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基于液晶弹性体超表面机械变形的主动太赫兹波束转向
发布时间:2023-02-21 18:43:14 阅读:139

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 张栋昌 编译

a)不同输出角度接收的时域信号。b)LCE超表面的红外调节示意图。c)柔性LCE超表面和c形分裂环的显微图像。中间的粗黑线表示线聚焦红外光的照射位置。d)0、200、300、400 mW红外泵浦下接收时域信号的傅里叶变换。插图表示LCE超表面的偏转。
来源:Xiaolin Zhuang, Wei Zhang, Kemeng Wang, Yangfan Gu, Youwen An, Xueqian Zhang, Jianqiang Gu, Dan Luo, Jiaguang Han and Weili Zhang

    传统的主动超表面研究主要集中在改变衬底的介电常数和渗透率,这往往会导致谐振效应和欧姆损失。而基于机械变形的可重构超表面可以避免这些问题。然而,目前以MEMS和fib诱导变形过程为代表的机械可重构超表面难以制造或弹性有限。液晶弹性体(liquid crystal Elastomer, LCE)作为一种新型液晶高分子材料,可以在温度升高或光照下实现可控和可恢复的弹性变形,在化学、材料和仿生学等领域引起了极大的兴趣。LCE良好的光学/热诱导变形性能表明,它将是一个在可重构超表面中发挥积极作用的优秀候选者,尽管到目前为止,它很少被用于调节超表面响应。

    天津大学太赫兹波研究中心顾建强教授和南方科技大学电气与电子工程系罗丹教授领导的科学家团队在《光科学与应用》杂志上发表了一篇新论文,他们合成了一种由液晶单体(RM006)、液晶交联剂(RM257)和光引发剂(Irgacure 651)组成的LCE。当温度超过相变点时,LCE单层内产生的应变会使整个LCE向分子平行方向一侧弯曲。

    课题组以LCE薄膜为柔性衬底,设计了以铝c形裂环为谐振腔的相位不连续超表面,实现了宽带太赫兹波前转向的主动操纵。超表面的线性相位梯度由8个相位间隔为π/4的c形分裂环周期性地排列在LCE衬底上。当入射太赫兹波通过超表面时,正交偏振的输出方向根据广义斯内尔定律发生偏转,从而产生太赫兹波前转向。

    本研究首先采用与理论预测相一致的数值模拟方法确定了c形裂环的具体尺寸,然后采用光刻、真空蒸发和湿法蚀刻工艺制备了设计的LCE样品。

    在基于异步采样的角度分辨全光纤太赫兹时域光谱系统中,测量了交叉极化波通过LCE超表面样品的输出角度。实验证明,LCE超表面在0.48~1.1 THz的输出角度范围为70°~ 25°,是一种出色的光束转向器。

    为了实现柔性LCE衬底的精确偏转,将中心波长为1030 nm的飞秒脉冲通过圆柱形透镜聚焦在样品边缘,在LCE衬底上形成焦点线。光热效应使LCE在辐照线附近发生弯曲,而非辐照部分保持平坦,从而实现了超表面的整体偏转。通过改变泵浦红外光的功率,研究人员可以控制LCE超表面的偏转角度,调制速度能够达到秒级。

    在四种泵浦功率下,LCE超表面发生不同程度的偏转。通过提高泵的功率,输出角度逐渐增大,且在低频时这种角度增量更为明显。采用最高功率红外泵浦,输出0.68 THz太赫兹波的最大调谐角度达到22°。

    研究人员指出:“我们进一步研究了所提出的LCE超表面作为太赫兹光束转向器、频率调制器和主动分束器的性能和前景。”

    “我们相信,我们的LCE超表面所展示的潜力为太赫兹波段的光束跟踪、频率滤波和温度传感提供了相当大的选择,这反过来又将推动下一代无线通信、太赫兹成像和太赫兹光谱检测的研发。这项工作中提出的设计原则可以扩展到其他频段,为活跃超表面的研究开辟了一条相当大的道路。”研究人员预测。

 
 

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