近日，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院陸延青教授研究組在利用液晶實現(xiàn)寬帶可調(diào)太赫茲波片的研究中取得重要進展。

由于技術與材料的限制，頻率處在0.1到10 THz之間的電磁波（即太赫茲波）在研究上一度成為電磁波譜上的空白。近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，科學家逐漸在太赫茲波產(chǎn)生、傳輸和檢測等方面取得了令人矚目的成績。太赫茲波由于其獨特的優(yōu)點，有望成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、生命醫(yī)療探測、高效綠色安檢和高速無線通信的全新手段，并在天文觀測、空間通訊和精密光譜測量等領域具有潛在的應用價值。

太赫茲研究與日俱增，但適用于該頻段的光子學器件，尤其是可調(diào)控器件依然是一個挑戰(zhàn)。液晶材料具有寬帶可 調(diào)的特性且擁有成熟的工業(yè)技術基礎，因而基于液晶的太赫茲可調(diào)器件研究引起了科研人員的廣泛關注。尋求成熟的可見光與通訊波段元器件（如：開關、衰減器、 濾波片、偏振控制器、路由器等）在太赫茲頻段的直接對映，并以此實現(xiàn)對太赫茲波的操控，已成為科技工作者的追求。

但一直以來該領域的研究面臨著幾個難題：

一，可見光和通訊波段通常采用的透明導電薄膜如氧化銦錫（ITO）等在THz頻段變得不再透明，因而在施加電場方面遇到嚴峻的挑戰(zhàn)；

二，液晶材料的雙折射 率隨波長增加而減小，在THz頻段顯著降低，而THz波的波長又是可見光的成百上千倍，要達到同樣的位相調(diào)制量，所需的液晶和厚度要達到毫米量級，使得液 晶的均勻配向無法實現(xiàn)。

上述兩個瓶頸嚴重的阻礙了該領域的發(fā)展。

圖1 、THz液晶波片示意圖及電極透過率

在該工作中，研究者系統(tǒng)解決了上述問題，并提出了一整套實用的解決方案。本工作選取進行相位延遲和偏振轉(zhuǎn)換的基本元件——波片作為實例。

液晶盒采取了一種獨特的結(jié)構(gòu)設計：

1. 選用亞波長金屬線柵同時作為高透過電極和內(nèi)置起偏器；

2. UVO處理的多孔石墨烯作為無偏振依賴特性的高透電極（》98%）；

3. 非接觸式光控取向作為無損傷的液晶配向技術；

4. 自行開發(fā)的在THz頻段低吸收損耗、大雙折射率的液晶材料NJU-004作為填充液晶材料。

圖2 、THz液晶可調(diào)波片測試及偏振轉(zhuǎn)換的驗證

最終在250 μm較小盒厚的條件下，實現(xiàn)了0.5-2.5 THz寬帶低電壓連續(xù)調(diào)諧的THz波片，并驗證了其偏振調(diào)控特性。在小體積、集成化、高效率、低能耗的實用液晶THz元器件方向上邁出了關鍵的一步。實現(xiàn)了液晶材料與THz技術的完美結(jié)合，在THz通信、傳感探測、分析、成像等領域具有廣泛的應用前景。