(chǎn)生相位差不同，幾何相位是由偏振在空間兩點(diǎn)間變化導(dǎo)致路徑不同而引入的，只與各向異性材料在空間的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)[60]。胡偉、陸延青研究組利用一種具有偏振敏感特性并且可以重復(fù)光擦寫的偶氮苯類光取向材料SD1，結(jié)合自行設(shè)計(jì)制造的數(shù)字微鏡陣列(DMD)動(dòng)態(tài)掩模紫外曝光系統(tǒng)[61]，可用于液晶的任意不均勻取向[62]?；诖耍诳梢姽獠ǘ伍_發(fā)了大量液晶光場(chǎng)調(diào)控器件[63-67]，可用于渦旋光和艾里光等多種特殊光場(chǎng)的操控，在光學(xué)系統(tǒng)以及微納加工等眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用。可見光波段的光場(chǎng)調(diào)控元件，同樣可以應(yīng)用到THz波段，為THz的動(dòng)態(tài)高效調(diào)控提供參考。

圖6所示為動(dòng)態(tài)掩模紫外曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。簡(jiǎn)單來說，汞燈光源發(fā)出的紫外光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)以及反射鏡照在DMD上，DMD中每個(gè)微鏡都可以通過微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)獨(dú)立控制開關(guān)，因此可以反射帶有設(shè)計(jì)圖案的紫外光。在通過電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的偏振片并通過物鏡聚焦后，光束被投射到空液晶盒上。CCD用來檢查聚焦過程中有沒有出現(xiàn)離焦情況。DMD的輸出圖形隨著偏振片的旋轉(zhuǎn)同步變化，便可實(shí)現(xiàn)任意取向的圖案化液晶結(jié)構(gòu)。光控取向膜SD1的厚度極薄，僅為50 nm左右，對(duì)THz波無明顯吸收。

圖6 DMD曝光系統(tǒng)示意圖Fig. 6 Schematic of DMD lithography system

2017年，Ge等[68]研發(fā)了一種液晶THz渦旋波片，可以產(chǎn)生任意拓?fù)浜傻腡Hz渦旋光束(圖7)。若是利用THz透明電極調(diào)控液晶的指向矢，能夠?qū)崿F(xiàn)滿足不同波長(zhǎng)半波條件的渦旋光束輸出，在THz模式復(fù)用通信、傳感和成像等領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用價(jià)值[69-70]。在此基礎(chǔ)上，Ge等[71]把能產(chǎn)生渦旋光束的q波片和具有偏振選擇性衍射特性的偏振光柵集成起來，制備了一種液晶THz偏振叉形光柵，為不同圓偏振態(tài)和拓?fù)浜说腡Hz渦旋的產(chǎn)生和分離提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。2019年，Shen等[72]通過設(shè)計(jì)棋盤格形式的共軛透鏡相位實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射左右旋圓偏振THz波的自旋選擇匯聚效果，該特性在0.6～1.2 THz的寬帶范圍內(nèi)得到很好的驗(yàn)證。與超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)寬帶聚焦透鏡[73]相比，液晶透鏡具有動(dòng)態(tài)可調(diào)諧、加工成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。不過，液晶器件因幾何相位自身左右旋圓偏振的共軛特性無法實(shí)現(xiàn)左右旋的偏振復(fù)用，并且不能實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)的近場(chǎng)聚焦，而超構(gòu)表面因其諧振單元亞波長(zhǎng)的特性，結(jié)合自身的共振相位，可以實(shí)現(xiàn)比幾何相位液晶器件更多樣的功能。上述液晶THz元件因?yàn)樯舷禄宓拇嬖?，通常整體厚度較大，不利于THz器件和系統(tǒng)的集成化、小型化。2020年，Shen等[74]又提出了一種基于自支撐液晶聚合物(LCP)膜的THz平面光子學(xué)器件。如圖8(a)所示，在一層LCP柔性薄膜上集成了多個(gè)光場(chǎng)調(diào)控單元。這類元件通過對(duì)液晶聚合物的晶軸方向進(jìn)行預(yù)編程，來實(shí)現(xiàn)對(duì)波前的幾何相位調(diào)制。該研究適用于多種THz光子元件，例如波片、光束偏折器、透鏡、貝塞爾以及渦旋光產(chǎn)生器，能夠滿足THz無線通信的基本功能，包括偏振控制、波束掃描、波束賦形和轉(zhuǎn)道角動(dòng)量(OAM)模式復(fù)用。進(jìn)一步地，如圖8(c)所示，液晶聚合物薄膜自身的柔性賦予這類元件形變引起的可調(diào)諧性。

圖7 (a)拓?fù)浜煞謩e為1和4的THz渦旋波片的偏光顯微鏡照片，比例尺為1 mm；(b)上下拓?fù)浜煞謩e為1和4的渦旋波片的強(qiáng)度和相位分布圖。Fig.7 (a) Polarized microscope photo of a THz vortex waveplate with topological charges of 1 and 4, respectively, scale bar: 1 mm; (b) Top and bottom are the intensity and phase distributions of the vortex waveplates with topological charges of 1 and 4, respectively.

圖8 (a)結(jié)構(gòu)取向的液晶聚合物柔性膜對(duì)太赫茲波前調(diào)控示意圖；(b)柔性膜的組成成分：液晶聚合物單體RM257和光引發(fā)劑二苯甲酮；(c)薄膜彎折下透鏡焦距的動(dòng)態(tài)改變。Fig.8 (a) Schematic of the photopatterned LCP flexible film for versatile THz wavefront modulations； (b) Composition of the flexible film: LCP monomer RM257 and photoinitiator diphenyl ketone; (c) Tunability of the focal length under film bending change.

3 集成液晶和超構(gòu)表面的THz波前調(diào)控器件

相比于可見光或紅外波段的液晶調(diào)制器來說，THz波段波長(zhǎng)更長(zhǎng)。要想在THz頻段實(shí)現(xiàn)同樣的相位調(diào)制量，所需液晶盒厚度更大，通常在數(shù)百微米量級(jí)，這將使液晶取向的難度增加，器件響應(yīng)速度變慢[75]。由于液晶折射率可以通過外場(chǎng)調(diào)控，如果將液晶作為超構(gòu)材料的環(huán)境介質(zhì)，即可通過外場(chǎng)調(diào)控改變超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的環(huán)境折射率，從而調(diào)控超構(gòu)材料的電磁特性，也規(guī)避了純液晶器件的諸多弊端，設(shè)計(jì)出功能多樣化的液晶THz元件。

超構(gòu)材料是一種人工電磁介質(zhì)，通過人為設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自然材料所不具備的獨(dú)特性能，如人造磁性、負(fù)指數(shù)材料、電磁隱身等[76-80]。超構(gòu)表面是超構(gòu)材料的二維形式，設(shè)計(jì)與加工更加便捷，現(xiàn)已催生出一大批先進(jìn)的光學(xué)功能器件，例如電磁隱身斗篷、偏振復(fù)用全息、完美吸收器等[81-83]。對(duì)于THz波段，自然環(huán)境中比較少有可以直接用于調(diào)控的天然材料，并且THz波段金屬材料損耗比可見光或近紅外波段更小，可以用成熟的光刻工藝對(duì)這一頻段的超構(gòu)表面進(jìn)行加工，因此超構(gòu)表面器件在這一波段具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為THz超構(gòu)器件的廣泛應(yīng)用提供了可能。目前為止，雖然超構(gòu)表面已有很多神奇應(yīng)用，但仍存在工作帶寬窄、波前調(diào)制效率低等問題，而且超構(gòu)表面一經(jīng)制備，結(jié)構(gòu)即固定，功能也隨之固定，無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。因此，通過超構(gòu)表面和功能材料，例如半導(dǎo)體、MEMS、石墨烯、液晶等的結(jié)合，尋求高效、可調(diào)諧的超構(gòu)器件成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[84-94]。相較于其他功能材料而言，液晶超構(gòu)器件最主要的優(yōu)勢(shì)在于加工工藝的成熟和較低的成本。因?yàn)橐壕∠蚣夹g(shù)在顯示領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，結(jié)合硅基液晶(LCoS)技術(shù)可以制備大面積液晶超構(gòu)器件，從而避免了一系列復(fù)雜的微納加工工藝。在器件表現(xiàn)方面，通常半導(dǎo)體器件的響應(yīng)速度會(huì)快于向列相液晶器件，通過引入一些特殊的液晶材料，如鐵電液晶、雙頻液晶和藍(lán)相液晶等，液晶THz器件的響應(yīng)速度能得到極大的提升。

2013年，Padilla等[95]提出了一種工作在THz波段的可調(diào)諧超構(gòu)吸收器，如圖9(a)所示。該成果采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上層為可以與空間光電場(chǎng)進(jìn)行耦合的金屬結(jié)構(gòu)陣列，下層為金屬背板，中間層為介質(zhì)，上下雙層金屬結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)使光的磁場(chǎng)分量也發(fā)生耦合的機(jī)制。通過調(diào)控上層金屬結(jié)構(gòu)陣列單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)與介質(zhì)層的材料和厚度，即可調(diào)控超構(gòu)材料吸收器自身的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。在所需頻率處和外界環(huán)境的阻抗匹配時(shí)，能實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的吸收效應(yīng)。結(jié)構(gòu)中的液晶介質(zhì)層采用外加電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，通過在上層金屬結(jié)構(gòu)和下層金屬板上加電以改變液晶的指向矢分布，實(shí)現(xiàn)從未加電時(shí)的無序排列變成加電狀態(tài)下沿著垂直于背板平面的電場(chǎng)方向有序排列，從而改變?nèi)肷銽Hz電磁波感受到的介質(zhì)層折射率，達(dá)到調(diào)制諧振頻率大小的目的。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該吸收器元件加電后在2.62 THz處吸收強(qiáng)度減少30%，共振吸收可調(diào)范圍為帶寬的4%，而吸收器的驅(qū)動(dòng)電壓僅為4 V。2017年，Yang等[96]實(shí)現(xiàn)了一種基于液晶的可調(diào)諧THz電磁誘導(dǎo)透明器件，調(diào)制深度達(dá)到18.3 dB。2017年，Wang等[97]利用少層石墨烯電極結(jié)合十字形超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)了高性能寬帶可調(diào)諧吸收器，如圖10(a)所示。由于十字結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬參數(shù)的不同(圖10(b))，根據(jù)不同偏振方向入射可以工作在不同的THz頻率下(圖10(c)和10(d))，整個(gè)液晶層厚度僅為10 μm，響應(yīng)速度達(dá)毫秒量級(jí)。2018年，Wang等[98]設(shè)計(jì)了一種等離子體誘導(dǎo)透明的液晶可調(diào)諧雙帶吸收器。2018年，Shen等[99]進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了一種集成透射和反射兩種工作模式的可調(diào)超構(gòu)器件，通過改變?nèi)肷渚€偏振方向可以在兩種模式間自由切換。該器件結(jié)構(gòu)如圖11(a)和11(b)所示：上基板為金屬超構(gòu)表面，下基板為亞波長(zhǎng)金屬線柵叉指電極，中間為厚度僅為5 μm的均一取向液晶層。由于金屬線柵對(duì)入射線偏振THz波的偏振選擇性，即透過TM波而反射TE波，因此TM波入射時(shí)為透射模式，能夠?qū)崿F(xiàn)類電磁感應(yīng)透明效應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)諧。TE波入射時(shí)為反射模式，電磁波通過介質(zhì)層的介電損耗和金屬層的諧振損耗發(fā)生電磁吸收效應(yīng)。透射模式下紅移達(dá)到60 GHz，透明窗口處調(diào)制深度達(dá)到37%。反射模式下吸收峰吸收強(qiáng)度達(dá)到97%，加電時(shí)紅移達(dá)到50 GHz，吸收峰處調(diào)制深度達(dá)到81%。該器件在THz空間光調(diào)制器、傳感等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。2019年，Shen等[100]將具有不對(duì)稱開口環(huán)陣列的超構(gòu)表面與電調(diào)液晶波片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)法諾(Fano)共振電磁隱身器件。該器件的結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示，下層是金屬超構(gòu)表面(圖12(b))，在x和y兩個(gè)偏振方向上具有巨大差異的透射譜線；上層為沿著與x方向呈45°均勻取向的250 μm厚的液晶層，在液晶層兩邊的石墨烯電極上施加電壓時(shí)，液晶層能在1.75 THz實(shí)現(xiàn)電調(diào)半波片的功能。該器件能在加電條件下實(shí)現(xiàn)Fano共振的開與關(guān)(圖12(c))，并且調(diào)制深度在1.75 THz處可以達(dá)到100%(圖12(d))。這類器件尤其適用于對(duì)外場(chǎng)十分敏感的THz傳感領(lǐng)域，該技術(shù)有望用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生物組織和細(xì)胞的檢測(cè)和區(qū)分。除了上述金屬型超構(gòu)表面與液晶集成，介質(zhì)超構(gòu)表面同樣也能和液晶集成實(shí)現(xiàn)各種功能[101-103]，同時(shí)由于介質(zhì)超構(gòu)表面高效的特點(diǎn)[104-105]，成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。2018年，Zhou等[106]利用包含摻雜硅柱陣列的THz超構(gòu)表面與液晶集成，理論上實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧吸收器，在加電和撤電時(shí)吸收率發(fā)生明顯改變。以上工作均是液晶調(diào)控均一的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行THz頻譜的動(dòng)態(tài)調(diào)諧。事實(shí)上，若是通過合理設(shè)計(jì)將液晶的幾何相位和介質(zhì)超構(gòu)表面的共振相位結(jié)合起來，可以獲得更加多樣化的動(dòng)態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波前遠(yuǎn)場(chǎng)的操控，例如寬帶消色差THz透鏡、左右旋圓偏振復(fù)用器件等。

圖9 (a)可調(diào)諧超構(gòu)吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖以及液晶在加電和不加電狀態(tài)下的偏轉(zhuǎn)情況；(b)THz吸收頻率隨著施加電壓的變化而變化。Fig.9 (a) Schematic of the tunable metamaterial absorber and the orientation of LCs at bias ON and bias OFF states； (b) Change of the THz absorption frequency with the applied voltage.

圖10 (a)石墨烯電極結(jié)合十字形超構(gòu)表面的可調(diào)諧超構(gòu)吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)超構(gòu)表面的十字形陣列顯微照片；(c)在TE波和TM波入射下吸收頻率隨著施加電壓的變化關(guān)系；(d)在TE波和TM波入射下諧振峰頻率與施加電壓的關(guān)系。Fig.10 (a) Schematic of a tunable metamaterial absorber with graphene electrodes and a cross-shaped metasurface； (b) Micrograph of the cross-shaped array on the metasurface； (c) Dependency of the absorption frequency on applied voltage at TE and TM wave incidences； (d) Dependency of the resonant peak frequency on applied voltage at TE and TM wave incidences.

圖11 (a)透射和反射兩種模式集成的液晶可調(diào)超構(gòu)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)該器件的結(jié)構(gòu)分解圖；(c)上層超構(gòu)表面的顯微照片；(d)下層亞波長(zhǎng)金屬梳狀電極的顯微照片；(e)在透射模式下透射頻率譜線隨著電壓增大而紅移；(f)在反射模式下吸收頻率譜線隨著電壓增大而紅移。Fig.11 (a) Schematic of the LC integrated metadevice, which can operate in both transmission and reflection modes； (b) Structural decomposition diagram of the metadevice； (c) Micrograph of the metasurface on the upper layer； (d) Micrograph of the subwavelength metal comb electrode on the down layer；(e) In transmission mode, the transmission spectrum is red-shifted with increasing voltage； (f) In reflection mode, the absorption spectrum is red-shifted with increasing voltage.

圖12 (a)法諾共振電磁隱身超構(gòu)器件的結(jié)構(gòu)分解圖；(b)超構(gòu)表面的偏光顯微鏡照片以及單一不對(duì)稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)單元尺寸；(c)在施加不同電壓下透射譜的變化情況；(d)0 V和50 V電壓下不同頻率處的調(diào)制深度。Fig.12 (a) Structural decomposition diagram of the dynamic Fano cloaking metadevice； (b) Microscope of the metasurface and dimensions of a single asymmetric split ring unit； (c) Transmission spectrum under different voltages； (d) Modulation depth of the metadevice at different frequencies.

4 總結(jié)與展望

隨著THz技術(shù)及應(yīng)用的不斷發(fā)展，亟需高性能波前調(diào)控器件以滿足THz波段傳感、成像、通信等領(lǐng)域的需求。目前，純液晶THz調(diào)控器件主要用于相移器、波片以及各種幾何相位型光學(xué)元件以產(chǎn)生各種特種光場(chǎng)以及相位全息。由于超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元的均一分布，目前，液晶集成超構(gòu)器件的調(diào)制能力還處于功能單一的頻率調(diào)諧，對(duì)波前的多維度操控，包括強(qiáng)度、偏振和相位調(diào)控，是這類器件未來的發(fā)展方向。為了解決大盒厚帶來的響應(yīng)速度慢、驅(qū)動(dòng)電壓高、調(diào)制效率低等問題，通過將液晶作為環(huán)境介質(zhì)與超構(gòu)表面進(jìn)行集成，可以有效規(guī)避以上弊端，但也存在設(shè)計(jì)制備復(fù)雜，加工成本高的問題。傳統(tǒng)液晶THz器件有一定的調(diào)制量但響應(yīng)速度慢，現(xiàn)有的超材料液晶THz器件有一定的響應(yīng)速度但調(diào)制量非常有限。因此，通過深入研究THz頻段液晶的外場(chǎng)調(diào)控規(guī)律與表面相互作用等液晶動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)新問題，有望催生出各種新型的液晶THz器件并進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

未來，液晶THz器件會(huì)向著集成化、多功能化的方向不斷發(fā)展。主要有以下幾個(gè)探索方向：物質(zhì)與THz波作用的新物理機(jī)制的探索，現(xiàn)在的THz器件主要是由可見光或者微波波段器件向THz的延伸和遷移，THz本身的特殊性質(zhì)可能會(huì)有一些新機(jī)制的啟發(fā)；適用于THz波段的新型液晶材料，尤其是具有大雙折射率、低吸收系數(shù)、低驅(qū)動(dòng)電壓的功能材料；適用于THz通信、成像等具體應(yīng)用的新型集成器件，例如模式復(fù)用器件、高效全息器件、大數(shù)值孔徑THz透鏡等，有望在前沿的THz應(yīng)用領(lǐng)域取得一些突破性進(jìn)展。