有源超構表面（active metasurface）以其可調(diào)諧的光學響應和平坦緊湊的形貌，正在成為下一代光學器件的核心。

特別是對于太赫茲波段，有源超構表面已被開發(fā)為用于光學斬波和壓縮傳感成像的熱門器件。然而，通過改變集成功能材料的介電參數(shù)進行性能調(diào)控存在嚴重的局限性和寄生損耗。

圖1 有源液晶彈性體超構表面設計

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，天津大學、南方科技大學和美國俄克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University）的研究人員組成的團隊在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“Active terahertz beam steering based on mechanical deformation of liquid crystal elastomer metasurface”的論文，提出了一種以液晶彈性體（LCE）為襯底、以C型開口環(huán)為諧振器的相位不連續(xù)超構表面，用于可控的寬帶太赫茲波前操縱。

通過紅外照明和直接加熱使液晶彈性體超構表面偏轉和彎曲，利用角分辨太赫茲時域光譜（THz-TDS）系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了對透射波前的有源控制。本文提出的液晶彈性體超構表面為基于機械變形的超構表面設計奠定了基礎，在下一代高速太赫茲無線通信和先進的T射線成像系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。

亞波長超構原子豐富的設計自由度使電磁波的操縱變得超乎想象。特別是隨著廣義斯涅爾定律（Snell's Law）的引入，出現(xiàn)了可以靈活控制電磁波傳播的超構表面，這完全避免了三維超構材料的制造和損耗困境。在眾多的相關研究中，那些響應可被外部控制的可調(diào)諧超構表面一直是研究的重中之重。在開創(chuàng)性地演示了太赫茲波段的電調(diào)諧有源開口環(huán)諧振器（SRR）陣列之后，人們提出了各種方法來控制超構原子的響應，從用于可見光的MgH?到用于微波的變?nèi)?a target="_blank">二極管。

對于太赫茲波段，有源超構表面的研發(fā)具有重要意義：一方面，有源超構表面部分緩解了太赫茲波段可調(diào)諧功能器件的稀缺性。基于有源超構表面的各種太赫茲器件已經(jīng)被驗證，例如可調(diào)諧濾波器、光學斬波器、壓縮傳感成像、群速度延遲線和類二極管器件等。另一方面，半導體、超導體、相變材料、二維材料和液晶的太赫茲介電常數(shù)容易受到偏置電壓、載流子摻雜和溫度變化等外部激勵的影響，從而產(chǎn)生了各種調(diào)諧方法。

然而，由于介電常數(shù)的變化非常有限，已有報道的太赫茲有源超構表面距離取代傳統(tǒng)器件和大規(guī)模用于太赫茲系統(tǒng)還很遠。最廣泛使用的方法是控制超構原子中半導體、超導體、二氧化釩和GST等材料的電導率。然而，在太赫茲波段，電導率的變化只能達到10??S/m數(shù)量級，這比金屬低兩個數(shù)量級，導致嚴重的歐姆損耗。

一個長期被忽視但有希望解決上述問題的方法是機械可調(diào)諧超構表面。由于它們的調(diào)諧源于機械變形，因此介電常數(shù)保持穩(wěn)定，不會引入額外的色散和損耗?；?a target="_blank">MEMS的有源超構表面已顯示出巨大的發(fā)展前景，但其制造門檻相對較高。

值得注意的是，最近液晶彈性體在軟體機器人和光學/熱誘導機械變形方面的成功，為機械調(diào)諧超構表面的響應提供了一種有前途的襯底材料。它們的變形可以通過光學和熱學來控制，并且具有很強的可重構性，使其適用于各種智能器件。然而，迄今為止，這種新興材料在太赫茲領域尚未得到廣泛關注。特別是，作為一種柔性襯底，其調(diào)控太赫茲波前的潛力非常廣闊，亟待開發(fā)。

在本文中，作者們提出了一種以液晶彈性體為襯底的基于C形開口環(huán)諧振器的相位不連續(xù)超構表面，用于太赫茲波前的紅外調(diào)諧。應用線聚焦紅外光來操縱液晶彈性體襯底的偏轉，實現(xiàn)了可控的寬帶波前轉向，在0.68 THz時最大輸出角度變化為22°。

他們還研究了加熱作為另一種控制方法，并與紅外控制進行了比較。他們進一步展示了液晶彈性體超構表面作為光束轉向器、頻率調(diào)制器和可調(diào)諧分束器的性能，這在太赫茲無線通信和成像系統(tǒng)中是迫切需要的。所提出的方案展示了機械可變形超構表面的良好前景，從而為可重構超構表面的發(fā)展鋪平了道路。

圖2 液晶彈性體超構表面的紅外調(diào)控

圖3 液晶彈性體超構表面的應用研究

圖4 液晶彈性體超構表面的熱調(diào)控

綜上所述，研究團隊設計了一種以液晶彈性體為襯底、以C型開口環(huán)為諧振器的相位不連續(xù)超構表面，用于可控的寬帶太赫茲波前操縱。從0.48至1.1?THz，液晶彈性體超構表面將正交偏振透射光束從70°轉向25°?；谝壕椥泽w的變形響應特性，他們采用紅外激光泵浦和直接加熱來實現(xiàn)超構表面的偏轉。

在400 mW紅外光泵浦下，在0.68 THz時實現(xiàn)了22°的輸出角增量。他們還展示了液晶彈性體超構表面作為光束轉向器、頻率調(diào)制器和可調(diào)諧分束器的巨大潛力。本文提出的液晶彈性體超構表面為基于機械變形的超構表面設計奠定了基礎，在下一代高速太赫茲無線通信和先進的T射線成像系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。

審核編輯：劉清