太赫茲電光元器件課題研究

近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院陸延青教授研究組在利用液晶實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)太赫茲波片的研究中取得重要進(jìn)展。報(bào)導(dǎo)該研究成果的題為 “Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes”的論文，于2015年2月27日發(fā)表在*Light： Science & Application上Light Sci. Appl.， 2015， 4， e253.
　　由于技術(shù)與材料的限制，頻率處在0.1到10 THz之間的電磁波（即太赫茲波）在研究上一度成為電磁波譜上的空白。近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，科學(xué)家逐漸在太赫茲波產(chǎn)生、傳輸和檢測等方面取得了令人矚目的成績。太赫茲波由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有望成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、生命醫(yī)療探測、高效綠色安檢和高速無線通信的全新手段，并在天文觀測、空間通訊和精密光譜測量等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　太赫茲研究與日俱增，但適用于該頻段的光子學(xué)器件，尤其是可調(diào)控器件依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。液晶材料具有寬帶可 調(diào)的特性且擁有成熟的工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，因而基于液晶的太赫茲可調(diào)器件研究引起了科研人員的廣泛關(guān)注。尋求成熟的可見光與通訊波段元器件（如：開關(guān)、衰減器、 濾波片、偏振控制器、路由器等）在太赫茲頻段的直接對映，并以此實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的操控，已成為科技工作者的追求。
　　但一直以來該領(lǐng)域的研究面臨著幾個(gè)難題：
　　一，可見光和通訊波段通常采用的透明導(dǎo)電薄膜如氧化銦錫（ITO）等在THz頻段變得不再透明，因而在施加電場方面遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；
　　二，液晶材料的雙折射 率隨波長增加而減小，在THz頻段顯著降低，而THz波的波長又是可見光的成百上千倍，要達(dá)到同樣的位相調(diào)制量，所需的液晶和厚度要達(dá)到毫米量級，使得液 晶的均勻配向無法實(shí)現(xiàn)。
　　上述兩個(gè)瓶頸嚴(yán)重的阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。
　　
　　圖1 、THz液晶波片示意圖及電極透過率
　　在該工作中，研究者系統(tǒng)解決了上述問題，并提出了一整套實(shí)用的解決方案。本工作選取進(jìn)行相位延遲和偏振轉(zhuǎn)換的基本元件——波片作為實(shí)例。
　　液晶盒采取了一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
　　1. 選用亞波長金屬線柵同時(shí)作為高透過電極和內(nèi)置起偏器；
　　2. UVO處理的多孔石墨烯作為無偏振依賴特性的高透電極（》98%）；
　　3. 非接觸式光控取向作為無損傷的液晶配向技術(shù)；
　　4. 自行開發(fā)的在THz頻段低吸收損耗、大雙折射率的液晶材料NJU-004作為填充液晶材料。
　　最終在250 μm較小盒厚的條件下，實(shí)現(xiàn)了0.5-2.5 THz寬帶低電壓連續(xù)調(diào)諧的THz波片，并驗(yàn)證了其偏振調(diào)控特性。在小體積、集成化、高效率、低能耗的實(shí)用液晶THz元器件方向上邁出了關(guān)鍵的一步。實(shí)現(xiàn)了液晶材料與THz技術(shù)的完美結(jié)合，在THz通信、傳感探測、分析、成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。