基于液晶的太赫茲波前調控器件研究進展

申彥春，王金蘭，王巧蓮，沈志雄，胡 偉

(1. 廣州鐵路職業技術學院 信息工程學院，廣東 廣州 510430；2. 南京大學 現代工程與應用科學學院，江蘇 南京 210093)

1 引 言

太赫茲(Terahertz, THz)波是指振蕩頻率為0.1～10 THz (對應波長范圍0.03～3 mm)的電磁波。其在電磁波譜中的位置介于微波與紅外波之間，是電子學(Electronics)與光子學(Photonics)的過渡區域，該區域是人類了解與開發最少的波段，存在與微波和光波不同的特性，蘊含著豐富的應用前景[1-3]。THz波的光子能量很低，大約是X射線的百萬分之一，非常適合生物活體檢測；THz波段覆蓋了蛋白質等諸多分子的振動和轉動頻率，構成了對應的“指紋”(Fingerprints)譜；由于THz波脈寬為亞皮秒量級，具有較高的信噪比，廣泛用于飛秒時間分辨的瞬態光譜研究與成像；THz波具有很高的時空相干性，便于從事材料的瞬態相干動力學研究；THz波的高帶寬特性，適用于寬頻無線通信。基于上述特點，THz技術在化學及生物成分標記、無損檢測、無線通信等領域引起了廣泛的關注[4-9]。與可見光、紅外和微波等頻段相比，THz頻段的研究起步較晚且不夠廣泛深入，但近年來，THz波的產生和探測技術不斷成熟，THz輻射源[10-12]、信號探測器[13-15]等器件的研究取得了顯著發展。然而THz波傳輸過程中的控制與調制技術仍處于起步階段，制約了THz系統的應用。傳統的THz光學元件，如THz波片、偏振轉換器等[16-18]，帶寬窄、體積大、不易集成且制作復雜、價格昂貴、可調諧性差，因此，探索小型化、易加工、低損耗、可調諧的新型THz波前調控元件，實現對THz波束高效、動態的調控將是THz光學元件的未來發展方向。

液晶(Liquid crystals)是一種可調的光電各向異性功能材料[19]，可以通過電場或磁場在可見光波段到微波波段的范圍內進行連續調節，利用液晶獨特電磁調諧性制備的液晶THz器件具有工藝簡單、成本低、體積小、質量輕的特點，將對THz技術的發展產生深遠影響[20-23]。不過，在THz波段應用液晶材料制備可調諧元件也面臨一些新的挑戰。一方面，在THz頻段主要應用的是向列相液晶材料，膽甾相液晶的應用也有少量文獻報道，例如利用其螺距的溫度敏感特性應用到THz波的可視化中[24]。向列相液晶的介電和光電各向異性相較于可見光波段顯著降低，同時吸收損耗增大，THz波段所需的大液晶盒厚會帶來取向、加電困難等問題。另一方面，在可見光及近紅外波段最常用的玻璃基板和ITO導電膜分別表現出較強的吸收和反射特性，因此需要重新尋找替代材料。為了解決上述問題，世界范圍內的科研人員進行了廣泛深入的探索，取得了技術突破。本文綜述了當前基于液晶的THz波前調控器件的最新研究進展，并對其發展趨勢進行了簡要討論。

2 純液晶型THz相位調制器件

早期THz液晶元件實現調制的方法是利用外加磁場改變液晶的指向矢分布[25-31]。潘犀靈教授研究組設計了可調的液晶THz相移器和濾波器，該設計利用磁場調節液晶介質的折射率來實現[25]。Chen等[26]提出了一種相位調控方法，該方法利用磁場為30 mm厚的液晶盒配向以實現相位調控。2016年，Yang等[30]提出了一種用弱磁場驅動隨機取向液晶的相位調制方法，該方法能夠實現較大的調制深度。由于大盒厚導致響應速度慢、驅動電壓高、調制效率低等問題，需要利用磁場調節液晶介質的折射率，但該方法設計制備復雜，不利于元器件的小型化和集成化。隨著THz波段高透過率、高電導率的透明電極材料的開發(例如ITO納米晶須、少層石墨烯和PEDOT∶PSS等[32-38])，科研人員采用多片疊層或將金屬條夾在液晶盒上下兩層基板之間的方法，在基板間橫向加場，進行電場調控[39]。由于液晶的折射率除受電場、磁場調制外還可以通過溫度來調制，因此也有一些THz液晶元件采用的是溫控調節[40-41]。液晶THz元件主要分為兩大類，一類是直接利用液晶本身對THz波進行調制，例如相移器、波片等；另一類是把液晶與超構表面進行集成，對其包覆的超構表面的電磁響應進行調制，例如超構表面濾波器、吸收器、光場調制器等。

2.1 可調相移器、波片

THz液晶相移器的結構設計是將液晶灌入均一取向的液晶盒內，通過外加電場或磁場調諧，使內部均一取向的液晶分子在加場前后的指向矢發生變化，從而得到兩種不同的液晶折射率(ne和no)。當THz波線偏振入射時，產生相位的變化。若要獲得盡量大的相移，則需要液晶的雙折射率及液晶層的厚度盡可能大。現有的相移器受結構厚度和液晶材料的限制，所實現的相位調控范圍不能覆蓋整個0～2π區間，同時由于大盒厚的影響，THz透過效率以及加場后液晶的響應速度均變小。受器件集成度和成本限制，科研人員逐漸摒棄了磁場調控方式而采用電場調控方式。下面分別介紹幾種THz液晶相移器。

Lin等[42]利用亞波長金屬線柵作為THz透明電極實現了一種自偏振的電調液晶相移器，在0.2～2 THz具有較高的偏振選擇透過率，該元件結構如圖1(a)所示。在制備有金屬線柵的上下石英基板間旋涂一層PI取向層，摩擦方向與線柵方向垂直，基板間填充256 μm厚的E7液晶，得到THz液晶元件，該元件具有較小的閥值電壓(小于20 V)和飽和電壓(約為130 V)，在1.88 THz處能夠實現最大π/3的相移(圖1(b))，在集成化的寬帶可調THz元件中具有廣泛的應用前景。Altmann等[43]同樣是在石英基板上制作金屬線柵作為電極，利用聚合物穩定液晶(PSLC)實現電調控相移器，該元件響應迅速，且聚合物網絡能夠誘導液晶的取向方向，元件無須取向層。Yang等[44]利用ITO納米晶須作為THz波段透明電極研發了一種THz相移器，結構如圖2(a)所示。該元件利用電子束掠射角沉積技術在基板表面傾斜地生長ITO納米晶須，使其可以同時作為THz波段透明電極和液晶取向層，該元件能夠在517 μm的大盒厚下實現液晶層的良好取向，而且在0～2.5 THz的寬頻率范圍內透過率能夠達到82%。該元件在1 THz處的相位延遲量超過π/2，透過率達到78%，驅動電壓低至5.66 V，且制作工藝與CMOS工藝相兼容。有機物PEDOT∶PSS具有良好的導電性且制備工藝簡單，在有機發光二極管(OLEDs)領域中應用廣泛[45]。Du等[37]采用該材料作為THz波段透明電極，設計了一種新型相移器，該元件在6.7 V的電壓驅動下，在1.17 THz處的相移最大值超過2/3π。

圖1 (a)一種自偏振液晶相移器結構示意圖；(b)產生的THz相移與施加電壓的關系。Fig.1 (a) Schematic illustration of aself-polarized LC phase shifter； (b) Dependency of THz phase shift on the applied voltage.

圖2 (a)采用ITO納米晶須作為電極和取向層的相移器結構示意圖；(b)產生的THz相移在不同施加電壓下隨頻率的變化關系。Fig.2 (a) Schematic illustration of a phase shifter with ITO nanowhiskers as the electrodes and alignment layers； (b) Dependency of THz phase shift on frequency with various applied voltages.

液晶波片的作用是改變入射波的偏振態。原理為：將入射THz波線偏振方向與液晶分子的長軸方向呈45°夾角，通過改變電壓大小可實現不同偏振態的出射。在未加電時，沿著長軸方向和垂直于長軸方向的偏振分量感受到不同的折射率從而產生相位差，導致出射時偏振態發生變化。加電可以調節液晶指向矢方向，進而調節相位差。在飽和電壓下，液晶分子垂直于上下基板排列，相位差減為0。

當前見著報道的波片結構有兩種，分別是透射式結構和反射式結構。其中，透射式結構是指依靠液晶的雙折射Δn產生正交偏振分量的相位差。Wang等[46]把金屬線柵和石墨烯電極相結合，設計制備了寬帶可調THz波片，結構如圖3(a)所示：上下兩層石英基板中間是250 μm的大雙折射液晶材料NJU-LDn-4[47]，該材料在1 THz附近雙折射率達到0.3。其中，上基板內表面覆蓋亞波長金屬線柵，線柵周期20 μm，金屬線寬10 μm，可同時作為透明電極和偏振片，偏振透射效果如圖3(b)所示。金屬線柵上涂覆一種光敏偶氮取向材料SD1[48-49]，取向方向和線柵方向呈45°以實現波片功能。下基板采用石墨烯作為透明電極，經過紫外臭氧處理之后，產生的多孔石墨烯在THz波段的透過率高達97%。然后在石墨烯層上旋涂SD1材料實現均勻液晶取向。在金屬線柵和石墨烯上加電能使液晶盒的相位延遲量發生變化，從而改變入射光的偏振態(圖3(d))。該元件單盒結構在1 THz處相位調制量達到π/2，為了增大調制量，采用了雙層疊盒結構(圖3(c))，疊盒后在1 THz處相位調制量達到π。該元件能夠實現偏振態的連續調制，且控制電壓小于50 V。Sasaki等[50]提出了一種將石墨烯作為驅動對液晶進行取向的方法，該方法能夠延遲偏振THz波的相位。2018年，Ji等[51]提出了一種寬帶可調THz波片，該波片采用石墨烯光柵驅動液晶進行取向。由于傳播相位的波長相關性，色差是液晶THz調波器件不可避免的問題。Yang等[52]通過人為提供相位補償，在相對較寬的頻域范圍內實現了相同的相位調制量。如圖4(a)所示，該波片由3個液晶盒構成，每個盒由兩片石英基片中間夾一層均勻取向的液晶，每個盒之間有一定的取向夾角。該元件通過電調實現在0.2～0.8 THz處相位調制量達到π/2，實現寬頻1/4波片的功能(圖4(b))。2017年，Wang等[53]提出了一種反射式可調THz波片，如圖5(a)所示。偏振方向垂直于光柵方向的THz波透過金屬線柵進入液晶層后被反射，偏振方向平行于光柵方向的THz波到達金屬線柵再返回，兩束光由于經過的路徑不同，因而存在一定的光程差。由于液晶THz器件可以利用電場進行調節，可在一定的頻率范圍內實現半波片功能。2016年，Zografopoulos等[54]也提出了一種基于金屬-液晶-金屬結構的反射式THz液晶波片，并得出在相同相位差的前提下，反射式波片所需液晶層厚度遠小于透射式波片。在相同液晶層厚度前提下，反射式波片的相位差動態可調范圍是透射式波片的兩倍。通過改變入射角，可以實現偏振轉換和波束掃描功能。但在實際應用中，受限于THz光路系統，透射模式比反射模式的應用更廣泛。

圖3 (a)透射式液晶THz波片結構示意圖；(b)金屬線柵的對TE波和TM波的偏振選擇特性；(c)雙層疊盒結構；(d)在2.1 THz頻率處出射偏振態隨著施加電壓的變化關系。Fig.3 (a) Schematic of a LC THz waveplate working on the transmission mode； (b) Polarization selected transmission of metallic gratings with TE and TM incidences； (c) Stacking cell structure； (d) Polarization evolution at 2.1 THz with various applied voltages.

圖5 (a)一種反射式波片結構示意圖；(b)產生的THz相移在不同施加電壓下隨頻率的變化關系。Fig.5 (a) Schematic of a waveplate working on the reflection mode； (b) Dependency of THz phase shift on frequency with various applied voltages.

2.2 液晶幾何相位調制器

上述液晶THz器件實現了對波前均一調制的功能，但結構簡單，功能單一。近年來，隨著圖案化光取向技術的發展，幾何相位的概念被引入到液晶體系中[55-59]。與傳播相位利用光程產生相位差不同，幾何相位是由偏振在空間兩點間變化導致路徑不同而引入的，只與各向異性材料在空間的旋轉方向有關[60]。胡偉、陸延青研究組利用一種具有偏振敏感特性并且可以重復光擦寫的偶氮苯類光取向材料SD1，結合自行設計制造的數字微鏡陣列(DMD)動態掩模紫外曝光系統[61]，可用于液晶的任意不均勻取向[62]。基于此，在可見光波段開發了大量液晶光場調控器件[63-67]，可用于渦旋光和艾里光等多種特殊光場的操控，在光學系統以及微納加工等眾多領域都有應用。可見光波段的光場調控元件，同樣可以應用到THz波段，為THz的動態高效調控提供參考。

圖6所示為動態掩模紫外曝光系統的結構示意圖。簡單來說，汞燈光源發出的紫外光經過準直系統以及反射鏡照在DMD上，DMD中每個微鏡都可以通過微電子機械系統(MEMS)獨立控制開關，因此可以反射帶有設計圖案的紫外光。在通過電動旋轉的偏振片并通過物鏡聚焦后，光束被投射到空液晶盒上。CCD用來檢查聚焦過程中有沒有出現離焦情況。DMD的輸出圖形隨著偏振片的旋轉同步變化，便可實現任意取向的圖案化液晶結構。光控取向膜SD1的厚度極薄，僅為50 nm左右，對THz波無明顯吸收。

圖6 DMD曝光系統示意圖Fig. 6 Schematic of DMD lithography system

2017年，Ge等[68]研發了一種液晶THz渦旋波片，可以產生任意拓撲荷的THz渦旋光束(圖7)。若是利用THz透明電極調控液晶的指向矢，能夠實現滿足不同波長半波條件的渦旋光束輸出，在THz模式復用通信、傳感和成像等領域具有顯著的應用價值[69-70]。在此基礎上，Ge等[71]把能產生渦旋光束的q波片和具有偏振選擇性衍射特性的偏振光柵集成起來，制備了一種液晶THz偏振叉形光柵，為不同圓偏振態和拓撲核的THz渦旋的產生和分離提供了一種簡單實用的方法。2019年，Shen等[72]通過設計棋盤格形式的共軛透鏡相位實現了對入射左右旋圓偏振THz波的自旋選擇匯聚效果，該特性在0.6～1.2 THz的寬帶范圍內得到很好的驗證。與超構表面實現寬帶聚焦透鏡[73]相比，液晶透鏡具有動態可調諧、加工成本相對較低的優勢。不過，液晶器件因幾何相位自身左右旋圓偏振的共軛特性無法實現左右旋的偏振復用，并且不能實現亞波長的近場聚焦，而超構表面因其諧振單元亞波長的特性，結合自身的共振相位，可以實現比幾何相位液晶器件更多樣的功能。上述液晶THz元件因為上下基板的存在，通常整體厚度較大，不利于THz器件和系統的集成化、小型化。2020年，Shen等[74]又提出了一種基于自支撐液晶聚合物(LCP)膜的THz平面光子學器件。如圖8(a)所示，在一層LCP柔性薄膜上集成了多個光場調控單元。這類元件通過對液晶聚合物的晶軸方向進行預編程，來實現對波前的幾何相位調制。該研究適用于多種THz光子元件，例如波片、光束偏折器、透鏡、貝塞爾以及渦旋光產生器，能夠滿足THz無線通信的基本功能，包括偏振控制、波束掃描、波束賦形和轉道角動量(OAM)模式復用。進一步地，如圖8(c)所示，液晶聚合物薄膜自身的柔性賦予這類元件形變引起的可調諧性。

圖7 (a)拓撲荷分別為1和4的THz渦旋波片的偏光顯微鏡照片，比例尺為1 mm；(b)上下拓撲荷分別為1和4的渦旋波片的強度和相位分布圖。Fig.7 (a) Polarized microscope photo of a THz vortex waveplate with topological charges of 1 and 4, respectively, scale bar: 1 mm; (b) Top and bottom are the intensity and phase distributions of the vortex waveplates with topological charges of 1 and 4, respectively.

圖8 (a)結構取向的液晶聚合物柔性膜對太赫茲波前調控示意圖；(b)柔性膜的組成成分：液晶聚合物單體RM257和光引發劑二苯甲酮；(c)薄膜彎折下透鏡焦距的動態改變。Fig.8 (a) Schematic of the photopatterned LCP flexible film for versatile THz wavefront modulations； (b) Composition of the flexible film: LCP monomer RM257 and photoinitiator diphenyl ketone; (c) Tunability of the focal length under film bending change.

3 集成液晶和超構表面的THz波前調控器件

相比于可見光或紅外波段的液晶調制器來說，THz波段波長更長。要想在THz頻段實現同樣的相位調制量，所需液晶盒厚度更大，通常在數百微米量級，這將使液晶取向的難度增加，器件響應速度變慢[75]。由于液晶折射率可以通過外場調控，如果將液晶作為超構材料的環境介質，即可通過外場調控改變超構材料結構的環境折射率，從而調控超構材料的電磁特性，也規避了純液晶器件的諸多弊端，設計出功能多樣化的液晶THz元件。

超構材料是一種人工電磁介質，通過人為設計單元結構，能夠實現自然材料所不具備的獨特性能，如人造磁性、負指數材料、電磁隱身等[76-80]。超構表面是超構材料的二維形式，設計與加工更加便捷，現已催生出一大批先進的光學功能器件，例如電磁隱身斗篷、偏振復用全息、完美吸收器等[81-83]。對于THz波段，自然環境中比較少有可以直接用于調控的天然材料，并且THz波段金屬材料損耗比可見光或近紅外波段更小，可以用成熟的光刻工藝對這一頻段的超構表面進行加工，因此超構表面器件在這一波段具有獨特的優勢，為THz超構器件的廣泛應用提供了可能。目前為止，雖然超構表面已有很多神奇應用，但仍存在工作帶寬窄、波前調制效率低等問題，而且超構表面一經制備，結構即固定，功能也隨之固定，無法進行動態調控。因此，通過超構表面和功能材料，例如半導體、MEMS、石墨烯、液晶等的結合，尋求高效、可調諧的超構器件成為該領域研究的熱點[84-94]。相較于其他功能材料而言，液晶超構器件最主要的優勢在于加工工藝的成熟和較低的成本。因為液晶取向技術在顯示領域已經非常成熟，結合硅基液晶(LCoS)技術可以制備大面積液晶超構器件，從而避免了一系列復雜的微納加工工藝。在器件表現方面，通常半導體器件的響應速度會快于向列相液晶器件，通過引入一些特殊的液晶材料，如鐵電液晶、雙頻液晶和藍相液晶等，液晶THz器件的響應速度能得到極大的提升。

2013年，Padilla等[95]提出了一種工作在THz波段的可調諧超構吸收器，如圖9(a)所示。該成果采用多層結構設計，上層為可以與空間光電場進行耦合的金屬結構陣列，下層為金屬背板，中間層為介質，上下雙層金屬結構可以構成一個使光的磁場分量也發生耦合的機制。通過調控上層金屬結構陣列單元的結構參數與介質層的材料和厚度，即可調控超構材料吸收器自身的等效介電常數和等效磁導率。在所需頻率處和外界環境的阻抗匹配時，能實現很強的吸收效應。結構中的液晶介質層采用外加電場進行調控，通過在上層金屬結構和下層金屬板上加電以改變液晶的指向矢分布，實現從未加電時的無序排列變成加電狀態下沿著垂直于背板平面的電場方向有序排列，從而改變入射THz電磁波感受到的介質層折射率，達到調制諧振頻率大小的目的。實驗中發現，該吸收器元件加電后在2.62 THz處吸收強度減少30%，共振吸收可調范圍為帶寬的4%，而吸收器的驅動電壓僅為4 V。2017年，Yang等[96]實現了一種基于液晶的可調諧THz電磁誘導透明器件，調制深度達到18.3 dB。2017年，Wang等[97]利用少層石墨烯電極結合十字形超構表面結構單元，實現了高性能寬帶可調諧吸收器，如圖10(a)所示。由于十字結構長寬參數的不同(圖10(b))，根據不同偏振方向入射可以工作在不同的THz頻率下(圖10(c)和10(d))，整個液晶層厚度僅為10 μm，響應速度達毫秒量級。2018年，Wang等[98]設計了一種等離子體誘導透明的液晶可調諧雙帶吸收器。2018年，Shen等[99]進一步實現了一種集成透射和反射兩種工作模式的可調超構器件，通過改變入射線偏振方向可以在兩種模式間自由切換。該器件結構如圖11(a)和11(b)所示：上基板為金屬超構表面，下基板為亞波長金屬線柵叉指電極，中間為厚度僅為5 μm的均一取向液晶層。由于金屬線柵對入射線偏振THz波的偏振選擇性，即透過TM波而反射TE波，因此TM波入射時為透射模式，能夠實現類電磁感應透明效應的動態調諧。TE波入射時為反射模式，電磁波通過介質層的介電損耗和金屬層的諧振損耗發生電磁吸收效應。透射模式下紅移達到60 GHz，透明窗口處調制深度達到37%。反射模式下吸收峰吸收強度達到97%，加電時紅移達到50 GHz，吸收峰處調制深度達到81%。該器件在THz空間光調制器、傳感等領域有著潛在的應用價值。2019年，Shen等[100]將具有不對稱開口環陣列的超構表面與電調液晶波片相結合，實現了一種動態法諾(Fano)共振電磁隱身器件。該器件的結構如圖12(a)所示，下層是金屬超構表面(圖12(b))，在x和y兩個偏振方向上具有巨大差異的透射譜線；上層為沿著與x方向呈45°均勻取向的250 μm厚的液晶層，在液晶層兩邊的石墨烯電極上施加電壓時，液晶層能在1.75 THz實現電調半波片的功能。該器件能在加電條件下實現Fano共振的開與關(圖12(c))，并且調制深度在1.75 THz處可以達到100%(圖12(d))。這類器件尤其適用于對外場十分敏感的THz傳感領域，該技術有望用于實現對不同生物組織和細胞的檢測和區分。除了上述金屬型超構表面與液晶集成，介質超構表面同樣也能和液晶集成實現各種功能[101-103]，同時由于介質超構表面高效的特點[104-105]，成為了當前的研究熱點。2018年，Zhou等[106]利用包含摻雜硅柱陣列的THz超構表面與液晶集成，理論上實現了可調諧吸收器，在加電和撤電時吸收率發生明顯改變。以上工作均是液晶調控均一的超構表面結構單元進行THz頻譜的動態調諧。事實上，若是通過合理設計將液晶的幾何相位和介質超構表面的共振相位結合起來，可以獲得更加多樣化的動態功能，實現對THz波前遠場的操控，例如寬帶消色差THz透鏡、左右旋圓偏振復用器件等。

圖9 (a)可調諧超構吸收器的結構示意圖以及液晶在加電和不加電狀態下的偏轉情況；(b)THz吸收頻率隨著施加電壓的變化而變化。Fig.9 (a) Schematic of the tunable metamaterial absorber and the orientation of LCs at bias ON and bias OFF states； (b) Change of the THz absorption frequency with the applied voltage.

圖10 (a)石墨烯電極結合十字形超構表面的可調諧超構吸收器的結構示意圖；(b)超構表面的十字形陣列顯微照片；(c)在TE波和TM波入射下吸收頻率隨著施加電壓的變化關系；(d)在TE波和TM波入射下諧振峰頻率與施加電壓的關系。Fig.10 (a) Schematic of a tunable metamaterial absorber with graphene electrodes and a cross-shaped metasurface； (b) Micrograph of the cross-shaped array on the metasurface； (c) Dependency of the absorption frequency on applied voltage at TE and TM wave incidences； (d) Dependency of the resonant peak frequency on applied voltage at TE and TM wave incidences.

圖11 (a)透射和反射兩種模式集成的液晶可調超構器件結構示意圖；(b)該器件的結構分解圖；(c)上層超構表面的顯微照片；(d)下層亞波長金屬梳狀電極的顯微照片；(e)在透射模式下透射頻率譜線隨著電壓增大而紅移；(f)在反射模式下吸收頻率譜線隨著電壓增大而紅移。Fig.11 (a) Schematic of the LC integrated metadevice, which can operate in both transmission and reflection modes； (b) Structural decomposition diagram of the metadevice； (c) Micrograph of the metasurface on the upper layer； (d) Micrograph of the subwavelength metal comb electrode on the down layer；(e) In transmission mode, the transmission spectrum is red-shifted with increasing voltage； (f) In reflection mode, the absorption spectrum is red-shifted with increasing voltage.

圖12 (a)法諾共振電磁隱身超構器件的結構分解圖；(b)超構表面的偏光顯微鏡照片以及單一不對稱開口環結構單元尺寸；(c)在施加不同電壓下透射譜的變化情況；(d)0 V和50 V電壓下不同頻率處的調制深度。Fig.12 (a) Structural decomposition diagram of the dynamic Fano cloaking metadevice； (b) Microscope of the metasurface and dimensions of a single asymmetric split ring unit； (c) Transmission spectrum under different voltages； (d) Modulation depth of the metadevice at different frequencies.

4 總結與展望

隨著THz技術及應用的不斷發展，亟需高性能波前調控器件以滿足THz波段傳感、成像、通信等領域的需求。目前，純液晶THz調控器件主要用于相移器、波片以及各種幾何相位型光學元件以產生各種特種光場以及相位全息。由于超構表面結構單元的均一分布，目前，液晶集成超構器件的調制能力還處于功能單一的頻率調諧，對波前的多維度操控，包括強度、偏振和相位調控，是這類器件未來的發展方向。為了解決大盒厚帶來的響應速度慢、驅動電壓高、調制效率低等問題，通過將液晶作為環境介質與超構表面進行集成，可以有效規避以上弊端，但也存在設計制備復雜，加工成本高的問題。傳統液晶THz器件有一定的調制量但響應速度慢，現有的超材料液晶THz器件有一定的響應速度但調制量非常有限。因此，通過深入研究THz頻段液晶的外場調控規律與表面相互作用等液晶動力學和熱力學新問題，有望催生出各種新型的液晶THz器件并進一步拓寬其應用領域。

未來，液晶THz器件會向著集成化、多功能化的方向不斷發展。主要有以下幾個探索方向：物質與THz波作用的新物理機制的探索，現在的THz器件主要是由可見光或者微波波段器件向THz的延伸和遷移，THz本身的特殊性質可能會有一些新機制的啟發；適用于THz波段的新型液晶材料，尤其是具有大雙折射率、低吸收系數、低驅動電壓的功能材料；適用于THz通信、成像等具體應用的新型集成器件，例如模式復用器件、高效全息器件、大數值孔徑THz透鏡等，有望在前沿的THz應用領域取得一些突破性進展。