基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置，包括由下至上依次层叠的衬底、反射镜、电介质隔离层、由在线栅形超构表面电极中相邻栅极间灌注液晶形成的超构表面结构层、以及透射介质层，p偏振方向设定频率的太赫兹电磁波束由透射介质层射入；当超构表面电极接入外加电压时，对液晶施加的电压方向与太赫兹电磁波束传输方向正交。其中，超构表面电极中的间隔栅极彼此串联，形成叉指阵列电极，各间隔栅极接入相同的外加电压；或者超构表面电极中的各栅极彼此独立，用于分别控制接入各栅极的外加电压。本发明专利技术通过对液晶施加与太赫兹电磁波束传输方向正交的电压，并在可观的调制速率下实现对太赫兹电磁波束的波前相位控制。

Terahertz wavefront phase control device based on liquid crystal and line grid shaped super structure surface

【技术实现步骤摘要】
基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置
该专利技术可被应用于太赫兹波段电磁波相位调制相关的领域，更具体的，涉及一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置。
技术介绍
在太赫兹波技术应用领域，在微纳尺度快速地对太赫兹波信号的强度、相位等信息实现快速、高效的调制对很多太赫兹波的应用具有重大意义。超构表面(Metasurface)，指的是由亚波长结构构成的电磁天线阵列。在介观尺度，通过对光学天线形貌及其排布的合理设计，超构表面可以在二维平面内有效地调控电磁波的振幅、相位和偏振等参量，突破传统电磁定律的限制，实现在亚波长尺度上对电磁波进行有效裁剪。液晶是一种介电各向异性材料，在外加电场的作用下，液晶分子的排列方向将随电场的大小发生改变，从而改变其介电常数大小。基于液晶材料介电常数电控可调的特性，与超构表面结合，可以广泛应用于各种太赫兹波相位调制器件和强度调制器件中。2019年Yin等研究学者报道了一种基于液晶和金属等离子体超材料(Metamaterial)的电光太赫兹波强度调制器件，这种电光强度调制器件利用液晶灌注到经过设计的双层超材料中形成复合结构，通过外加电压，可以改变液晶的光学性质，从而改变器件谐振对应的频率，进而实现对特定频率反射光束的强度调制。2020年FanChang等研究学者报道了一种基于液晶和硅介质超构表面的太赫兹相位调制器，这种电光强度调制器件利用液晶灌注到硅超构表面中形成复合结构，通过外加电压，可以改变液晶的光学性质，从而改变器件的光学响应，进而实现对透射光束相位的调制。上述两种电光器件，均在太赫兹波段实现了对电磁波束强度或相位的大幅度调制。但是，用来给液晶施加电压的电极间距均在百微米级。这些问题会带来器件的调制速率慢和外加电压高等制约局限，进而限制它们的实际应用。具体分析如下：液晶的响应时间包括增加电场的上升时间τon和降低电场的下降时间τoff，可分别表示为：其中，τ0为液晶指向矢变化到原来1/e的时间；γ1为液晶的粘滞系数；K33是弯曲弹性常数；d是液晶电极间距。V是外加电压；Vth是外加电压的阈值电压。由公式可以得出，液晶电极间距过大会严重影响液晶在电压上升和下降时的响应时间，而增加外加电压可以减小电压上升时的响应时间。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供了一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位调制装置。本专利技术能通过外加电压并在可观的调制速率下实现对太赫兹电磁波束的波前相位调制。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提出的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，包括由下至上依次层叠的衬底、反射镜、电介质隔离层、由在线栅形超构表面电极中相邻栅极间灌注液晶形成的超构表面结构层、以及透射介质层，p偏振方向设定频率的太赫兹电磁波束由所述透射介质层射入；当所述超构表面电极接入外加电压时，对所述液晶施加的电压方向与太赫兹电磁波束的传输方向正交。进一步地，所述超构表面电极中的间隔栅极彼此串联，形成叉指阵列电极，各间隔栅极均接入相同的外加电压。或者，所述超构表面电极中的各栅极彼此独立，用于分别控制接入各栅极的外加电压。进一步地，所述超构表面电极的周期为亚波长尺度，相邻两栅极的间距为1～50微米；所述超构表面电极中各栅极均分别为由对太赫兹电磁波束透明且导电的材料构成的单层，或者，均分别为由导电层和所述单层构成的复合层；所述单层的厚度为亚波长尺度，所述导电层的厚度为10纳米～1微米。进一步地，所述太赫兹电磁波束的设定频率为0.1THz～5THz。本专利技术具有以下显著优点：本专利技术基于液晶的光学特性设计了一种对太赫兹波相位具有强响应的超构表面结构。通过合理的设计，在液晶折射率的变化下，结构可对0.1THz～5THz频率范围的p偏振方向的太赫兹波形成300°以上的相位变化。同时，由于本专利技术装置是基于线栅形超构表面电极在与电磁波传输方向正交的方向施加电压，控制液晶的电极间距在十微米级或微米级(比传统的太赫兹波段液晶调制器电极间距缩小了约10倍的尺寸)，可以实现更高的调制速率并有效地减小施加电压的幅度。此外，每根线栅超构表面电极的电压可以独立控制，因此可以有效地调控出射太赫兹波的波前相位分布；进一步地，通过不同的电极施加电压方式，可以实现对太赫兹波束的相位、波前(会聚和偏转等)、偏振的调制功能。由于结构尺寸与应用电磁波的波长相关，该装置通过更换材料和比例缩放，同样可以应用到微波、红外、可见光波段。附图说明图1是本专利技术的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置的剖视图，其中超构表面电极采用单层。图2是图1所示太赫兹波前相位控制装置的俯视图。图3是本专利技术的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置的剖视图，其中超构表面电极采用复合层。图4是本专利技术的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置的俯视图，其中超构表面电极采用叉指阵列。图5是不施加外界电压时，本专利技术实施实例1的相位调制器中液晶分子取向示意图，其中太赫兹波入射方向为垂直纸面。图6是施加外界电压时，本专利技术实施实例1的相位调制器中液晶分子取向示意图，其中太赫兹波入射方向为垂直纸面。图7是本专利技术实施实例1中，在正入射情况下，太赫兹波的反射相位随液晶折射率增加的变化曲线。图8是本专利技术实施实例1中，在正入射情况下，太赫兹波的反射能量随液晶折射率增加的变化曲线。图9是本专利技术实施实例2中相控阵的结构示意图。图10是本专利技术实施实例2中相控阵实现反射波束定向偏转的原理示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。为了更好地理解本专利技术，以下详细阐述本专利技术提出的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置的应用实例。图1～图3显示了本专利技术提出的一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置的结构示意图。该波前相位控制装置包括由下至上依次层叠的衬底5、反射镜4、电介质隔离层3、由在线栅形超构表面电极2中相邻栅极间灌注液晶1形成的超构表面结构层、以及透射介质层6，p偏振方向设定频率(频率范围为0.1THz-5THz)的太赫兹电磁波束7由透射介质层6射入本波前相位控制装置；当超构表面电极2接入外加电压时，对液晶1施加的电压方向与太赫兹电磁波束7的传输方向正交。液晶1(图中，液晶1与超构表面电极2彼此接触，也可不接触)可灵活选取对太赫兹电磁波束7透明且具有双折射效应的各种液晶材料，如5CB、E7或掺杂有机大分子的液晶等，液晶1与超构表面电极2等厚。超构表面电极2的功能为导电和产生电磁谐振，如图2所示，为由彼此独立的若干栅极组成的线栅形阵列，相邻两栅极的间距根据应用波段(即太赫兹波段)灵活选取，一般为1～50微米。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，包括由下至上依次层叠的衬底、反射镜、电介质隔离层、由在线栅形超构表面电极中相邻栅极间灌注液晶形成的超构表面结构层、以及透射介质层，p偏振方向设定频率的太赫兹电磁波束由所述透射介质层射入；当所述超构表面电极接入外加电压时，对所述液晶施加的电压方向与太赫兹电磁波束的传输方向正交。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于液晶和线栅形超构表面的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，包括由下至上依次层叠的衬底、反射镜、电介质隔离层、由在线栅形超构表面电极中相邻栅极间灌注液晶形成的超构表面结构层、以及透射介质层，p偏振方向设定频率的太赫兹电磁波束由所述透射介质层射入；当所述超构表面电极接入外加电压时，对所述液晶施加的电压方向与太赫兹电磁波束的传输方向正交。


2.根据权利要求1所述的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，所述超构表面电极中的间隔栅极彼此串联，形成叉指阵列电极，各间隔栅极均接入相同的外加电压。


3.根据权利要求1所述的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，所述超构表面电极中的各栅极彼此独立，用于分别控制接入各栅极的外加电压。


4.根据权利要求1所述的太赫兹波前相位控制装置，其特征在于，所述超构表面电极的周期为亚波长尺度，相邻两栅极的间距为1～50微米；
所述超构表面电极中各栅极均分别为由对太...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨原牧，陈赛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11