常见向列相液晶在THz波段的光学性质(主要是光学各向异性和吸收损耗)已经得到广泛研究。例如,2003年,Pan等率先对液晶5CB在THz波段的各向异性进行了研究,发现在0.3~1.4 THz内的双折射系数Δn为0.13~0.21[2]。2009年,Wilk等分别研究了液晶(5CB、6CB、7CB和8CB)在THz波段的光学性质,除了折射率和吸收系数,还给出了在不同电场和温度条件下的双折射值[3]。2010年,Yang等研究了E7混合液晶的光学常数,在0.2~2.0 THz,n e为1.690~1.704,n o为1.557~1.581,当温度为26~70℃时,其消光系数小于0.035,且没有尖锐的吸收峰[4]。随后,一些具有更高双折射系数的新型向列相液晶混合物被报道,如2012年,南京大学Wang等合成了Δn为0.306的THz高双折射液晶NJU-LDn-4[5];2013年,Reuter等报道了Δn为0.32~0.38的THz液晶[6]。综上所述,液晶在THz波段具有较高的双折射系数和低的吸收系数。
液晶最具吸引力的性质是它的THz光学性质可以通过改变外电场、磁场或者温度进行调控,制备成能实现特定功能的THz可调谐器件,特别是可调谐相位延迟器(π/2 rad相移对应1/4波片;π对应半波片),它也是实现偏振转换器和空间光调制器的基础。然而,在双折射系数一定的条件下,工作波长越长,产生相同的相位延迟就需要越厚的双折射材料,这就导致现有液晶THz相移器的厚度往往都在百微米以上的量级。例如,Hsieh等报道了利用125 V横向偏置电压驱动570μm厚的E7液晶盒获得可调谐1/4 THz波片,但是器件的响应时间长达2 min[7]。Lin等用金属栅施加纵向电场驱动256μm厚液晶盒,在130 V下和1.88 THz处获得66°相移[8]。而Wu等采用50μm厚液晶盒、石墨烯透明电极施加纵向电场,驱动电压仅需5 V,但由于液晶层厚度不足,1 THz处相移仅有10°[9]。可见,THz可调相移器需要足够大的液晶厚度,而厚液晶层将导致驱动外场高、响应时间长、调谐范围窄、插入损耗大、器件稳定性差等一系列技术问题。
最近几年,研究人员尝试通过一些新技术来改善THz液晶器件的性能,例如采用新型THz透明纳米导电薄膜电极可以减小正负电极间的距离从而降低驱动电压,同时增强表面锚定作用,一定程度上提高调谐范围。台湾成功大学Yang等采用ITO“纳米须”作为E7液晶盒的电极,在17 V电压下可使500μm厚液晶盒在1 THz附近实现π/2相移的调谐范围[10]。南京大学陆延青教授课题组采用多孔石墨烯和金属亚波长光栅作为THz透明电极并辅以表面锚定层,制备了THz液晶可调谐相移器,在50 V电压下2.1 THz处可实现π相移的调谐范围[11],如图8.2所示。
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图8.2 基于多孔石墨烯电极的THz液晶相移器结构示意图、在不同电压下相移谱线和在2.2 THz频率下的输出偏振态[11]
将超材料、超表面等人工电磁微结构与液晶结合,可以实现主动可调器件,并有望提升器件的调谐范围、缩短器件响应时间。近年来,基于液晶的THz可调吸收器、开关、可调谐滤波器被广泛报道。Isic'等提出了一种基于向列相液晶的可调控THz超材料吸收器,实现了谐振频率为15%的红移,最大振幅调制深度达23 dB,响应时间为50 ms[12]。Padilla等研制了基于液晶可调吸收单元的THz振幅型空间光调制器,15 V电压下调制深度达到75%,但其吸收频率峰只发生了5%的频移[13],如图8.3所示。Chen等利用50μm厚的液晶层制备了连续可调的THz开关,响应时间为1.004 ms[14]。这类THz液晶可调谐器件主要通过改变液晶折射率(而非相移或偏振变化)引起人工微结构谐振峰的频移,来实现可调谐滤波、开关等功能。但把液晶可调双折射作为THz偏振转换机制引入THz微结构功能器件设计中的报道在近期才开始出现。例如,2019年,南京大学报道了可开关的THz超表面Fano谐振器,器件中液晶层起到可调波片的作用,在0.66 THz范围内实现了50%的调制深度[15]。
图8.3 基于液晶可调吸收单元的THz空间光调制器结构图、照片和吸收谱线[13]
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