有源超構(gòu)表面(active metasurface)以其可調(diào)諧的光學(xué)響應(yīng)和平坦緊湊的形貌,正在成為下一代光學(xué)器件的核心。
特別是對于太赫茲波段,有源超構(gòu)表面已被開發(fā)為用于光學(xué)斬波和壓縮傳感成像的熱門器件。然而,通過改變集成功能材料的介電參數(shù)進(jìn)行性能調(diào)控存在嚴(yán)重的局限性和寄生損耗。
圖1 有源液晶彈性體超構(gòu)表面設(shè)計(jì)
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近日,天津大學(xué)、南方科技大學(xué)和美國俄克拉荷馬州立大學(xué)(Oklahoma State University)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“Active terahertz beam steering based on mechanical deformation of liquid crystal elastomer metasurface”的論文,提出了一種以液晶彈性體(LCE)為襯底、以C型開口環(huán)為諧振器的相位不連續(xù)超構(gòu)表面,用于可控的寬帶太赫茲波前操縱。
通過紅外照明和直接加熱使液晶彈性體超構(gòu)表面偏轉(zhuǎn)和彎曲,利用角分辨太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了對透射波前的有源控制。本文提出的液晶彈性體超構(gòu)表面為基于機(jī)械變形的超構(gòu)表面設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ),在下一代高速太赫茲無線通信和先進(jìn)的T射線成像系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
亞波長超構(gòu)原子豐富的設(shè)計(jì)自由度使電磁波的操縱變得超乎想象。特別是隨著廣義斯涅爾定律(Snell's Law)的引入,出現(xiàn)了可以靈活控制電磁波傳播的超構(gòu)表面,這完全避免了三維超構(gòu)材料的制造和損耗困境。在眾多的相關(guān)研究中,那些響應(yīng)可被外部控制的可調(diào)諧超構(gòu)表面一直是研究的重中之重。在開創(chuàng)性地演示了太赫茲波段的電調(diào)諧有源開口環(huán)諧振器(SRR)陣列之后,人們提出了各種方法來控制超構(gòu)原子的響應(yīng),從用于可見光的MgH?到用于微波的變?nèi)?a target="_blank">二極管。
對于太赫茲波段,有源超構(gòu)表面的研發(fā)具有重要意義:一方面,有源超構(gòu)表面部分緩解了太赫茲波段可調(diào)諧功能器件的稀缺性?;谟性闯瑯?gòu)表面的各種太赫茲器件已經(jīng)被驗(yàn)證,例如可調(diào)諧濾波器、光學(xué)斬波器、壓縮傳感成像、群速度延遲線和類二極管器件等。另一方面,半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、相變材料、二維材料和液晶的太赫茲介電常數(shù)容易受到偏置電壓、載流子摻雜和溫度變化等外部激勵(lì)的影響,從而產(chǎn)生了各種調(diào)諧方法。
然而,由于介電常數(shù)的變化非常有限,已有報(bào)道的太赫茲有源超構(gòu)表面距離取代傳統(tǒng)器件和大規(guī)模用于太赫茲系統(tǒng)還很遠(yuǎn)。最廣泛使用的方法是控制超構(gòu)原子中半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、二氧化釩和GST等材料的電導(dǎo)率。然而,在太赫茲波段,電導(dǎo)率的變化只能達(dá)到10??S/m數(shù)量級,這比金屬低兩個(gè)數(shù)量級,導(dǎo)致嚴(yán)重的歐姆損耗。
一個(gè)長期被忽視但有希望解決上述問題的方法是機(jī)械可調(diào)諧超構(gòu)表面。由于它們的調(diào)諧源于機(jī)械變形,因此介電常數(shù)保持穩(wěn)定,不會(huì)引入額外的色散和損耗。基于MEMS的有源超構(gòu)表面已顯示出巨大的發(fā)展前景,但其制造門檻相對較高。
值得注意的是,最近液晶彈性體在軟體機(jī)器人和光學(xué)/熱誘導(dǎo)機(jī)械變形方面的成功,為機(jī)械調(diào)諧超構(gòu)表面的響應(yīng)提供了一種有前途的襯底材料。它們的變形可以通過光學(xué)和熱學(xué)來控制,并且具有很強(qiáng)的可重構(gòu)性,使其適用于各種智能器件。然而,迄今為止,這種新興材料在太赫茲領(lǐng)域尚未得到廣泛關(guān)注。特別是,作為一種柔性襯底,其調(diào)控太赫茲波前的潛力非常廣闊,亟待開發(fā)。
在本文中,作者們提出了一種以液晶彈性體為襯底的基于C形開口環(huán)諧振器的相位不連續(xù)超構(gòu)表面,用于太赫茲波前的紅外調(diào)諧。應(yīng)用線聚焦紅外光來操縱液晶彈性體襯底的偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)了可控的寬帶波前轉(zhuǎn)向,在0.68 THz時(shí)最大輸出角度變化為22°。
他們還研究了加熱作為另一種控制方法,并與紅外控制進(jìn)行了比較。他們進(jìn)一步展示了液晶彈性體超構(gòu)表面作為光束轉(zhuǎn)向器、頻率調(diào)制器和可調(diào)諧分束器的性能,這在太赫茲無線通信和成像系統(tǒng)中是迫切需要的。所提出的方案展示了機(jī)械可變形超構(gòu)表面的良好前景,從而為可重構(gòu)超構(gòu)表面的發(fā)展鋪平了道路。
圖2 液晶彈性體超構(gòu)表面的紅外調(diào)控
圖3 液晶彈性體超構(gòu)表面的應(yīng)用研究
圖4 液晶彈性體超構(gòu)表面的熱調(diào)控
綜上所述,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種以液晶彈性體為襯底、以C型開口環(huán)為諧振器的相位不連續(xù)超構(gòu)表面,用于可控的寬帶太赫茲波前操縱。從0.48至1.1?THz,液晶彈性體超構(gòu)表面將正交偏振透射光束從70°轉(zhuǎn)向25°。基于液晶彈性體的變形響應(yīng)特性,他們采用紅外激光泵浦和直接加熱來實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的偏轉(zhuǎn)。
在400 mW紅外光泵浦下,在0.68 THz時(shí)實(shí)現(xiàn)了22°的輸出角增量。他們還展示了液晶彈性體超構(gòu)表面作為光束轉(zhuǎn)向器、頻率調(diào)制器和可調(diào)諧分束器的巨大潛力。本文提出的液晶彈性體超構(gòu)表面為基于機(jī)械變形的超構(gòu)表面設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ),在下一代高速太赫茲無線通信和先進(jìn)的T射線成像系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:基于液晶彈性體超構(gòu)表面機(jī)械變形的有源太赫茲光束操縱
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