超材料/石墨烯协同的液晶调控太赫兹远场、近场研究

Versatile devices which can actively manipulate the terahertz (THz) far-field and near-field are in high demand for THz imaging, sensing and detecting. Liquid crystals (LCs) have proven to be a perfect means of fulfilling these needs in the visible and telecom bands. It is also a very promising candidate for the new platform of THz devices. Currently, LC-based THz tunable components have been widely proposed. Unfortunately, the narrow tunable range and very slow response time hamper their further development in practical applications. Here, a strategy to realize widely and fast tunability is proposed: 1) THz high-birefringence liquid crystal, 2) THz metamaterial with near-field enhancement and sub-wavelength resolution, 3) Few-layer porous graphene THz transparent electrode. By integrating the advantages of the three kinds of materials, it is expected to enhance the tunable range and improve the response time. By controlling the LC’s alignment in micro domain of metamaterial and graphene through a non-contact photo-alignment technique, this project would systematically research on the interaction between LC and THz waves to bridge the THz near-field and far-field. It will provide the theoretical and technological support for newly LC based THz imager, sensor and detector.

对THz器件远场、近场的控制，尤其是主动可调，在THz成像、传感和探测等诸多领域具有极大需求。液晶具有宽带可调特性且种类丰富，在可见光（显示）等波段有成熟的技术积累，使得液晶THz器件具有很多优势，但其可调范围小、响应速度慢等严重阻碍了实际应用。本项目将传统THz液晶器件与超材料/石墨烯相结合，利用1)在THz波段具有大双折射、快速响应等优良特性的液晶材料、2)具有局域场增强与亚波长分辨本领的THz超材料、3)自主研发的少层多孔石墨烯THz透明电极，设计制备超紧凑的电控THz功能器件，实现大范围、快速调控THz远场、近场。进一步充分利用光控取向技术精确控制液晶在超材料、石墨烯微区域上取向，深入研究THz远场和近场的变化规律，建立内在联系机制。该项目的实施将为基于液晶的新型THz成像、传感和探测器的研发提供理论依据与技术支持。

液晶是一种优异的可调控光电功能材料，基于液晶的太赫兹(THz)器件有着广泛的应用前景。但基于液晶的电调THz器件面临一些挑战：1.液晶在THz频段的双折射比较低；2.传统的透明电极如ITO在THz波段高反射，缺少高透过率的THz透明电极；3.大液晶盒厚带来的液晶取向效果差，工作电压高，响应速度慢等。.本项目研究目标为设计实现各种性能优异的基于液晶的大范围、快速可调THz超材料/石墨烯功能器件。主要研究内容包括：对THz波段大双折射、快速响应的液晶材料研究；对超材料/石墨烯THz功能器件远场的主动调控研究；对超材料/石墨烯THz功能器件近场的主动调控研究；基于液晶的超材料/石墨烯THz远、近场变化的内在机制研究。研究计划顺利执行，研究目标超额完成。.在远场方面，设计实现了在1THz左右，频率可调范围10%以上，振幅可调范围50%以上或相位可调范围π以上同时响应速度可达亚毫秒量级的THz器件。在近场方面，实现了在1THz左右，SPP工作频率可调范围5-10%；局域增强的电场强度可在10-10^4范围内调节，“热点”尺寸可调范围在100微米左右，同时响应速度可达亚毫秒量级。同时，运用光控取向技术，通过液晶，确立了精确的THz远、近场对应关系。.经过最近几年的研究，前述问题已经基本解决。下一步要发展性能更加优异的THz波段更大双折射液晶材料；研究其他新型液晶如蓝相液晶、铁电液晶在THz波段的特性；各种新型2D材料如MoS2，在THz液晶领域的应用；优化超材料设计，尤其对THz超材料近场主动调控与探测的研究，可用于THz超分辨成像等；优化液晶超材料天线阵列，实现高效THz波束赋形与扫描；研究液晶材料在THz强场作用下的非线性效应等。各种性能优异的液晶材料与超材料、2D材料三者相结合，必将在THz源、THz功能器件和THz探测器等领域发挥其独特作用。同时为基于液晶的新型THz成像、传感系统和微型光谱仪的研发提供理论依据与技术支持。