[发明专利]一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件

权利要求书

1.一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，所述器件由前至后依次排列为前玻璃衬底(1)、结构化石墨烯正电极层(2)、液晶层(3)、几何相位超表面(4)、结构化石墨烯负电极层(5)、后玻璃衬底(6)；其中，几何相位超表面(4)是由在高阻硅衬底上排列的矩形硅散射单元(7)构成，几何相位超表面(4)对圆偏振波提供正交偏振变换和空间梯度相位排布，引起正交圆偏振波束的偏折；结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)对液晶层(3)同时起到初始液晶分子定向排布和施加外部电场动态调控的作用，使得液晶层(3)对太赫兹波具有可调的偏振转换作用，从而使得整个器件可以依靠施加不同的外加电场，动态地实现圆偏振波束的偏振转换和角度扫描。

2.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，几何相位超表面(4)是由在高阻硅衬底上通过光刻工艺和硅深刻蚀工艺获得图形化的矩形硅散射单元(7)，矩形硅散射单元(7)的高度为250μm～300μm，长度为120～140μm，宽为30～40μm，X-Y平面内相邻矩形硅散射单元(7)间的中心间距均为200μm；矩形硅散射单元(7)的长轴和短轴方向对太赫兹波具有πrad的各向异性相位差，使得入射圆偏振波可以转化为与之正交的圆偏振波。

3.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，几何相位超表面(4)由一系列在X-Y二维平面内周期性排列的超单元组成，每个超单元包括四个矩形硅散射单元(7)，每个超单元沿着X方向的长度为800μm，沿着Y方向的长度为200μm；这四个矩形硅散射单元(2)的大小相同，但在X-Y平面内的长轴取向角度不同，其取向角依次为0°、45°、90°和135°，相邻两个单元间的几何相位差均为π/2，每个超单元间的相位差均为2π，几何相位超表面(4)的空间相位分布与频率无关。

4.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，包括矩形硅散射单元(7)的空隙部分在内，液晶层(7)的总厚度为600～700μm；液晶层(1)采用的液晶材料是一种大双折射向列相液晶，其在太赫兹波段的双折射率系数为0.28～0.32。

5.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，前玻璃衬底(1)和后玻璃衬底(6)为厚度150μm～300μm的非掺杂熔融石英光学玻璃。

6.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，在前玻璃衬底(1)和后玻璃衬底(6)内表面均铺设一层石墨烯层，由激光直写工艺将石墨烯层在X-Y二维平面内沿X方向刻蚀为周期为1～2μm、宽度200nm～500nm的光栅结构，构成结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)；该结构化石墨烯层具有导电性，其面电阻率1kΩ/cm²，可以作为液晶层(3)的外加电场的正、负电极，施加沿Z方向外电场；同时该结构化石墨烯层的光栅微结构，又对液晶分子具有表面锚定力的作用，使得在未施加外电场时，液晶分子长轴沿着初始锚定的方向排列，液晶层(3)具有πrad的各向异性相位差，起到偏振转换作用；施加5V/mm的外电场后，液晶长轴开始朝向Z轴转动，当外电场大于10V/mm后，液晶长轴完全沿着Z轴，液晶层(3)不具有各向异性相位差，不起到偏振转换作用。

7.根据权利要求1至6所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，入射波为频率在0.7～1.3THz范围内的左旋或右旋圆偏振波，沿着Z轴入射太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件；当在结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)未施加外电场时，圆偏振波经过该器件后，由于液晶层(3)和几何相位超表面(4)总的各向异性相移为2πrad，出射波的偏振态依然保持原来旋向的圆偏振波，出射波在几何相位分布的波前调控下偏折角度为-16～-32°；随着外加电场增大，当液晶主轴由X-Y平面逐渐转向沿Z轴时，由于液晶层(3)各向异性相移改变，导致出射波的偏振态发生改变，出射方向也发生改变；当外加电场达到10V/mm，液晶层(3)不起到偏振转换作用，几何相位超表面(4)将入射波偏振态转换为相反旋向的圆偏振态，出射方向完全偏折到相反方向，偏折角度为+16～+32°；因此，在0.7～1.3THz范围内，器件最大扫描角度范围为32～64°。