基于液晶弹性体超构表面机械变形的有源太赫兹光束操纵
2023-01-07 21:55:43   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

有源超构表面（active metasurface）以其可调谐的光学响应和平坦紧凑的形貌，正在成为下一代光学器件的核心。特别是对于太赫兹波段，有源超构表面已被开发为用于光学斩波和压缩传感成像的热门器件。然而，通过改变集成功能材料的介电参数进行性能调控存在严重的局限性和寄生损耗。

图1 有源液晶弹性体超构表面设计

据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学、南方科技大学和美国俄克拉荷马州立大学（Oklahoma State University）的研究人员组成的团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“Active terahertz beam steering based on mechanical deformation of liquid crystal elastomer metasurface”的论文，提出了一种以液晶弹性体（LCE）为衬底、以C型开口环为谐振器的相位不连续超构表面，用于可控的宽带太赫兹波前操纵。通过红外照明和直接加热使液晶弹性体超构表面偏转和弯曲，利用角分辨太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统成功地实现了对透射波前的有源控制。本文提出的液晶弹性体超构表面为基于机械变形的超构表面设计奠定了基础，在下一代高速太赫兹无线通信和先进的T射线成像系统中具有广阔的应用前景。

亚波长超构原子丰富的设计自由度使电磁波的操纵变得超乎想象。特别是随着广义斯涅尔定律（Snell's Law）的引入，出现了可以灵活控制电磁波传播的超构表面，这完全避免了三维超构材料的制造和损耗困境。在众多的相关研究中，那些响应可被外部控制的可调谐超构表面一直是研究的重中之重。在开创性地演示了太赫兹波段的电调谐有源开口环谐振器（SRR）阵列之后，人们提出了各种方法来控制超构原子的响应，从用于可见光的MgH₂到用于微波的变容二极管。

对于太赫兹波段，有源超构表面的研发具有重要意义：一方面，有源超构表面部分缓解了太赫兹波段可调谐功能器件的稀缺性。基于有源超构表面的各种太赫兹器件已经被验证，例如可调谐滤波器、光学斩波器、压缩传感成像、群速度延迟线和类二极管器件等。另一方面，半导体、超导体、相变材料、二维材料和液晶的太赫兹介电常数容易受到偏置电压、载流子掺杂和温度变化等外部激励的影响，从而产生了各种调谐方法。

然而，由于介电常数的变化非常有限，已有报道的太赫兹有源超构表面距离取代传统器件和大规模用于太赫兹系统还很远。最广泛使用的方法是控制超构原子中半导体、超导体、二氧化钒和GST等材料的电导率。然而，在太赫兹波段，电导率的变化只能达到10⁵ S/m数量级，这比金属低两个数量级，导致严重的欧姆损耗。

一个长期被忽视但有希望解决上述问题的方法是机械可调谐超构表面。由于它们的调谐源于机械变形，因此介电常数保持稳定，不会引入额外的色散和损耗。基于MEMS的有源超构表面已显示出巨大的发展前景，但其制造门槛相对较高。值得注意的是，最近液晶弹性体在软体机器人和光学/热诱导机械变形方面的成功，为机械调谐超构表面的响应提供了一种有前途的衬底材料。它们的变形可以通过光学和热学来控制，并且具有很强的可重构性，使其适用于各种智能器件。然而，迄今为止，这种新兴材料在太赫兹领域尚未得到广泛关注。特别是，作为一种柔性衬底，其调控太赫兹波前的潜力非常广阔，亟待开发。

在本文中，作者们提出了一种以液晶弹性体为衬底的基于C形开口环谐振器的相位不连续超构表面，用于太赫兹波前的红外调谐。应用线聚焦红外光来操纵液晶弹性体衬底的偏转，实现了可控的宽带波前转向，在0.68 THz时最大输出角度变化为22°。他们还研究了加热作为另一种控制方法，并与红外控制进行了比较。他们进一步展示了液晶弹性体超构表面作为光束转向器、频率调制器和可调谐分束器的性能，这在太赫兹无线通信和成像系统中是迫切需要的。所提出的方案展示了机械可变形超构表面的良好前景，从而为可重构超构表面的发展铺平了道路。

图2 液晶弹性体超构表面的红外调控

图3 液晶弹性体超构表面的应用研究

图4 液晶弹性体超构表面的热调控

综上所述，研究团队设计了一种以液晶弹性体为衬底、以C型开口环为谐振器的相位不连续超构表面，用于可控的宽带太赫兹波前操纵。从0.48至1.1 THz，液晶弹性体超构表面将正交偏振透射光束从70°转向25°。基于液晶弹性体的变形响应特性，他们采用红外激光泵浦和直接加热来实现超构表面的偏转。在400 mW红外光泵浦下，在0.68 THz时实现了22°的输出角增量。他们还展示了液晶弹性体超构表面作为光束转向器、频率调制器和可调谐分束器的巨大潜力。本文提出的液晶弹性体超构表面为基于机械变形的超构表面设计奠定了基础，在下一代高速太赫兹无线通信和先进的T射线成像系统中具有广阔的应用前景。

本研究获得了国家自然科学基金（61975143, 62027820, 62175098）和广东省基础和应用基础研究基金（2021B1515020097）项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-022-01046-6

延伸阅读：

《光学和射频应用的超构材料-2022版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》