太赫茲電光元器件課題詳細(xì)講解

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。

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(lái)，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(cè)等方面取得了令人矚目的成績(jī)。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(cè)、高效綠色安檢和高速無(wú)線(xiàn)通信的全新手段，并在天文觀(guān)測(cè)、空間通訊和精密光譜測(cè)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(jiàn)光與通訊波段元器件（如：開(kāi)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(duì)映，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的操控，已成為科技工作者的追求。

但一直以來(lái)該領(lǐng)域的研究面臨著幾個(gè)難題：

一，可見(jiàn)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(chǎng)方面遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；

二，液晶材料的雙折射 率隨波長(zhǎng)增加而減小，在THz頻段顯著降低，而THz波的波長(zhǎng)又是可見(jiàn)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(jí)，使得液 晶的均勻配向無(wú)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(guò)率

在該工作中，研究者系統(tǒng)解決了上述問(wèn)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(zhǎng)金屬線(xiàn)柵同時(shí)作為高透過(guò)電極和內(nèi)置起偏器；

2. UVO處理的多孔石墨烯作為無(wú)偏振依賴(lài)特性的高透電極（》98%）；

3. 非接觸式光控取向作為無(wú)損傷的液晶配向技術(shù)；

4. 自行開(kāi)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。

圖2 、THz液晶可調(diào)波片測(cè)試及偏振轉(zhuǎn)換的驗(yàn)證

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(cè)、分析、成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。