近日，南京大學(xué)胡偉教授研究組提出并展示了一種液晶集成的動(dòng)態(tài)太赫茲超透鏡，并將相關(guān)工作以“Liquid Crystal Integrated Dynamic Terahertz Metalenses”為題發(fā)表于《激光與光子學(xué)評(píng)論》上（ Laser Photonics Rev. 2024, 2400869）。該器件將光取向液晶層的幾何相位與硅基超表面的兩種固定相位（動(dòng)力學(xué)相位與幾何相位）相結(jié)合，通過(guò)施加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)液晶幾何相位的開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)在偏振無(wú)關(guān)單焦點(diǎn)聚焦功能和自旋選擇的雙焦點(diǎn)聚焦功能之間按需切換。

研究背景

超表面通過(guò)設(shè)計(jì)排布特定人工亞波長(zhǎng)單元，在折射/反射表面引入離散的相位突變，從而在從紫外到射頻的大電磁波譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意的波前調(diào)制。這為光學(xué)元件提供了一種平面、緊湊的解決方案。利用多種不同原理的相位調(diào)制，基于超表面可實(shí)現(xiàn)諸如光束偏轉(zhuǎn)、聚焦、特殊模式產(chǎn)生、計(jì)算全息和完美吸收等不同功能，近些年來(lái)廣受研究人員的關(guān)注。然而，超表面的功能制備后隨即固化，不具備可調(diào)諧性，阻礙了其動(dòng)態(tài)應(yīng)用和多功能性。目前，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)超表面已然成為超表面研究領(lǐng)域的熱門(mén)話題。具有按需功能的動(dòng)態(tài)超表面符合光學(xué)小型化、集成化和多功能的趨勢(shì)，因此備受追捧。為了增強(qiáng)超表面的可調(diào)諧性，研究人員通過(guò)引入相變材料、MEMS、二維材料、半導(dǎo)體以及液晶等多種材料體系，從而在多元外場(chǎng)調(diào)控下實(shí)現(xiàn)對(duì)超表面的動(dòng)態(tài)功能切換。在上述提及的動(dòng)態(tài)材料體系中，液晶在較寬的電磁波譜內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)各向異性，同時(shí)具有多外場(chǎng)調(diào)諧特征，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光調(diào)制的理想材料。

在超表面家族中，超透鏡通過(guò)對(duì)電磁波進(jìn)行衍射實(shí)現(xiàn)聚焦、成像和光束路由等功能，在魯棒性和多功能性提升方面不斷深入發(fā)展。前者追求消色差、偏振無(wú)關(guān)性與高效率；后者可以提升層析成像系統(tǒng)、偏振成像系統(tǒng)和光譜儀的緊湊性與集成度。在單個(gè)超透鏡器件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)魯棒性與多功能性，將大大擴(kuò)展器件應(yīng)用，對(duì)景深成像和信道切換等應(yīng)用具有重要意義。

超透鏡設(shè)計(jì)與制備

該液晶集成超透鏡將光取向液晶層的幾何相位與硅基超表面的兩種固定相位相結(jié)合，控制電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)光取向液晶層幾何相位的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能切換，如圖1所示。首先，通過(guò)在硅基超表面排列不同長(zhǎng)寬與轉(zhuǎn)角的硅柱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)的傳播相位與圓偏振依賴的幾何相位調(diào)制；而后，設(shè)計(jì)液晶層取向賦予一項(xiàng)幾何相位直接補(bǔ)償上述超表面幾何相位。在無(wú)偏壓下實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)依賴的單焦點(diǎn)聚焦功能，而施加偏壓時(shí)（即液晶幾何相位關(guān)閉）實(shí)現(xiàn)自旋分離的雙焦點(diǎn)聚焦功能。

圖1：液晶集成動(dòng)態(tài)超透鏡在偏壓關(guān)閉與開(kāi)啟狀態(tài)下的相位構(gòu)成。

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)，研究人員通過(guò)嚴(yán)格篩選超原子庫(kù)構(gòu)建高效率硅基超表面，并與光取向液晶相結(jié)合。如圖2所示，該動(dòng)態(tài)超透鏡采用“三明治”結(jié)構(gòu)，大雙折射率液晶填充在由硅基超表面和熔融石英襯底構(gòu)成的液晶盒中，其取向由光取向劑SD1引導(dǎo)，并使用少層石墨烯作為太赫茲波段透明電極。研究人員通過(guò)參數(shù)掃描在仿真軟件中建立了硅柱超原子的數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于如下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)篩選出39個(gè)超原子，來(lái)構(gòu)建硅基超表面：1) 透射率大于72%；2) 所有超原子傳播相位可以覆蓋0-2??范圍；3) 相位延遲在 ?? ± 0.05?? 的范圍內(nèi)（即作為半波片工作）。而后，這些超原子按照特定的位置與轉(zhuǎn)角排列，從而滿足預(yù)設(shè)的幾何相位分布。進(jìn)一步地，研究人員使用DMD數(shù)字掩模光刻系統(tǒng)，將特定的液晶指向矢場(chǎng)分布寫(xiě)入SD1取向?qū)?，進(jìn)而引導(dǎo)大雙折射率液晶按照預(yù)設(shè)取向排列，以獲得特定的幾何相位（可電控開(kāi)關(guān)）。

圖2.a) 液晶集成動(dòng)態(tài)超透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；b) 所選超原子的透射率、傳播相位和相位延遲；c) 硅基超表面的顯微照片和局部放大的SEM圖像；d) 上圖：光取向液晶層的指向矢分布；下圖：標(biāo)有黑色虛線方格的區(qū)域的液晶層正交偏振顯微照片。

動(dòng)態(tài)聚焦與成像

研究人員通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了該液晶集成動(dòng)態(tài)超透鏡的聚焦切換效果。如圖3所示，研究人員對(duì)該動(dòng)態(tài)超透鏡分別在頻率為1.4 THz的左旋圓偏振、線偏振和右旋圓偏振太赫茲波進(jìn)行了驗(yàn)證。在無(wú)偏壓狀態(tài)下，該動(dòng)態(tài)超透鏡在所有偏振入射下均實(shí)現(xiàn)了焦距為15 mm的單焦點(diǎn)聚焦功能，呈現(xiàn)出顯著的偏振無(wú)依賴特性。在施加特定的外部交流電場(chǎng)（250 V，1 kHz方波信號(hào)）時(shí)，液晶的幾何相位被徹底關(guān)閉，器件體現(xiàn)出自旋分離的雙焦點(diǎn)聚焦特性，左旋圓偏振與右旋圓偏振分別聚焦于12 mm和20 mm處的兩個(gè)焦點(diǎn)。該動(dòng)態(tài)超透鏡在仿真與實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出與設(shè)計(jì)符合的聚焦效果，且器件的聚焦效率可達(dá)到30%。

圖3.a-c) 液晶集成動(dòng)態(tài)超透鏡在無(wú)偏壓狀態(tài)下分別對(duì)左旋、線偏和右旋偏振入射波的聚焦特性；a, b) x-z 平面上的仿真和實(shí)測(cè)強(qiáng)度分布；c) z = 15 mm時(shí) x-y 平面上的實(shí)測(cè)強(qiáng)度分布。d-f) 液晶集成動(dòng)態(tài)超透鏡在偏壓開(kāi)啟狀態(tài)下分別對(duì)左旋、線偏和右旋偏振入射波的聚焦特性；c, d) x-z 平面上的仿真和實(shí)測(cè)強(qiáng)度分布；f) 左圖和中上圖是 z = 12 mm時(shí) x-y 平面上的實(shí)測(cè)強(qiáng)度分布；右圖和中下圖是 z = 20 mm時(shí) x-y 平面上的實(shí)測(cè)強(qiáng)度分布。

研究人員進(jìn)一步利用“笑臉”掩模版驗(yàn)證了該液晶集成動(dòng)態(tài)超透鏡的動(dòng)態(tài)成像功能。如圖4所示，在無(wú)偏壓狀態(tài)下，物距與像距均為30 mm時(shí)，該動(dòng)態(tài)超透鏡可以對(duì)“笑臉”實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)依賴成像；而在施加外部偏壓下，將物距與像距調(diào)整為24 mm，該動(dòng)態(tài)超透鏡對(duì)“笑臉”僅可在左旋圓偏振與線偏振入射下實(shí)現(xiàn)成像，而對(duì)右旋圓偏振則成像在其它像面，實(shí)現(xiàn)自旋分離的成像。

圖4.a) 無(wú)偏壓狀態(tài)下，物距與像距均為30 mm時(shí)，偏振無(wú)關(guān)成像的測(cè)量示意圖；b) 無(wú)偏壓狀態(tài)下，左旋、線偏和右旋偏振入射成像的測(cè)量強(qiáng)度分布；c) 施加偏壓狀態(tài)下，物距與像距均為24 mm時(shí)，偏振無(wú)關(guān)成像的測(cè)量示意圖；d) 施加偏壓狀態(tài)下，左旋、線偏和右旋偏振入射成像的測(cè)量強(qiáng)度分布。

此外，研究人員還設(shè)計(jì)制造了橫向聚焦分離功能可開(kāi)關(guān)的液晶集成太赫茲超透鏡。在距離樣品垂直距離15 mm的水平面內(nèi)，該動(dòng)態(tài)超透鏡可以實(shí)現(xiàn)在偏振無(wú)依賴單焦點(diǎn)聚焦與自旋分離的離軸雙焦點(diǎn)聚焦功能間的切換，實(shí)現(xiàn)偏折角度±7.5°。該類動(dòng)態(tài)超透鏡在太赫茲波束路由應(yīng)用領(lǐng)域具有前景。

結(jié)論

該工作提出了一種液晶集成動(dòng)態(tài)太赫茲超透鏡，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。該工作采用光取向液晶層來(lái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償硅基超透鏡自旋選擇的幾何相位，通過(guò)控制外加電場(chǎng)，該動(dòng)態(tài)超透鏡可以在偏振無(wú)關(guān)的單焦點(diǎn)聚焦功能和自旋選擇的雙焦點(diǎn)聚焦功能之間進(jìn)行按需切換。這項(xiàng)工作為動(dòng)態(tài)太赫茲元件的開(kāi)發(fā)提供了全新的思路，在太赫茲層析成像、景深成像和太赫茲路由等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

致謝

南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院2022級(jí)直博生王琦光與副研究員葛士軍博士為論文共同一作，胡偉教授為通訊作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院于宏冠同學(xué)對(duì)本工作亦有重要貢獻(xiàn)。該工作受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金資助完成。作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）、南京寧萃光學(xué)科技有限公司（NCLCP）提供的光學(xué)元件與液晶材料支持。