近日，南京大學胡偉教授研究組提出并展示了一種液晶集成的動態(tài)太赫茲超透鏡，并將相關工作以“Liquid Crystal Integrated Dynamic Terahertz Metalenses”為題發(fā)表于《激光與光子學評論》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（動力學相位與幾何相位）相結合，通過施加電場實現(xiàn)液晶幾何相位的開關，可實現(xiàn)在偏振無關單焦點聚焦功能和自旋選擇的雙焦點聚焦功能之間按需切換。

研究背景

超表面通過設計排布特定人工亞波長單元，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)實現(xiàn)任意的波前調(diào)制。這為光學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，基于超表面可實現(xiàn)諸如光束偏轉(zhuǎn)、聚焦、特殊模式產(chǎn)生、計算全息和完美吸收等不同功能，近些年來廣受研究人員的關注。然而，超表面的功能制備后隨即固化，不具備可調(diào)諧性，阻礙了其動態(tài)應用和多功能性。目前，設計開發(fā)動態(tài)超表面已然成為超表面研究領域的熱門話題。具有按需功能的動態(tài)超表面符合光學小型化、集成化和多功能的趨勢，因此備受追捧。為了增強超表面的可調(diào)諧性，研究人員通過引入相變材料、MEMS、二維材料、半導體以及液晶等多種材料體系，從而在多元外場調(diào)控下實現(xiàn)對超表面的動態(tài)功能切換。在上述提及的動態(tài)材料體系中，液晶在較寬的電磁波譜內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的光學各向異性，同時具有多外場調(diào)諧特征，是實現(xiàn)動態(tài)光調(diào)制的理想材料。

在超表面家族中，超透鏡通過對電磁波進行衍射實現(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、偏振無關性與高效率；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。在單個超透鏡器件上同時實現(xiàn)魯棒性與多功能性，將大大擴展器件應用，對景深成像和信道切換等應用具有重要意義。

超透鏡設計與制備

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合，控制電場實現(xiàn)光取向液晶層幾何相位的動態(tài)開關，進而實現(xiàn)功能切換，如圖1所示。首先，通過在硅基超表面排列不同長寬與轉(zhuǎn)角的硅柱，同時實現(xiàn)偏振無關的傳播相位與圓偏振依賴的幾何相位調(diào)制；而后，設計液晶層取向賦予一項幾何相位直接補償上述超表面幾何相位。在無偏壓下實現(xiàn)偏振無依賴的單焦點聚焦功能，而施加偏壓時（即液晶幾何相位關閉）實現(xiàn)自旋分離的雙焦點聚焦功能。

圖1：液晶集成動態(tài)超透鏡在偏壓關閉與開啟狀態(tài)下的相位構成。

為了驗證上述設計，研究人員通過嚴格篩選超原子庫構建高效率硅基超表面，并與光取向液晶相結合。如圖2所示，該動態(tài)超透鏡采用“三明治”結構，大雙折射率液晶填充在由硅基超表面和熔融石英襯底構成的液晶盒中，其取向由光取向劑SD1引導，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，并基于如下三個標準篩選出39個超原子，來構建硅基超表面：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，從而滿足預設的幾何相位分布。進一步地，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分布寫入SD1取向?qū)?，進而引導大雙折射率液晶按照預設取向排列，以獲得特定的幾何相位（可電控開關）。

圖2.a) 液晶集成動態(tài)超透鏡的結構示意圖；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：標有黑色虛線方格的區(qū)域的液晶層正交偏振顯微照片。

動態(tài)聚焦與成像

研究人員通過仿真和實驗分別驗證了該液晶集成動態(tài)超透鏡的聚焦切換效果。如圖3所示，研究人員對該動態(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行了驗證。在無偏壓狀態(tài)下，該動態(tài)超透鏡在所有偏振入射下均實現(xiàn)了焦距為15 mm的單焦點聚焦功能，呈現(xiàn)出顯著的偏振無依賴特性。在施加特定的外部交流電場（250 V，1 kHz方波信號）時，液晶的幾何相位被徹底關閉，器件體現(xiàn)出自旋分離的雙焦點聚焦特性，左旋圓偏振與右旋圓偏振分別聚焦于12 mm和20 mm處的兩個焦點。該動態(tài)超透鏡在仿真與實驗中均表現(xiàn)出與設計符合的聚焦效果，且器件的聚焦效率可達到30%。

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

研究人員進一步利用“笑臉”掩模版驗證了該液晶集成動態(tài)超透鏡的動態(tài)成像功能。如圖4所示，在無偏壓狀態(tài)下，物距與像距均為30 mm時，該動態(tài)超透鏡可以對“笑臉”實現(xiàn)偏振無依賴成像；而在施加外部偏壓下，將物距與像距調(diào)整為24 mm，該動態(tài)超透鏡對“笑臉”僅可在左旋圓偏振與線偏振入射下實現(xiàn)成像，而對右旋圓偏振則成像在其它像面，實現(xiàn)自旋分離的成像。

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

此外，研究人員還設計制造了橫向聚焦分離功能可開關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)，該動態(tài)超透鏡可以實現(xiàn)在偏振無依賴單焦點聚焦與自旋分離的離軸雙焦點聚焦功能間的切換，實現(xiàn)偏折角度±7.5°。該類動態(tài)超透鏡在太赫茲波束路由應用領域具有前景。

結論

該工作提出了一種液晶集成動態(tài)太赫茲超透鏡，并通過仿真和實驗對其性能進行了驗證。該工作采用光取向液晶層來動態(tài)補償硅基超透鏡自旋選擇的幾何相位，通過控制外加電場，該動態(tài)超透鏡可以在偏振無關的單焦點聚焦功能和自旋選擇的雙焦點聚焦功能之間進行按需切換。這項工作為動態(tài)太赫茲元件的開發(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用領域具有廣闊的應用前景。

致謝

南京大學現(xiàn)代工學院2022級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，南京大學現(xiàn)代工學院于宏冠同學對本工作亦有重要貢獻。該工作受國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金資助完成。作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司（JCOPTIX）、南京寧萃光學科技有限公司（NCLCP）提供的光學元件與液晶材料支持。