國際權(quán)威專家點(diǎn)贊的太赫茲電光元器件課題概述

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。

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。

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

該工作得到了液晶界著名學(xué)者UCF S. T. Wu教授的高度評價(jià)：“Great progress and exciting results. ……You have solved very important problems in polarizer， transparent electrodes， LC materials and LC alignment. These are all very crucial to this emerging field”。 審稿過程中也得到了三位審稿專家的一致好評：“In this manuscript， the authors demonstrated a clever approach to solve a tough problem of liquid crystal-based Terahertz phase shifter. ……Overall speaking， this paper is not only scientifically exciting but also practically useful”。 “A nice literature review was given on the LC and graphene based terahertz devices”。 “……UVO-treated graphene film……together with the high-quality liquid crystal developed by the authors， leads to a practical terahertz waveplate with the desired compactness， high efficiency and wide tuning range. This work is thus of general interest and practical significance”。