一種基于C形開口環(huán)諧振器的相位不連續(xù)超構(gòu)表面

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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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隊在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域光譜（THz-TDS）系統(tǒng)成功地實現(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)表面為基于機械變形的超構(gòu)表面設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，在下一代高速太赫茲無線通信和先進的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。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)率的變化只能達到10??S/m數(shù)量級，這比金屬低兩個數(shù)量級，導(dǎo)致嚴(yán)重的歐姆損耗。

一個長期被忽視但有希望解決上述問題的方法是機械可調(diào)諧超構(gòu)表面。由于它們的調(diào)諧源于機械變形，因此介電常數(shù)保持穩(wěn)定，不會引入額外的色散和損耗?；?a target="_blank">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器人和光學(xué)/熱誘導(dǎo)機械變形方面的成功，為機械調(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)，實現(xiàn)了可控的寬帶波前轉(zhuǎn)向，在0.68 THz時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，并與紅外控制進行了比較。他們進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，研究團隊設(shè)計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°?；谝壕椥泽w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時實現(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)表面為基于機械變形的超構(gòu)表面設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，在下一代高速太赫茲無線通信和先進的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