CN114911084A - 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件 - Google Patents
一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114911084A CN114911084A CN202210477144.0A CN202210477144A CN114911084A CN 114911084 A CN114911084 A CN 114911084A CN 202210477144 A CN202210477144 A CN 202210477144A CN 114911084 A CN114911084 A CN 114911084A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- liquid crystal
- terahertz
- super
- wave
- crystal layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 title claims abstract description 105
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 47
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 36
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 8
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 239000004988 Nematic liquid crystal Substances 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 claims description 3
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 claims description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 229910021542 Vanadium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N vanadium dioxide Chemical compound O=[V]=O GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002558 medical inspection Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000011895 specific detection Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1343—Electrodes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，属于太赫兹应用技术领域。本发明将液晶层与几何相位超表面相结合，由玻璃衬底、结构化石墨烯电极层、液晶层、几何相位超表面构成。通过施加不同的外加电场，使得液晶层对太赫兹波具有可调的偏振转换作用，同时几何相位超表面对圆偏振波提供正交偏振变换和空间梯度相位排布，动态地实现圆偏振波束的偏振转换和角度扫描，最终实现在0.7～1.3THz范围内的最大扫描角度范围为32～64°。该器件幅面可灵活设计，既可以集成在小型太赫兹固态电子器件中，又可以设计成大幅面器件放置在自由空间太赫兹波光谱、成像和雷达等系统中使用，应用范围比较广泛。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件。
背景技术
太赫兹是频率范围从0.1～10THz(1THz＝1012Hz)的电磁波，处于微波与红外的过渡区域。 它的穿透力很强，太赫兹辐射光子能量低、对生物细胞的损害较小，覆盖了丰富的频谱资源， 大多数物质分子振动频率处于太赫兹波段，在大气和环境监测、生物医学和医学检验、无线 通信等重要领域有着巨大的应用前景。与微波电子学和红外光子学相比，太赫兹技术的研究 起步较晚，技术不够成熟，尤其在太赫兹器件方面问题尤为突出。但是自然界中存在的大多 数用于太赫兹调控的器件存在体积大、效率低等问题。人工超材料是一种由亚波长尺度的光 学天线组成的人工微结构，通过调整光学天线的材料、尺寸、几何形状和方向，可以控制散 射波的相位、振幅和极化。研究人员已经开始使用人工超材料来取代传统的波前调制元件， 几何相位超表面是人工超材料中的一种，其相位调节机制与入射波的频率无关，只取决于光 天线单元的方位角。因此，多被用于宽带的波前调制超表面的设计当中。Huang等通过将特 定的几何超表面与简化的合成光谱全息算法相结合，来处理具有多个记录通道的各种图像 [Adv.Mater.,27:6444-6449(2015)]。Song等通过设置每个纳米孔径的方位和几何尺寸，同时 实现了相位和振幅的调制[Appl.Phys.Lett.112,073104(2018)]。
然而，基于超表面的波前控制大部分是固定的，一旦被设计加工，它们的调制功能就固 定了，无法适用于动态调控的应用场合。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长,一些主动 的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证，例如，为了检测雷达中的目标，辐射波的波 束宽度和辐射方向需要不断调整。近年来，人们提出了用于太赫兹波前调制的有源超表面， 设计可调谐超表面的通常的做法是将超表面与半导体或相变材料相结合，利用材料特性的改 变实现超表面器件功能的调控。常见的调控方式有温控、电控、磁控等。其中，温控超表面 器件大多是通过将超表面与二氧化钒(VO2)相结合；电控超表面器件一般是将石墨烯或砷化镓 与超表面结合起来。与其他可调谐材料相比，液晶具有损耗低、易于制作等优点，因此，将 液晶与超表面结合有望实现良好的动态波前调控功能。Komar等将液晶渗透到硅纳米盘介电 超表面，通过控制超表面的温度在可见光波段将激光束从0°角切换到12°角的可切换光束 偏转器件[ACS Photonics.,5,1742(2018)]。Shabanpour等采用液晶作为相变材料，通过电控编 码序列分配给超表面单元，偏置电场独立地改变超表面单元的液晶排布，实现功能多样的波 前调控器件[Opt.Express.,29:420972(2021)]。但是，上述两例液晶主动波束控制器件的扫描 角度十分有限。更重要的是，它们均工作在可见光和近红外波段，在太赫兹波段由于其波长 远远长于可见与近红外光，其器件的工作原理和结构设计要求等有着本质的不同，这导致目 前针对太赫兹波束偏折主动控制的液晶器件还鲜有报道。而由于圆偏振波在目标探测、偏振 成像和手性物质检测等方面相较于线偏振波具有独特的优势，对圆偏振波的波束控制就显得 尤为重要，然而，太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件却尚无报道。
综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹波前调控器件的研制有着迫切 的需求，而波束扫描系统作为波前调控系统的重要分支，在成像、通信和雷达系统中具有重 要意义；另一方面目前报道的太赫兹波束扫描器件在调制效率、实际操作，工作带宽等方面 还无法满足应用系统的实际需求，急需发展调制效率高、可应用于实际操作的太赫兹圆偏振 波束扫描器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，解决背景技术中太赫兹相 位调制率低、波束扫描角度范围小等关键技术瓶颈。
本发明的技术方案为：太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件由两层玻璃衬底、两层结构化石 墨烯电极层、液晶层和几何相位超表面构成。两层结构化石墨烯电极层对液晶层同时起到初 始液晶分子定向排布和施加外部电场动态调控的作用，在未施加外电场时，液晶分子长轴沿 着初始锚定的方向排列，液晶层具有πrad的各向异性相位差，起到偏振转换作用；逐渐增大 外电场，使得液晶长轴完全沿着Z轴，液晶层不起到偏振转换作用，进而通过改变外电场而 使得入射到几何相位超表面的圆偏振光的偏振状态发生改变。而几何相位超表面是由在高阻 硅衬底上排列的矩形硅散射单元构成，几何相位超表面对圆偏振波提供正交偏振变换和空间 梯度相位排布，引起正交圆偏振波束的偏折。从而使得整个器件可以依靠施加不同的外加电 场，动态地实现圆偏振波束的偏振转换和角度扫描。
太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件包括：前玻璃衬底(1)、结构化石墨烯正电极层(2)、液晶 层(3)、几何相位超表面(4)、结构化石墨烯负电极层(5)、后玻璃衬底(6)。几何相位超表面(4) 和液晶层(3)位于双层玻璃衬底之间，液晶层(3)填充在前玻璃衬底(1)和几何相位超表面(4)之 间，包括矩形硅散射单元的空隙部分在内的液晶层的总厚度为h2，其大小为600～700μm，液 晶层(3)采用的液晶材料是一种大双折射向列相液晶，其在太赫兹波段的双折射率系数为 0.28～0.32。几何相位超表面(4)由一系列在X-Y二维平面内周期性排列的超单元组成，每个超 单元沿着X方向的长度为PX＝800μm，沿着Y方向的长度为PY＝200μm，每个超单元包括四 个矩形硅散射单元(7)，其是由在高阻硅衬底上通过光刻工艺和硅深刻蚀工艺获得的，这四个 矩形硅散射单元(2)的大小相同，高度为h3＝250μm～300μm，长度为a2＝120～140μm，宽为 a1＝30～40μm，X-Y平面内相邻矩形硅散射单元(7)间的中心间距均为P1＝200μm，但在X-Y平 面内的长轴取向角度不同，其取向角依次为θ1＝0°、θ2＝45°、θ3＝90°和θ4＝135°，相邻两 个单元间的几何相位差均为π/2，每个超单元间的相位差均为2π。该几何相位超表面被夹在 两层玻璃衬底之间，前玻璃衬底(1)和后玻璃衬底(6)均为厚度h1＝h6＝150μm～300μm的非掺杂 熔融石英光学玻璃。在前玻璃衬底(1)和后玻璃衬底(6)内表面均铺设一层石墨烯层，由激光直 写工艺将石墨烯层在X-Y二维平面内沿X方向刻蚀为周期为P＝1～2μm、宽度x＝200nm～500nm 的光栅结构，构成结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)。
太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件的工作方法是：入射波为左旋或右旋圆偏振波，沿着Z 轴入射太赫兹圆偏振波束扫描器件。当在结构化石墨烯正电极层和结构化石墨烯负电极层未 施加外电场时，液晶分子长轴沿着初始锚定的方向排列，液晶层具有πrad的各向异性相位差， 起到偏振转换作用；随着外加电场增大，施加5V/mm的外电场后，液晶长轴开始朝向Z轴 转动，当外电场大于10V/mm后，液晶长轴完全沿着Z轴，液晶层不具有各向异性相位差， 不起到偏振转换作用。几何相位超表面对圆偏振波提供正交偏振变换和空间梯度相位排布， 引起入射圆偏振波可以转化为与之正交的圆偏振波且发生波束的偏折。因此，在未施加电场 时，由于液晶层和几何相位超表面总的各向异性相移为2πrad，出射波的偏振态依然保持原 来旋向的圆偏振波，出射波在几何相位分布的波前调控下偏折角度为-16～-32°；当外加电场 达到10V/mm时，由于液晶层各向异性相移改变为各向同性，液晶层不起到偏振转换作用， 几何相位超表面将入射波偏振态转换为相反旋向的圆偏振态，出射方向完全偏折到相反方向， 偏折角度为+16～+32°；因此，在0.7～1.3THz范围内，器件最大扫描角度范围为32～64°。
本发明的有益效果和优点是：
1.采用液晶用作可调谐材料，具有损耗低、易于加工制作、工作于太赫兹频段时具有优 异的介电可调性能等优点；采用硅作为器件制作材料，成本较低，有高的介电常数，能够与 太赫兹波产生强的电磁相应；采用几何相位超表面，其相位调节机制与入射波的频率无关， 使得该器件可以在0.7～1.3THz的宽带范围内实现动态波前扫描；该器件采用纯电控的方式来 实现光束偏转，在可靠性和响应速度等方面更有优势；利用紫外胶封装起来，易于制作，加 工难度低，提高器件使用寿命和稳定性；
2.采用几何相位超表面与液晶层相结合的结构器件，在未施加电场时，液晶层和几何相 位超表面总的各向异性相移为2πrad；当外加电场达到10V/mm时，液晶层和几何相位超表 面总的各向异性相移转化为πrad，此外，该器件不仅可以在0.7～1.3THz的宽带范围内灵活地 操控圆偏振波，而且最大扫描角度范围为32～64°。
3，该器件为微结构器件，不需要体积较大的光学元件和光学系统，可以进一步压缩扫 描装置的体积，更加适应于微型化、集成化光束扫描技术发展的趋势；太赫兹雷达、太赫兹 通信等都需要使用太赫兹对特定探测空间进行有效的扫描，因此，该器件可以应用于太赫兹 雷达、太赫兹通信等领域；基于几何相位超表面的各向异性结构实现了波前操纵，因此该结 构可以扩展到其他类型的动态光子器件，如动态全息图发生器和动态涡旋光束发生器。
附图说明
图1是太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件的三维结构示意图；
图2(a)是该器件的侧视图；
图2(b)是该器件的前视图；
图2(c)是结构化石墨烯电极层的结构图；
图3(a)是该器件中液晶主轴位于X-Y平面的工作原理图；
图3(b)是该器件中液晶主轴沿Z轴的工作原理图；
图4(a)-(c)分别为入射光和出射光均为右旋圆偏振光时，液晶主轴沿X轴、Y轴和Z轴时 的的相邻两个单元间的几何相位差相位差谱线；
图4(d)-(f)分别为入射光为右旋圆偏振光出射光为左旋圆偏振光时，液晶主轴沿X轴、Y 轴和Z轴时的的相邻两个单元间的几何相位差相位差谱线；
图5(a)是右旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿X轴的远场图；
图5(b)是右旋圆偏振光入射时，液晶主轴位于X-Z平面内且与X轴的夹角为45°时的远 场图；
图5(c)是右旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿Y轴的远场图；
图5(d)是右旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿X轴的远场图；
图5(e)是右旋圆偏振光入射时，液晶主轴位于X-Z平面内且与X轴的夹角为45°时的远 场图；
图5(f)是右旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿Z轴的远场图；
图6(a)是左旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿X轴的远场图；
图6(b)是左旋圆偏振光入射时，液晶主轴位于X-Z平面内且与X轴的夹角为45°时的远 场图；
图6(c)是左旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿Y轴的远场图；
图6(d)是左旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿X轴的远场图；
图6(e)是左旋圆偏振光入射时，液晶主轴位于X-Z平面内且与X轴的夹角为45°时的远 场图；
图6(f)是左旋圆偏振光入射时，液晶主轴沿Z轴的远场图；
图中：前玻璃衬底(1)、结构化石墨烯正电极层(2)、液晶层(3)、几何相位超表面(4)、结 构化石墨烯负电极层(5)、后玻璃衬底(6)、矩形硅散射单元(7)。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件做详细阐述。
器件的结构如图1和图2所示，液晶层和几何相位超表面位于双层玻璃衬底之间，液晶 层填充在前玻璃衬底和几何相位超表面之间，包括矩形硅散射单元的空隙部分在内的液晶层 的总厚度为h2＝650μm，液晶层采用的液晶材料是一种大双折射向列相液晶，其在太赫兹波段 的双折射率系数为0.3，前后两层玻璃衬底的厚度为h1＝h6＝300μm的非掺杂熔融石英光学玻 璃，在两层玻璃衬底内表面均铺设一层石墨烯层，由激光直写工艺将石墨烯层在X-Y二维平 面内沿X方向刻蚀为周期为P＝1μm、宽度x＝500nm的光栅结构，构成结构化石墨烯正电极 层和结构化石墨烯负电极层，对液晶层同时起到初始液晶分子定向排布和施加外部电场动态 调控的作用。图中液晶主轴初始锚定方向朝向Y轴方向，其可以通过外加电场的增加而逐渐 朝向Z轴。几何相位超表面由一系列在X-Y二维平面内周期性排列的超单元组成，每个超单 元沿着X方向的长度为PX＝800μm，沿着Y方向的长度为PY＝200μm，每个超单元包括四个 矩形硅散射单元，其是由在高阻硅衬底上通过光刻工艺和硅深刻蚀工艺获得的，刻蚀深度为 h3＝250μm，这四个矩形硅散射单元的大小相同，长度为a2＝132μm，宽为a1＝33μm，X-Y平 面内相邻矩形硅散射单元间的中心间距均为P1＝200μm，但在X-Y平面内的长轴取向角度不 同，其取向角依次为θ1＝0°、θ2＝45°、θ3＝90°和θ4＝135°，相邻两个单元间的几何相位差 均为π/2，每个超单元间的相位差均为2π。
该器件的基本工作原理如下：液晶层可以受到外部电场的调控，结构化石墨烯正电极层 和结构化石墨烯负电极层分别涂抹在两层玻璃衬底内测对液晶层同时起到初始液晶分子定向 排布和施加外部电场动态调控的作用，若外加电场为零，液晶主轴由于双层石墨烯电极的定 向排列而初始锚定方向朝向Y轴，控制液晶层的厚度，使其对于一定频段的入射波而言，液 晶层的长轴和短轴方向对太赫兹波具有πrad的各向异性相位差。随着外部电压的增加，液晶 主轴方向由Y轴转为朝向Z轴，此时液晶对于入射偏振光不起调制作用。将此液晶填充到几 何相位超表面上，几何相位超表面是由在高阻硅衬底上排列的矩形硅散射单元构成的具有空 间变化轴的半波片，矩形硅散射单元的长轴和短轴方向对太赫兹波具有πrad的各向异性相位 差，四个矩形硅散射单元构成几何超表面的超单元的一个周期，周期内矩形硅散射单元的大 小相同，但在X-Y平面内的长轴取向角度不同，其取向角依次相差45°，如图4所示，相邻 两个单元间的几何相位差均为π/2，且每个超单元间的相位差均为2π，又因为矩形硅散射单 元的长轴和短轴方向对太赫兹波具有πrad的各向异性相位差，几何相位超表面对圆偏振波提 供正交偏振变换和空间梯度相位排布，故该几何相位超表面具有偏振转换和波前调控的作用。
该器件的工作方法是：该器件是有源器件，需要外部激励的控制，因此需要施加外部电 场。如图3所示，入射波为频率在0.7～1.3THz范围内的右旋圆偏振波，当外部电压为零时， 此时只有两层结构化石墨烯电极的初始锚定的作用，通过转动样品可以实现液晶主轴位于 X-Y平面内的转动。由图5(a)-(c)可知，随着液晶主轴在X-Y平面内旋转，由于液晶层和几何 相位超表面总的各向异性相移为2πrad，出射波仍然为右旋圆偏振波，出射波在几何相位分 布的波前调控下频率为1THz时的偏折方向不会发生变化且偏折角度为-23°。由图5(d)-(f) 可知，当在结构化石墨烯正电极层和结构化石墨烯负电极层逐渐增加外电场时，液晶主轴逐 渐朝向Z轴，液晶层不起到偏振转换作用，几何相位超表面将入射波偏振态转换为相反旋向 的圆偏振态且发生光束偏折，出射方向逐渐偏折到相反方向，偏折角度为+23°；因此，在频 率为1THz时，器件扫描角度范围为46°。由图6所示，若入射光束为左旋圆偏振光，经过 该器件的左旋圆偏振光的光束偏折方向与右旋圆偏振光的光束偏折方向相反，并且在1THz 时的最大调制角度为46°。
该器件采用大双折射液晶与几何相位超表面结合实现光束的动态调谐，在外电场的调控 下，液晶层和几何相位超表面总的各向异性相移从2πrad转化为πrad，该器件不仅可以在 0.7～1.3THz的宽带范围内灵活地操控圆偏振波，而且最大扫描角度范围为32～64°。相比较 于过去的可调谐材料与超表面的结合，液晶与硅作为器件制作材料的几何相位超表面的结合 具有损耗低、易于加工制作、成本较低、可调范围大等优点；该器件采用纯电控的方式来实 现光束偏转，在可靠性和响应速度等方面更有优势；采用紫外胶将液晶和几何相位超表面封 闭在两层玻璃中，增加了器件的稳定性和使用寿命。器件幅面可灵活设计，既可以集成在小 型太赫兹固态电子器件中，又可以设计成大幅面器件放置在自由空间太赫兹波光谱、成像和 雷达等系统中使用，应用范围比较广泛，此外，该结构可以扩展应用于动态全息图发生器和 动态涡旋光束发生器等。
Claims (7)
1.一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，所述器件由前至后依次排列为前玻璃衬底(1)、结构化石墨烯正电极层(2)、液晶层(3)、几何相位超表面(4)、结构化石墨烯负电极层(5)、后玻璃衬底(6)；其中，几何相位超表面(4)是由在高阻硅衬底上排列的矩形硅散射单元(7)构成，几何相位超表面(4)对圆偏振波提供正交偏振变换和空间梯度相位排布，引起正交圆偏振波束的偏折；结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)对液晶层(3)同时起到初始液晶分子定向排布和施加外部电场动态调控的作用，使得液晶层(3)对太赫兹波具有可调的偏振转换作用，从而使得整个器件可以依靠施加不同的外加电场，动态地实现圆偏振波束的偏振转换和角度扫描。
2.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，几何相位超表面(4)是由在高阻硅衬底上通过光刻工艺和硅深刻蚀工艺获得图形化的矩形硅散射单元(7)，矩形硅散射单元(7)的高度为250μm～300μm，长度为120～140μm，宽为30～40μm，X-Y平面内相邻矩形硅散射单元(7)间的中心间距均为200μm；矩形硅散射单元(7)的长轴和短轴方向对太赫兹波具有πrad的各向异性相位差，使得入射圆偏振波可以转化为与之正交的圆偏振波。
3.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，几何相位超表面(4)由一系列在X-Y二维平面内周期性排列的超单元组成，每个超单元包括四个矩形硅散射单元(7)，每个超单元沿着X方向的长度为800μm，沿着Y方向的长度为200μm；这四个矩形硅散射单元(2)的大小相同，但在X-Y平面内的长轴取向角度不同，其取向角依次为0°、45°、90°和135°，相邻两个单元间的几何相位差均为π/2，每个超单元间的相位差均为2π，几何相位超表面(4)的空间相位分布与频率无关。
4.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，包括矩形硅散射单元(7)的空隙部分在内，液晶层(7)的总厚度为600～700μm；液晶层(1)采用的液晶材料是一种大双折射向列相液晶，其在太赫兹波段的双折射率系数为0.28～0.32。
5.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，前玻璃衬底(1)和后玻璃衬底(6)为厚度150μm～300μm的非掺杂熔融石英光学玻璃。
6.根据权利要求1所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，在前玻璃衬底(1)和后玻璃衬底(6)内表面均铺设一层石墨烯层，由激光直写工艺将石墨烯层在X-Y二维平面内沿X方向刻蚀为周期为1～2μm、宽度200nm～500nm的光栅结构，构成结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)；该结构化石墨烯层具有导电性，其面电阻率<1kΩ/cm2，可以作为液晶层(3)的外加电场的正、负电极，施加沿Z方向外电场；同时该结构化石墨烯层的光栅微结构，又对液晶分子具有表面锚定力的作用，使得在未施加外电场时，液晶分子长轴沿着初始锚定的方向排列，液晶层(3)具有πrad的各向异性相位差，起到偏振转换作用；施加5V/mm的外电场后，液晶长轴开始朝向Z轴转动，当外电场大于10V/mm后，液晶长轴完全沿着Z轴，液晶层(3)不具有各向异性相位差，不起到偏振转换作用。
7.根据权利要求1至6所述的太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件，其特征在于，入射波为频率在0.7～1.3THz范围内的左旋或右旋圆偏振波，沿着Z轴入射太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件；当在结构化石墨烯正电极层(2)和结构化石墨烯负电极层(5)未施加外电场时，圆偏振波经过该器件后，由于液晶层(3)和几何相位超表面(4)总的各向异性相移为2πrad，出射波的偏振态依然保持原来旋向的圆偏振波，出射波在几何相位分布的波前调控下偏折角度为-16～-32°；随着外加电场增大，当液晶主轴由X-Y平面逐渐转向沿Z轴时，由于液晶层(3)各向异性相移改变，导致出射波的偏振态发生改变，出射方向也发生改变；当外加电场达到10V/mm，液晶层(3)不起到偏振转换作用，几何相位超表面(4)将入射波偏振态转换为相反旋向的圆偏振态，出射方向完全偏折到相反方向，偏折角度为+16～+32°；因此，在0.7～1.3THz范围内，器件最大扫描角度范围为32～64°。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210477144.0A CN114911084B (zh) | 2022-05-03 | 2022-05-03 | 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210477144.0A CN114911084B (zh) | 2022-05-03 | 2022-05-03 | 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114911084A true CN114911084A (zh) | 2022-08-16 |
| CN114911084B CN114911084B (zh) | 2023-10-24 |
Family
ID=82764830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210477144.0A Active CN114911084B (zh) | 2022-05-03 | 2022-05-03 | 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114911084B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115541602A (zh) * | 2022-12-01 | 2022-12-30 | 常州微亿智造科技有限公司 | 产品缺陷检测方法 |
| CN117369028A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-01-09 | 重庆邮电大学空间通信研究院 | 一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面 |
| CN117826307A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-04-05 | 北京信息科技大学 | 一种基于超材料结构的中红外偏振转换器及其制备方法 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1336874A2 (en) * | 2002-02-13 | 2003-08-20 | MERCK PATENT GmbH | Method of preparing an anisotropic polymer film on a substrate with a structured surface |
| US20100181845A1 (en) * | 2008-09-27 | 2010-07-22 | Ron Fiorello | Temperature compensation in a wireless transfer system |
| KR101504956B1 (ko) * | 2014-04-16 | 2015-03-23 | 연세대학교 산학협력단 | 그래핀을 이용한 액정 디스플레이 배향막의 형성 방법 |
| WO2016194961A1 (ja) * | 2015-06-04 | 2016-12-08 | 国立大学法人大阪大学 | 反射構造体、機器、及び反射構造体の製造方法 |
| CN106653221A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-10 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 一种石墨烯透明导电膜及其制备方法 |
| WO2018067246A2 (en) * | 2016-08-24 | 2018-04-12 | President And Fellows Of Harvard College | Arbitrary polarization-switchable metasurfaces |
| US20180107072A1 (en) * | 2016-05-20 | 2018-04-19 | Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Liquid crystal panel structures containing functionalized graphene layers and methods of preparing functionalized graphene layers |
| CN108020972A (zh) * | 2016-11-03 | 2018-05-11 | 北京大学 | 一种基于pet/石墨烯柔性基材作为液晶导电层及取向层的液晶薄膜的制备方法 |
| US20180284518A1 (en) * | 2017-03-30 | 2018-10-04 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Graphene As An Alignment Layer And Electrode For Liquid Crystal Devices |
| US20190079321A1 (en) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | California Institute Of Technology | Active metasurfaces for dynamic polarization conversion |
| CN112952392A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-11 | 东南大学 | 一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面 |
| CN113687453A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 华南理工大学 | 一种可变焦近红外超表面透镜及其控制方法 |
-
2022
- 2022-05-03 CN CN202210477144.0A patent/CN114911084B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1336874A2 (en) * | 2002-02-13 | 2003-08-20 | MERCK PATENT GmbH | Method of preparing an anisotropic polymer film on a substrate with a structured surface |
| US20100181845A1 (en) * | 2008-09-27 | 2010-07-22 | Ron Fiorello | Temperature compensation in a wireless transfer system |
| KR101504956B1 (ko) * | 2014-04-16 | 2015-03-23 | 연세대학교 산학협력단 | 그래핀을 이용한 액정 디스플레이 배향막의 형성 방법 |
| WO2016194961A1 (ja) * | 2015-06-04 | 2016-12-08 | 国立大学法人大阪大学 | 反射構造体、機器、及び反射構造体の製造方法 |
| US20180107072A1 (en) * | 2016-05-20 | 2018-04-19 | Shenzhen China Star Optoelectronics Technology Co., Ltd. | Liquid crystal panel structures containing functionalized graphene layers and methods of preparing functionalized graphene layers |
| WO2018067246A2 (en) * | 2016-08-24 | 2018-04-12 | President And Fellows Of Harvard College | Arbitrary polarization-switchable metasurfaces |
| CN108020972A (zh) * | 2016-11-03 | 2018-05-11 | 北京大学 | 一种基于pet/石墨烯柔性基材作为液晶导电层及取向层的液晶薄膜的制备方法 |
| CN106653221A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-10 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 一种石墨烯透明导电膜及其制备方法 |
| US20180284518A1 (en) * | 2017-03-30 | 2018-10-04 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Graphene As An Alignment Layer And Electrode For Liquid Crystal Devices |
| US20190079321A1 (en) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | California Institute Of Technology | Active metasurfaces for dynamic polarization conversion |
| CN112952392A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-11 | 东南大学 | 一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面 |
| CN113687453A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-23 | 华南理工大学 | 一种可变焦近红外超表面透镜及其控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| FEI FAN等: "Active terahertz beam deflection and nonreciprocal spin chirality selection based on magneto-optical P-B metasurface with stacked-graphene layers", OPTICS LETTERS, vol. 47, no. 4 * |
| 冀允允: "太赫兹液晶相位调制器件研究", 南开大学硕士学位论文 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115541602A (zh) * | 2022-12-01 | 2022-12-30 | 常州微亿智造科技有限公司 | 产品缺陷检测方法 |
| CN115541602B (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-07 | 常州微亿智造科技有限公司 | 产品缺陷检测方法 |
| CN117369028A (zh) * | 2023-11-20 | 2024-01-09 | 重庆邮电大学空间通信研究院 | 一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面 |
| CN117369028B (zh) * | 2023-11-20 | 2024-05-17 | 重庆邮电大学空间通信研究院 | 一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面 |
| CN117826307A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-04-05 | 北京信息科技大学 | 一种基于超材料结构的中红外偏振转换器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114911084B (zh) | 2023-10-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Tunable broadband polarization rotator in terahertz frequency based on graphene metamaterial | |
| CN114911084B (zh) | 一种太赫兹液晶圆偏振波束扫描器件 | |
| CN108802862B (zh) | 一种基于石墨烯超表面的反射式圆极化平面超透镜 | |
| Yang et al. | Efficiency tunable broadband terahertz graphene metasurface for circular polarization anomalous reflection and plane focusing effect | |
| CN112952392B (zh) | 一种液晶调控太赫兹数字可编程超表面 | |
| Chen et al. | Dual-manipulation on wave-front based on reconfigurable water-based metasurface integrated with PIN diodes | |
| CN111273467A (zh) | 基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置 | |
| Yang et al. | Fully electronically phase modulation of millimeter-wave via comb electrodes and liquid crystal | |
| Yang et al. | Broadband transparent terahertz vortex beam generator based on thermally tunable geometric metasurface | |
| CN112162421A (zh) | 一种基于多层石墨烯-介质复合超表面的反射式宽带可调偏振转换器 | |
| Wang et al. | Independently tunable bifunctional terahertz metasurface based on double-layer graphene | |
| CN107591625A (zh) | 一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元 | |
| Wang et al. | Active wavefronts control with graphene-functionalized terahertz Metasurfaces | |
| Qureshi et al. | Graphene-based triple-band tunable metasurface with strong circular dichroism for Hz communication | |
| CN110246956B (zh) | 一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件 | |
| Zhang et al. | A tunable ultra-wideband cross-polarization conversion based on the band splicing technology | |
| Zhang et al. | Linear-to-circular polarization converter with adjustable bandwidth realized by the graphene transmissive metasurface | |
| Wang et al. | Photoelectrically-excited terahertz metasurface for switchable and tunable broadband propagation and polarization manipulations | |
| Fu et al. | Two-dimensional terahertz beam manipulations based on liquid-crystal-assisted programmable metasurface | |
| WO2022088203A1 (zh) | 一种可调太赫兹信号偏折器及其制备方法 | |
| Wang et al. | Wide-angle chiral polarization converter for reflection and transmission modes | |
| Zhou et al. | Dynamically switchable polarization-independent and broadband metasurface perfect absorber in the visible and near-infrared spectra regime | |
| Huang et al. | Graphene-enabled active terahertz focusing with wide tuning range | |
| CN110515254B (zh) | 一种非互易磁光太赫兹波束扫描器 | |
| Shao et al. | Electrically reconfigurable microwave metasurfaces |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |