最近，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院胡偉、陸延青團(tuán)隊(duì)利用光控取向的液晶聚合物柔性薄膜開發(fā)出多功能平面太赫茲光子元件，提供了一種太赫茲波前調(diào)控的全新解決方案。該成果以Planar terahertz photonics mediated by liquid crystal polymers為題，于2020年2月5日在線發(fā)表在《先進(jìn)光學(xué)材料》上（Adv. Opt. Mater. 2020， 1902124）。

高速無線通信極大地促進(jìn)了我們的日常工作與生活。太赫茲（THz）波段的載波頻率比目前采用的射頻波段高得多，被認(rèn)為是未來大容量無線通信的載體。然而，與光頻或射頻波段相比，許多太赫茲技術(shù)還遠(yuǎn)不夠成熟。太赫茲頻段超過了電學(xué)放大器和混頻器中所必不可少的半導(dǎo)體材料的截止頻率，致使當(dāng)前廣泛采用的射頻電子元件不再兼容太赫茲波段。

面對上述挑戰(zhàn)，科學(xué)家開始研究基于光子學(xué)的解決方案。近年來，基于超表面的平面太赫茲光子元件由于可以自由地調(diào)控太赫茲波前而引起關(guān)注，但其內(nèi)在的歐姆損耗導(dǎo)致效率太低。介質(zhì)超表面和多層金屬超表面有望顯著提高效率，但其設(shè)計(jì)制造的復(fù)雜性限制了實(shí)際應(yīng)用。為了滿足未來太赫茲通信的迫切需求，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、低損耗、多功能的太赫茲光子元件勢在必行。

針對這一挑戰(zhàn)，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于光控取向液晶聚合物薄膜，提出了一種全新的平面太赫茲光子學(xué)解決方案。這類元件通過預(yù)設(shè)液晶聚合物的晶軸指向來實(shí)現(xiàn)對透過太赫茲加載上幾何相位調(diào)制。基于該原理，文章展示了多種太赫茲光子元件，如：波片、光束偏折器、透鏡、貝塞爾以及渦旋光產(chǎn)生器；實(shí)現(xiàn)了一系列適用于太赫茲無線通信的基本功能驗(yàn)證，包括：偏振控制、波束掃描、波束賦形和OAM模式復(fù)用等。

此外，液晶聚合物薄膜的柔性賦予了這類元件機(jī)械形變引起的可調(diào)諧性。在該工作中，液晶指向分布直接決定了元件的相位調(diào)制功能。因此只需直接對樣品進(jìn)行光取向編碼，無需復(fù)雜的模擬仿真和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；液晶聚合物材料及其旋涂和取向技術(shù)成熟，為該類元件的大規(guī)模生產(chǎn)提供了保證；通過改變膜厚可以優(yōu)化目標(biāo)頻率下的效率，該類元件在0.4——3THz的寬帶范圍內(nèi)，展示出了超過50％的效率；光取向液晶聚合物薄膜還可以用作其它太赫茲元件的襯底，從而通過集成進(jìn)一步降低太赫茲裝置的損耗；通過機(jī)械變形，賦予這些微結(jié)構(gòu)平面太赫茲光子元件可調(diào)諧特性，這對于動態(tài)光束轉(zhuǎn)向、多通道光束耦合、波束賦形具有重要意義。該工作為設(shè)計(jì)制備各類集成、低損、可調(diào)的太赫茲元件提供了一種可行方案。

圖1 （a）結(jié)構(gòu)取向的液晶聚合物柔性膜對太赫茲波前調(diào)控示意圖；（b）光束偏折器；（c）貝塞爾光束產(chǎn)生器；（d）渦旋光OAM產(chǎn)生器；（e）薄膜透鏡焦距的機(jī)械變形調(diào)控

該論文第一作者是2016級直博生沈志雄，胡偉教授和陸延青教授為本文的通訊作者，南京大學(xué)唐明劼碩士、陳鵬副研、周勝航同學(xué)、葛士軍副研、段薇博士和魏挺同學(xué)，清華大學(xué)梁曉教授對本文亦有重要貢獻(xiàn)。

該研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省杰青項(xiàng)目資助完成，同時感謝國家實(shí)驗(yàn)室微加工中心、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、南京大學(xué)十百千工程、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等平臺與項(xiàng)目的大力支持。

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