CN108957876A - 一种可调太赫兹波前调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波前调制器及其制备方法，太赫兹波前调制器包括相对设置的第一基板和第二基板、亚波长金属线栅叉指电极、金属超表面、第一取向层、第二取向层以及液晶层，金属超表面包括多个嵌套结构，每个嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环；第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，取向方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直；液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间。通过第一取向层和第二取向层控制液晶层中液晶的初始偏转方向，通过亚波长金属线栅叉指电极和金属超表面控制液晶层中液晶在电场作用下的偏转方向，保证全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率，保证实现多功能的太赫兹波前动态调制器。

Description

一种可调太赫兹波前调制器及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及太赫兹光电子技术，尤其涉及一种太赫兹波前调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1-10THz(对应波长为30-3000μm)之间的电磁波，因其独特的性质，使得太赫兹技术在安全检查、生物医学和高速无线通信等诸多领域具有广阔的应用前景。相对于太赫兹源和探测器，用以传输和控制太赫兹波的高性能光子学器件仍处于初级发展阶段，尤其是动态可调的太赫兹器件。

近年来，液晶材料因其宽波段的电控双折射特性被广泛用于可调太赫兹调制器的开发，例如相移器、波片、涡旋光产生器等。然而，液晶太赫兹调制器需要较大的液晶层厚度，因此带来了响应速度慢和驱动电压大等问题。同时，现有技术中的可调太赫兹调制器仅可工作在反射模式下或透射模式下，功能单一。

发明内容

本发明提供一种可调太赫兹波前调制器及其制备方法，以解决现有技术中太赫兹调制器功能单一的技术问题。

一方面，本发明实施例提供了一种太赫兹波前调制器，包括相对设置的第一基板和第二基板、亚波长金属线栅叉指电极、金属超表面、第一取向层、第二取向层以及液晶层；

其中，所述亚波长金属线栅叉指电极设置于所述第一基板朝向所述第二基板的一侧；

所述金属超表面设置于所述第二基板朝向所述第一基板的一侧，且所述金属超表面包括多个嵌套结构，每个所述嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环；

所述第一取向层设置于所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧，所述第二取向层设置于所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直；

所述液晶层设置于所述第一取向层和所述第二取向层之间。

可选的，多个所述嵌套结构阵列排布，相邻两个所述嵌套结构中心之间的距离为L1，其中，40μm≤L1≤60μm。

可选的，所述外部封闭环的形状包括矩形、圆形以及三角形中的至少一种；所述内部劈裂环为包括至少一个劈裂断口的劈裂环，所述内部劈裂环的形状包括矩形、圆形以及三角形中的至少一种；且所述外部封闭环的中心与所述内部劈裂环的中心位于不同位置。

可选的，所述金属线栅叉指电极中叉指电极的周期小于入射至所述太赫兹波前调制器的入射光的波长；其中，所述金属线栅叉指电极中叉指电极的周期L2，1μm≤L2≤30μm。

可选的，在所述金属线栅叉指电极中叉指电极延伸方向的垂直方向上，每个所述叉指电极的宽度为L3，其中，0.5μm≤L3≤5μm。

可选的，所述液晶层的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；

在入射至所述太赫兹波前调制器的入射光的频率范围在0.5THz-2.5THz时，所述第一折射率和第二折射率之间的差值为C，其中，0.2≤C≤0.4。

可选的，所述太赫兹波前调制器还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板形成所述液晶层的填充空间；

沿垂直所述第一基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度为L4，3μm≤L4≤10μm。

可选的，所述第一取向层和所述第二取向层均为光控取向层。

另一方面，本发明实施例还提供了一种太赫兹波前调制器的制备方法，该方法包括：

提供第一基板和第二基板；

在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧制备亚波长金属线栅叉指电极；在所述第二基板朝向所述第一基板的一侧制备金属超表面，所述金属超表面包括多个嵌套结构，每个所述嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环；

在所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧制备第一取向层，在所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧制备第二取向层；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直；

在所述第一取向层和所述第二取向层之间制备液晶层。

可选的，所述第一取向层和所述第二取向层均为光控取向层；

在所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧制备第一取向层，在所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧制备第二取向层，包括：

分别在所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧以及所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧涂覆光敏取向剂材料，形成光敏取向剂薄膜；

采用偏振方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的矢量方向相同的线偏振紫外光或线偏振蓝光照射所述光敏取向剂薄膜，形成第一取向层和第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直。

本发明实施例提供的太赫兹波前调制器及其制备方法，通过设置亚波长金属线栅叉指电极以及金属超表面，同时设置第一取向层和第二取向层的取向方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直，通过第一取向层和第二取向层控制液晶层中液晶的初始偏转方向，通过亚波长金属线栅叉指电极和金属超表面控制液晶层中液晶在电场作用下的偏转方向，保证全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率，保证实现多功能的太赫兹波前动态调制器，解决现有技术中可调太赫兹调制器功能单一的技术问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种金属超表面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种亚波长金属线栅叉指电极的太赫兹透过率图；

图4是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在透射模式下的太赫兹透过率图；

图5是本发明实施例中在透射模式下的对太赫兹波前调制器加上不同电压后的太赫兹透过率图；

图6是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在反射模式下的太赫兹透过率图；

图7是本发明实施例中在反射模式下的对太赫兹波前调制器加上不同电压后的太赫兹透过率图；

图8是本发明实施例提供的亚波长金属线栅叉指电极的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的响应速度的测试结果；

图10是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在透射模式下太赫兹时域光谱系统的实验装置示意图；

图11是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在反射模式下太赫兹时域光谱系统的实验装置示意图；

图12是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的制备方法的流程示意图；

图13是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的制备方法中各步骤的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

太赫兹波是频率在0.1-10THz(对应波长为30-3000μm)之间的电磁波。太赫兹波具有以下独特性质：1)较低的光子能量，适合对生物组织进行活体检查；2)很多生物分子和凝聚态物质的骨架振动和转动能级，以及分子间相互作用能级(氢键等)都处于太赫兹频带；3)许多非金属和非极性材料对太赫兹波的吸收较小，透过率高；4)与可见光和红外线相比，太赫兹波具有极高的方向性和较强云雾穿透能力，能够实现G bit/s以上的无线传输速率。这些使太赫兹技术在安全检查、生物医学和高速无线通信等诸多领域具有广阔的应用前景。相对于太赫兹源和探测器，用以传输和控制太赫兹波的高性能光子学器件仍处于初级发展阶段，尤其是动态可调的太赫兹器件。

超材料是一种人工电磁介质，通过人为设计单元结构，能够实现自然材料所不具有的一些独特性能，如人造磁性、负指数材料、电磁隐身等。这类材料开始越来越多地用于太赫兹的调制领域。然而，超材料一经制备，结构就固定了，功能也随之固定，无法进行动态调控，因此，寻求超材料的可调谐性成为研究领域的一大热点。

近年来，液晶材料因其宽波段的电控双折射特性被广泛用于可调太赫兹调制器的开发，例如相移器、波片、涡旋光产生器等。然而，液晶太赫兹调制器需要较大的液晶层厚度，因此带来了响应速度慢和驱动电压大等问题。

基于上述技术问题，本发明实施例提供了一种太赫兹波前调制器，包括相对设置的第一基板和第二基板、亚波长金属线栅叉指电极、金属超表面、第一取向层、第二取向层以及液晶层；其中，所述亚波长金属线栅叉指电极设置于所述第一基板朝向所述第二基板的一侧；所述金属超表面设置于所述第二基板朝向所述第一基板的一侧，且所述金属超表面包括多个嵌套结构，每个所述嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环；所述第一取向层设置于所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧，所述第二取向层设置于所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直；所述液晶层设置于所述第一取向层和所述第二取向层之间。采用上述技术方案，通过设置亚波长金属线栅叉指电极以及金属超表面，同时设置第一取向层和第二取向层的取向方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直，通过第一取向层和第二取向层控制液晶层中液晶的初始偏转方向，通过亚波长金属线栅叉指电极和金属超表面控制液晶层中液晶在电场作用下的偏转方向，保证全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率，保证实现多功能的太赫兹波前动态调制器，解决现有技术中太赫兹调制器功能单一、不可调的技术问题。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种金属超表面的结构示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的具体结构可以包括：第一基板11、第二基板12、亚波长金属线栅叉指电极13、金属超表面14、第一取向层15、第二取向层16以及液晶层17。

其中，亚波长金属线栅叉指电极13设置于第一基板11朝向第二基板12的一侧；金属超表面14设置于第二基板12朝向第一基板11的一侧，且金属超表面14包括多个嵌套结构141，每个嵌套结构141包括外部封闭环1411和内部劈裂环1412；

第一取向层15设置于亚波长金属线栅叉指电极13朝向金属超表面14的一侧，第二取向层16设置于金属超表面14朝向亚波长金属线栅叉指电极13的一侧；第一取向层15和第二取向层16具备相同的取向方向，取向方向与亚波长金属线栅叉指电极13的金属线栅的光栅矢量方向垂直；

液晶层17设置于第一取向层15和第二取向层16之间。

示例性的，图3是本发明实施例提供的一种亚波长金属线栅叉指电极的太赫兹透过率图，如图3所示，频率在0.5-2.5THz的范围内横磁波(入射光偏振方向和第一取向层15以及第二取向层16的取向方向垂直)几乎完全透过，而横电波(入射光偏振方向和第一取向层15以及第二取向层16的取向方向平行)则完全反射。利用这一特性，设置入射光的偏振方向为横磁波方向，可使太赫兹波前调制器工作在透射模式下；通过设置入射光的偏振方向为横电波方向，可使太赫兹波前调制器工作在反射模式下。

图4是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在透射模式下的太赫兹透过率图，从图中可以看到在频率为1.30THz处出现了一个透射率的峰值。该谱线为类电磁感应透明效应(EIT)，1.30THz处称之为透明窗口，该效应原理如下：金属超表面14的嵌套结构141中外部封闭环1411在入射电磁场作用下产生宽谱的偶极谐振，而内部劈裂环1412产生窄谱的电感-电容(LC)谐振，当设置结构参数使两个谐振峰出现在同一频率时，就会产生相消干涉而在该频率处出现透过率的峰值。该功能在太赫兹光开关、滤波、强色散器件的制备中都有潜在的应用。

进一步的，在该太赫兹波前调制器的亚波长金属线栅叉指电极13两端加上电压后，液晶会沿着产生的电场方向排列，导致金属超表面14上方环境折射率的改变，从而使金属超表面14的谐振特性发生改变，导致谐振频率的平移。

图5是本发明实施例中在透射模式下的对太赫兹波前调制器加上不同电压后的太赫兹透过率图，在电压分别为0V、15V、30V和45V时，从图中可以看出随着电压的增大谱线整体向长波方向移动，透明窗口处频率移动达到60GHz，在频率为1.27THz处调制深度达到37％，实现了对透射模式下太赫兹波束的动态调制功能。

图6是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在反射模式下的太赫兹透过率图，图中可以看到在频率为1.08THz处出现了一个反射率的最小值，仅为0.03。该谱线的原理如下：当入射偏振方向垂直于亚波长金属线栅叉指电极13的光栅矢量方向时，入射波被完全反射，亚波长金属线栅叉指电极13和金属超表面14以及中间的液晶层17组成了一个超材料吸收器结构。入射电磁波的电场与金属超表面14作用，形成电偶极谐振，而亚波长金属线栅叉指电极13和金属超表面14之间产生了感应环电流，环电流形成了磁偶极谐振，磁偶极子方向和入射电磁波的磁场方向一致，因此产生了磁偶极谐振。因此在谐振频率处，入射的电磁波的能量在该结构中被完全损耗掉，显示了吸收器功能。该功能在太赫兹光开关、能量收集、空间光调制器的制备中都有潜在的应用。

进一步的，在该太赫兹波前调制器的亚波长金属线栅叉指电极13两端加上电压后，液晶会沿着产生的电场方向排列，导致液晶层17的折射率发生改变，从而使超材料吸收器的谐振特性发生改变，导致谐振频率的平移。

图7是本发明实施例中在反射模式下的对太赫兹波前调制器加上不同电压后的太赫兹透过率图，在电压分别为0V、15V、30V和45V时，从图中可以看出随着电压的增大谱线整体往长波方向移动，反射率最小值频率处频率移动达到50GHz，在频率为1.08THz处调制深度达到81％，实现了对反射模式下太赫兹波束的动态调制功能。

综上，本发明实施例提供的太赫兹波前调制器，通过设置亚波长金属线栅叉指电极13以及金属超表面14，同时设置第一取向层15和第二取向层16的取向方向与亚波长金属线栅叉指电极13的金属线栅的光栅矢量方向垂直，通过第一取向层15和第二取向层16控制液晶层17中液晶的初始偏转方向，通过亚波长金属线栅叉指电极13和金属超表面14控制液晶层17中液晶在电场作用下的偏转方向，利用亚波长金属线栅叉指电极13作为电极，保证了液晶太赫兹波前调制器在全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率、以及良好的电场分布和控制；在亚波长金属线栅叉指电极13上加电压能够驱动液晶发生指向矢方向偏转，从而诱导液晶沿着电场方向排列，结合金属超表面14实现了太赫兹波前调制器在透射模式和反射模式下的动态太赫兹波前调制功能，解决现有技术中可调太赫兹调制器功能单一的技术问题。

在上述技术方案的基础上，可选的，继续参考图2所示，太赫兹波前调制器中金属超表面14上多个嵌套结构141阵列排布，相邻两个嵌套结构的中心之间的距离为L1，其中，40μm≤L1≤60μm，本实施例优选为L1＝50μm，使得太赫兹波前调制器对太赫兹波束的动态调制效果更好。

可选的，继续参考图2所示，嵌套结构141中外部封闭环1411的形状包括矩形、圆形以及三角形中的至少一种；内部劈裂环1412为包括至少一个劈裂断口的劈裂环，内部劈裂环1412的形状包括矩形、圆形以及三角形中的至少一种，本实施例中仅以金属超表面14中嵌套结构为外部方环和内部方形劈裂环的嵌套结构为例进行示例性说明。可选的，所述外部封闭环1411的中心与所述内部劈裂环1412的中心位于不同位置(如图2所示)，使得谐振峰出现在同一频率，并且使透过率的峰值有所提高。

图8是本发明实施例提供的亚波长金属线栅叉指电极的结构示意图，可选的，亚波长金属线栅叉指电极13中叉指电极的周期小于入射至所述太赫兹波前调制器的入射光的波长；其中，亚波长金属线栅叉指电极13中叉指电极的周期为L2，1μm≤L2≤30μm，优选为1-10μm，示例性的，本实施例中周期L2为10μm，保证全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率、以及良好的电场分布和控制。

可选的，继续参考图8所示，在亚波长金属线栅叉指电极13中叉指电极延伸方向的垂直方向上，每个所述叉指电极的宽度为L3，其中，0.5μm≤L3≤5μm，本实施例中宽度L3优选为5μm，保证全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率、以及良好的电场分布和控制。

可选的，继续参考图1所示，液晶层17的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；在入射至太赫兹波前调制器的入射光的频率范围在0.5THz-2.5THz时，第一折射率和第二折射率之间的差值优选为C，其中，0.2≤C≤0.4，相比于现有技术，选择具有较大双折射率的液晶材料，能够获得较大的调制深度；优选地，本实施例中液晶层17选取的液晶材料为室温大双折射率液晶NJU-LDn-4，该液晶在0.5-2.5THz时的双折射率约为0.30，在太赫兹频段吸收损耗低，能够获得较大的调制深度。

继续参考图1所示，太赫兹波前调制器还包括位于第一基板11和第二基板12之间的间隔粒子18，用于支撑第一基板11和第二基板12形成液晶层17的填充空间；可选的，沿垂直第一基板11的方向，间隔粒子18的延伸长度为L4，其中，3μm≤L4≤10μm，使得液晶层17的厚度小于传统液晶太赫兹调制器的液晶层厚度，解决传统液晶太赫兹调制器中存在的响应速度慢和驱动电压大等问题。

通过对本实施例提供的太赫兹波前调制器的理论计算和电磁场模拟仿真，得出最优液晶层的厚度为5μm，因此本发明实施例中间隔粒子18的延伸长度L4优选为5μm，使得太赫兹波前调制器的液晶层厚度为5μm，远小于传统的太赫兹液晶调制器几百微米的厚度，因此该可调太赫兹波前调制器的驱动电压较低，仅为15V，同时器件的响应速度大大提升。由于响应速度与波长无关，仅与器件结构以及液晶材料本身的性质有关，为了方便测量，采用633nm的红色激光光源在可见光波段进行测试。利用激光光源对样品进行照射，在出射面上测量光强，归一化为透射率。图9是本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的响应速度的测试结果，图中可以看到在所加1kHz方波信号下，器件的从关到开的响应速度为2.6ms，从开到关的响应速度为25ms，大大低于传统液晶太赫兹调制器分钟量级的响应时间。

本实施例通过把液晶和超材料相结合，由于集成器件中液晶仅作为环境折射率的调谐材料，使得液晶层厚度小于传统液晶太赫兹调制器的液晶层厚度，因此能够解决传统液晶太赫兹调制器中存在的响应速度慢和驱动电压大等问题，实现了电控类EIT效应的动态调制，具有偏振依赖、调制深度大、响应速度快的特点。较现有的太赫兹液晶调制器性能有了很大的提升，在太赫兹通讯、传感、滤波等领域有很大的应用潜力。

优选地，继续参考图1所示，第一取向层15和第二取向层16为光控取向层，光控取向层对液晶材料进行均一取向，并且光控取向层取向方向与亚波长金属线栅叉指电极13的金属线栅的光栅矢量方向垂直；通过光控取向技术实现了均匀有效取向，即取向方向和对准方向的精确控制，确保了装置获得最大调制量和最快调制速度，并且不会对超材料造成损伤；

可选的，本发明实施例还提供得了一种透射模式下太赫兹时域光谱系统的实验装置示意图，如图10所示，本发明实施例提供的透射模式下太赫兹时域光谱系统的实验装置可以包括：太赫兹发射天线21、太赫兹接收天线22、太赫兹偏振片23、抛物面镜24、可调太赫兹波前调制器25和平面镜26，图中27表示太赫兹波束的传播路径。

可选的，本发明实施例还提供得了一种反射模式下太赫兹时域光谱系统的实验装置示意图，如图11所示，本发明实施例提供的太赫兹波前调制器在反射模式下太赫兹时域光谱系统的实验装置可以包括：太赫兹发射天线31、太赫兹接收天线32、太赫兹偏振片33、抛物面镜34、三棱镜35和可调太赫兹波前调制器36，图中37表示太赫兹波束的传播路径。

本发明实施例提供的实验装置，采用本发明实施例提供的太赫兹波前调制器，具备相应的有益效果，这里不再赘述。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种太赫兹波前调制器的制备方法，用于制备上述实施例中提供的太赫兹波前调制器，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的制备方法的流程示意图如图12所示，包括：

步骤120、提供第一基板和第二基板。

步骤121、在第一基板朝向第二基板的一侧制备亚波长金属线栅叉指电极；在第二基板朝向第一基板的一侧制备金属超表面，金属超表面包括多个嵌套结构，每个嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环。

步骤122、在亚波长金属线栅叉指电极朝向金属超表面的一侧制备第一取向层，在金属超表面朝向亚波长金属线栅叉指电极的一侧制备第二取向层；第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，取向方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直。

步骤123、在第一取向层和第二取向层之间制备液晶层。

优选地，第一取向层和第二取向层均为光控取向层。

图13为本发明实施例提供的太赫兹波前调制器的制备方法中各步骤的示意图。如图13所示，其中，步骤122中，在亚波长金属线栅叉指电极朝向金属超表面的一侧制备第一取向层，在金属超表面朝向亚波长金属线栅叉指电极的一侧制备第二取向层，还包括：分别在亚波长金属线栅叉指电极朝向金属超表面的一侧以及金属超表面朝向亚波长金属线栅叉指电极的一侧涂覆光敏取向剂材料，形成光敏取向剂薄膜；采用偏振方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的矢量方向相同的线偏振紫外光或线偏振蓝光照射光敏取向剂薄膜，形成第一取向层和第二取向层，第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，且取向方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直。光控取向层为取向在光敏取向剂的薄膜上获得，光敏取向剂为偶氮苯染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在线偏光照射下发生异构化、定向光交联或光裂解反应而引发分子排布的各向异性，并可进一步通过分子间相互作用将这种有序性传递给液晶分子。

采用偏振方向与亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的矢量方向相同的线偏振紫外光或线偏振蓝光照射光敏取向剂薄膜，能够曝光赋予光控取向剂薄膜分子均匀指向。

可选的，第一基板与第二基板包括熔融石英基板。

在第一基板朝向第二基板的一侧制备亚波长金属线栅叉指电极；在第二基板朝向第一基板的一侧制备金属超表面，均可通过在基板上进行光刻及镀膜工艺实现，可选用的金属材料为金、银、铝、铂等，镀膜厚度为100-200nm。

步骤123，在第一取向层和第二取向层之间制备液晶层，还包括：根据目标功能计算出所需要液晶层厚度，选择相应的间隔粒子；在其中一片基板上放置间隔粒子，另一片基板与之相对放置，然后使用紫外固化胶将其封装成液晶盒；将选取的液晶材料注入液晶盒，最终利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节液晶的折射率来实现动态的太赫兹波前调制功能。

本实施例提供的太赫兹波前调制器的制备方法结合金属结构微加工工艺以及液晶的光取向技术来实现上述实施例中提供的可调太赫兹波前调制器的制备，制备方法简便、高效、廉价、可批量生产，器件性能稳定，各项指标均达到太赫兹光子器件的实用要求。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种太赫兹波前调制器，其特征在于，包括相对设置的第一基板和第二基板、亚波长金属线栅叉指电极、金属超表面、第一取向层、第二取向层以及液晶层；

其中，所述亚波长金属线栅叉指电极设置于所述第一基板朝向所述第二基板的一侧；

所述金属超表面设置于所述第二基板朝向所述第一基板的一侧，且所述金属超表面包括多个嵌套结构，每个所述嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环；

所述第一取向层设置于所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧，所述第二取向层设置于所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直；

所述液晶层设置于所述第一取向层和所述第二取向层之间。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，多个所述嵌套结构阵列排布，相邻两个所述嵌套结构中心之间的距离为L1，其中，40μm≤L1≤60μm。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，所述外部封闭环的形状包括矩形、圆形以及三角形中的至少一种；所述内部劈裂环为包括至少一个劈裂断口的劈裂环，所述内部劈裂环的形状包括矩形、圆形以及三角形中的至少一种；且所述外部封闭环的中心与所述内部劈裂环的中心位于不同位置。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，所述金属线栅叉指电极中叉指电极的周期小于入射至所述太赫兹波前调制器的入射光的波长；其中，所述金属线栅叉指电极中叉指电极的周期为L2，1μm≤L2≤30μm。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，在所述金属线栅叉指电极中叉指电极延伸方向的垂直方向上，每个所述叉指电极的宽度为L3，其中，0.5μm≤L3≤5μm。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，所述液晶层的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；

在入射至所述太赫兹波前调制器的入射光的频率范围在0.5THz-2.5THz时，所述第一折射率和第二折射率之间的差值为C，其中，0.2≤C≤0.4。

7.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，所述太赫兹波前调制器还包括位于所述第一基板和所述第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑所述第一基板和所述第二基板形成所述液晶层的填充空间；

沿垂直所述第一基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度为L4，3μm≤L4≤10μm。

8.根据权利要求1所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层均为光控取向层。

9.一种太赫兹波前调制器的制备方法，用于制备权利要求1-8任一项所述的太赫兹波前调制器，其特征在于，包括：

提供第一基板和第二基板；

在所述第一基板朝向所述第二基板的一侧制备亚波长金属线栅叉指电极；在所述第二基板朝向所述第一基板的一侧制备金属超表面，所述金属超表面包括多个嵌套结构，每个所述嵌套结构包括外部封闭环和内部劈裂环；

在所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧制备第一取向层，在所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧制备第二取向层；所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直；

在所述第一取向层和所述第二取向层之间制备液晶层。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层均为光控取向层；

在所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧制备第一取向层，在所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧制备第二取向层，包括：

分别在所述亚波长金属线栅叉指电极朝向所述金属超表面的一侧以及所述金属超表面朝向所述亚波长金属线栅叉指电极的一侧涂覆光敏取向剂材料，形成光敏取向剂薄膜；

采用偏振方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的矢量方向相同的线偏振紫外光或线偏振蓝光照射所述光敏取向剂薄膜，形成第一取向层和第二取向层，所述第一取向层和所述第二取向层具备相同的取向方向，且所述取向方向与所述亚波长金属线栅叉指电极的金属线栅的光栅矢量方向垂直。