[发明专利]一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件

说明书

本发明公开了一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，属于太赫兹应用技术领域。本发明将液晶层与几何相位超表面相结合，由玻璃衬底、结构化石墨烯电极层、液晶层、几何相位超表面构成。通过施加不同的外加电场，使得液晶层对太赫兹波具有可调的偏振转换作用，同时几何相位超表面对圆偏振波提供正交偏振变换和空间梯度相位排布，动态地实现圆偏振波束的偏振转换和角度扫描，最终实现在0.7～1.3THz范围内的最大扫描角度范围为32～64°。该器件幅面可灵活设计，既可以集成在小型太赫兹固态电子器件中，又可以设计成大幅面器件放置在自由空间太赫兹波光谱、成像和雷达等系统中使用，应用范围比较广泛。

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件。

背景技术

太赫兹是频率范围从0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)的电磁波，处于微波与红外的过渡区域。 它的穿透力很强，太赫兹辐射光子能量低、对生物细胞的损害较小，覆盖了丰富的频谱资源， 大多数物质分子振动频率处于太赫兹波段，在大气和环境监测、生物医学和医学检验、无线 通信等重要领域有着巨大的应用前景。与微波电子学和红外光子学相比，太赫兹技术的研究 起步较晚，技术不够成熟，尤其在太赫兹器件方面问题尤为突出。但是自然界中存在的大多 数用于太赫兹调控的器件存在体积大、效率低等问题。人工超材料是一种由亚波长尺度的光 学天线组成的人工微结构，通过调整光学天线的材料、尺寸、几何形状和方向，可以控制散 射波的相位、振幅和极化。研究人员已经开始使用人工超材料来取代传统的波前调制元件， 几何相位超表面是人工超材料中的一种，其相位调节机制与入射波的频率无关，只取决于光 天线单元的方位角。因此，多被用于宽带的波前调制超表面的设计当中。Huang等通过将特 定的几何超表面与简化的合成光谱全息算法相结合，来处理具有多个记录通道的各种图像 [Adv.Mater.,27:6444-6449(2015)]。Song等通过设置每个纳米孔径的方位和几何尺寸，同时 实现了相位和振幅的调制[Appl.Phys.Lett.112,073104(2018)]。

然而，基于超表面的波前控制大部分是固定的，一旦被设计加工，它们的调制功能就固 定了，无法适用于动态调控的应用场合。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长,一些主动 的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证，例如，为了检测雷达中的目标，辐射波的波 束宽度和辐射方向需要不断调整。近年来，人们提出了用于太赫兹波前调制的有源超表面， 设计可调谐超表面的通常的做法是将超表面与半导体或相变材料相结合，利用材料特性的改 变实现超表面器件功能的调控。常见的调控方式有温控、电控、磁控等。其中，温控超表面 器件大多是通过将超表面与二氧化钒(VO₂)相结合；电控超表面器件一般是将石墨烯或砷化镓 与超表面结合起来。与其他可调谐材料相比，液晶具有损耗低、易于制作等优点，因此，将 液晶与超表面结合有望实现良好的动态波前调控功能。Komar等将液晶渗透到硅纳米盘介电 超表面，通过控制超表面的温度在可见光波段将激光束从0°角切换到12°角的可切换光束 偏转器件[ACS Photonics.,5,1742(2018)]。Shabanpour等采用液晶作为相变材料，通过电控编 码序列分配给超表面单元，偏置电场独立地改变超表面单元的液晶排布，实现功能多样的波 前调控器件[Opt.Express.,29:420972(2021)]。但是，上述两例液晶主动波束控制器件的扫描 角度十分有限。更重要的是，它们均工作在可见光和近红外波段，在太赫兹波段由于其波长 远远长于可见与近红外光，其器件的工作原理和结构设计要求等有着本质的不同，这导致目 前针对太赫兹波束偏折主动控制的液晶器件还鲜有报道。而由于圆偏振波在目标探测、偏振 成像和手性物质检测等方面相较于线偏振波具有独特的优势，对圆偏振波的波束控制就显得 尤为重要，然而，太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件却尚无报道。