[发明专利]基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置

说明书

本发明提出了一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置，包括由下至上依次层叠的衬底、反射镜、电介质隔离层、由在线栅形超构表面电极中相邻栅极间灌注液晶形成的超构表面结构层、以及透射介质层，p偏振方向设定频率的太赫兹电磁波束由透射介质层射入；当超构表面电极接入外加电压时，对液晶施加的电压方向与太赫兹电磁波束传输方向正交。其中，超构表面电极中的间隔栅极彼此串联，形成叉指阵列电极，各间隔栅极接入相同的外加电压；或者超构表面电极中的各栅极彼此独立，用于分别控制接入各栅极的外加电压。本发明通过对液晶施加与太赫兹电磁波束传输方向正交的电压，并在可观的调制速率下实现对太赫兹电磁波束的波前相位控制。

技术领域

该发明可被应用于太赫兹波段电磁波相位调制相关的领域，更具体的，涉及一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置。

背景技术

在太赫兹波技术应用领域，在微纳尺度快速地对太赫兹波信号的强度、相位等信息实现快速、高效的调制对很多太赫兹波的应用具有重大意义。超构表面(Metasurface)，指的是由亚波长结构构成的电磁天线阵列。在介观尺度，通过对光学天线形貌及其排布的合理设计，超构表面可以在二维平面内有效地调控电磁波的振幅、相位和偏振等参量，突破传统电磁定律的限制，实现在亚波长尺度上对电磁波进行有效裁剪。液晶是一种介电各向异性材料，在外加电场的作用下，液晶分子的排列方向将随电场的大小发生改变，从而改变其介电常数大小。基于液晶材料介电常数电控可调的特性，与超构表面结合，可以广泛应用于各种太赫兹波相位调制器件和强度调制器件中。2019年Yin等研究学者报道了一种基于液晶和金属等离子体超材料(Metamaterial)的电光太赫兹波强度调制器件，这种电光强度调制器件利用液晶灌注到经过设计的双层超材料中形成复合结构，通过外加电压，可以改变液晶的光学性质，从而改变器件谐振对应的频率，进而实现对特定频率反射光束的强度调制。2020年Fan Chang等研究学者报道了一种基于液晶和硅介质超构表面的太赫兹相位调制器，这种电光强度调制器件利用液晶灌注到硅超构表面中形成复合结构，通过外加电压，可以改变液晶的光学性质，从而改变器件的光学响应，进而实现对透射光束相位的调制。上述两种电光器件，均在太赫兹波段实现了对电磁波束强度或相位的大幅度调制。但是，用来给液晶施加电压的电极间距均在百微米级。这些问题会带来器件的调制速率慢和外加电压高等制约局限，进而限制它们的实际应用。具体分析如下：

液晶的响应时间包括增加电场的上升时间τ_on和降低电场的下降时间τ_off，可分别表示为：

其中，τ₀为液晶指向矢变化到原来1/e的时间；γ₁为液晶的粘滞系数；K₃₃是弯曲弹性常数；d是液晶电极间距。V是外加电压；V_th是外加电压的阈值电压。由公式可以得出，液晶电极间距过大会严重影响液晶在电压上升和下降时的响应时间，而增加外加电压可以减小电压上升时的响应时间。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供了一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位调制装置。本发明能通过外加电压并在可观的调制速率下实现对太赫兹电磁波束的波前相位调制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，包括由下至上依次层叠的衬底、反射镜、电介质隔离层、由在线栅形超构表面电极中相邻栅极间灌注液晶形成的超构表面结构层、以及透射介质层，p偏振方向设定频率的太赫兹电磁波束由所述透射介质层射入；当所述超构表面电极接入外加电压时，对所述液晶施加的电压方向与太赫兹电磁波束的传输方向正交。

进一步地，所述超构表面电极中的间隔栅极彼此串联，形成叉指阵列电极，各间隔栅极均接入相同的外加电压。或者，所述超构表面电极中的各栅极彼此独立，用于分别控制接入各栅极的外加电压。