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CN111610670B - 一种太赫兹空间光调制器、制备方法及应用 - Google Patents

一种太赫兹空间光调制器、制备方法及应用 Download PDF

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CN111610670B CN202010517946.0A CN202010517946A CN111610670B CN 111610670 B CN111610670 B CN 111610670B CN 202010517946 A CN202010517946 A CN 202010517946A CN 111610670 B CN111610670 B CN 111610670B
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Abstract

本发明实施例公开了一种太赫兹空间光调制器、制备方法及应用。太赫兹空间光调制器包括相对设置的第一基板、第二基板及液晶层，第一基板和第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑液晶层；第一基板靠近液晶层的一侧设置有电极层和第一取向层；电极层包括多个阵列排布的叉指电极；第二基板靠近液晶层的一侧设置有超构表面层和第二取向层；超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器；第一取向层和第二取向层的取向方向相同，且取向方向与第二方向相交。本发明实施例的技术方案，可以根据不同的入射偏振方向在透射和反射模式下都能实现空间光调制功能，以解决现有技术中太赫兹空间光调制器功能单一、集成度不高的技术问题。

Description

一种太赫兹空间光调制器、制备方法及应用
技术领域
本发明实施例涉及太赫兹光电子技术，尤其涉及一种太赫兹空间光调制器、制备方法及应用。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz～10THz(对应波长为30μm～3000μm)之间的电磁波，有其独特的性质。太赫兹波能穿透非极性和非金属材料，电离辐射小；此外，许多有机或生物分子在这个波段具有集体振动模式，形成独特的“太赫兹指纹”。这些特点为太赫兹人体安检、工业检查和医疗诊断提供了巨大的机会。太赫兹波的载波频率远高于现在商用的射频波段，因此可能应用于未来的高速无线通信中，解决信息快速膨胀的通信需求。在这些涉及太赫兹通信和成像的应用中，空间光调制器具有不可或缺的作用，可广泛用于波前的强度、相位的空间调制，实现例如太赫兹波束动态偏转和聚焦、单像素成像等功能。
传统的太赫兹空间光调制器可采用数字微镜阵列加载可见光图案照射掺杂硅来实现空间光的强度调制，这种方式的缺点是调制深度较小，且有多个器件，需要级联，体积庞大难以集成；液晶空间光调制器可以实现单一像素内0～2π的全相位调制，集成度较高，但是由于液晶层厚度要满足太赫兹波段的半波条件，液晶层厚度较大，驱动和响应性能较差，且相邻像素之间易发生串扰。近年来，把超构材料与具有动态响应的功能材料(如半导体、液晶、石墨烯、相变材料等)集成实现高效动态的空间光调制器已成为研究领域的一大热点。然而，这类器件通常只能工作在透射或者反射模式下，限制了其实际使用范围。
发明内容
本发明实施例提供一种太赫兹空间光调制器、制备方法及应用，该太赫兹空间光调制器可以根据不同的入射偏振方向在透射和反射模式下都能实现空间光调制功能，以解决现有技术中太赫兹空间光调制器功能单一、集成度不高的技术问题，在太赫兹通信以及成像等方面有着极大的应用潜力。
第一方面，本发明实施例提供一种太赫兹空间光调制器，包括：
相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层，所述第一基板和所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；
所述第一基板靠近所述液晶层的一侧设置有电极层和第一取向层，所述电极层设置于所述第一基板与所述第一取向层之间；
所述电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个所述叉指电极包括第一电极和第二电极；
所述第一电极包括第一电极端以及与所述第一电极端连接的多个第一支电极，多个所述第一支电极沿第一方向延伸，沿第二方向排列，所述第一电极端沿所述第二方向延伸；
所述第二电极包括第二电极端以及与所述第二电极端连接的多个第二支电极，多个所述第二支电极沿所述第一方向延伸，沿所述第二方向排列，所述第二电极端沿所述第二方向延伸，且所述第一支电极和所述第二支电极沿所述第二方向交替排布；
所述第二基板靠近所述液晶层的一侧设置有超构表面层和第二取向层，所述超构表面层设置于所述第二基板与所述第二取向层之间；
所述超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器，每个所述裂环谐振器包括第一扇环和第二扇环，所述第一扇环和所述第二扇环位于同一圆环内，所述第一扇环和所述第二扇环之间的开口关于所述第一方向对称，且所述第一扇环的圆心角小于所述第二扇环的圆心角；
所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向相同，且所述取向方向与所述第二方向相交。
可选的，每个所述叉指电极形成一正方形区域，所述正方形区域的边长为L1，其中，500μm≤L1≤2000μm。
可选的，所述叉指电极的数量为n×m的阵列，其中，2≤n≤100，2≤m≤100。
可选的，所述第一支电极和所述第二支电极构成沿所述第二方向的光栅结构，所述光栅结构的周期L2小于入射至所述太赫兹空间光调制器的入射光的波长，其中，10μm≤L2≤50μm。
可选的，每个所述第一支电极和所述第二支电极在所述第二方向的宽度为L3，其中，5μm≤L3≤25μm。
可选的，所述第一扇环和所述第二扇环的圆心角分别为θ1和θ2，内半径和外半径分别为R1和R2，其中，120°≤θ1≤140°，160°≤θ2≤180°，20μm≤R1≤30μm，35μm≤R2≤45μm。
可选的，所述液晶层的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；在入射至所述太赫兹空间光调制器的入射光的频率范围在0.5THz～2.5THz时，所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值为Δn，0.2≤Δn≤0.4。
可选的，沿垂直于所述第一基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度为L4，3μm≤L4≤10μm。
可选的，所述第一基板和所述第二基板的材质包括石英、聚酰亚胺或本征硅；所述电极层和所述超构表面层包括金、银、铜或铝中的至少一种。
第二方面，本发明实施例还提供一种太赫兹空间光调制器的制备方法，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板一侧依次形成电极层和第一取向层，在所述第二基板一侧依次形成超构表面层和第二取向层；
在所述第一基板上设置间隔粒子，并与所述第二基板封装，其中所述第一基板的第一取向层一侧与所述第二基板的第二取向层一侧相对设置；
对所述第一取向层和所述第二取向层进行偏振紫外曝光取向，在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶材料，以使液晶分子按所述第一取向层和第二取向层的取向方向排列；
其中，所述电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个所述叉指电极包括第一电极和第二电极；所述第一电极包括第一电极端以及与所述第一电极端连接的多个第一支电极，多个所述第一支电极沿第一方向延伸，沿第二方向排列，所述第一电极端沿所述第二方向延伸；所述第二电极包括第二电极端以及与所述第二电极端连接的多个第二支电极，多个所述第二支电极沿所述第一方向延伸，沿所述第二方向排列，所述第二电极端沿所述第二方向延伸，且所述第一支电极和所述第二支电极沿所述第二方向交替排布；所述超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器，每个所述裂环谐振器包括第一扇环和第二扇环，所述第一扇环和所述第二扇环位于同一圆环内，所述第一扇环和所述第二扇环之间的开口关于所述第一方向对称，且所述第一扇环的圆心角小于所述第二扇环的圆心角；所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向相同，且所述取向方向与所述第二方向相交。
第三方面，本发明实施例还提供一种基于上述任一所述的太赫兹空间光调制器的应用，每个所述叉指电极包括加电状态和不加电状态；
加电状态和不加电状态的所述叉指电极形成线状光栅或环形光栅，以使入射的太赫兹光束偏折或聚焦。
本发明实施例提供的太赫兹空间光调制器，包括相对设置的第一基板、第二基板以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层，第一基板和第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑液晶层；第一基板靠近液晶层的一侧设置有电极层和第一取向层，电极层设置于第一基板与第一取向层之间；第二基板靠近液晶层的一侧设置有超构表面层和第二取向层，超构表面层设置于第二基板与第二取向层之间；通过第一取向层和第二取向层控制液晶的初始偏转方向，通过设置电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个叉指电极形成第二方向的光栅结构，能够透射沿第二方向偏振的太赫兹波，反射沿第一方向偏振的太赫兹波；通过设置超构表面层包括裂环谐振器，对于沿第二方向偏振的太赫兹波，裂环谐振器的不对称开口环结构可以诱导太赫兹波实现法诺共振型调制效果，当叉指电极施加不同电场时，引起液晶发生指向偏转，超构表面层的环境折射率发生改变，因此法诺共振的特征峰会发生频谱移动，从而在特定频率实现大调制深度的透射型强度调制；对于沿第一方向偏振的太赫兹波，太赫兹波的电场与裂环谐振器发生电偶极谐振作用，而叉指电极和裂环谐振器之间产生感应环电流，环电流形成磁偶极子，磁偶极子方向和入射太赫兹波的磁场方向一致，产生磁偶极谐振，因此在特定谐振频率处，入射太赫兹波的能量在该结构中被完全损耗掉，在频域谱上表现出某特定频率处的完全吸收特性，当叉指电极施加不同电场时，引起液晶发生指向偏转，超构表面层的环境折射率发生改变，因此特征吸收峰同样会发生频谱移动，从而在特定频率实现大调制深度的反射型强度调制，从而实现了太赫兹空间光调制器在透射模式和反射模式下的动态太赫兹波前调制功能，并且均具有较大的调制深度，解决现有技术中太赫兹空间光调制器功能单一、集成度低的技术问题，在太赫兹通信以及成像等方面有着极大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电极层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种超构表面层的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种叉指电极偏振选择透过特性的模拟示意图；
图5是本发明实施例提供的一种叉指电极的局部结构放大示意图；
图6是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器的制备方法的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器的制备方法的结构流程示意图；
图8是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器在透射模式下的太赫兹透过率模拟示意图；
图9是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器在反射模式下的太赫兹反射率模拟示意图；
图10是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器用于对光束进行偏折的加电方式示意图；
图11是本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器用于对光束进行聚焦的加电方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器的结构示意图，图2所示为本发明实施例提供的一种电极层的结构示意图，图3所示为本发明实施例提供的一种超构表面层的结构示意图。参考图1，本实施例提供的太赫兹空间光调制器包括：相对设置的第一基板10、第二基板20以及位于第一基板10和第二基板20之间的液晶层30，第一基板10和第二基板20之间设置有间隔粒子40，以支撑液晶层30；第一基板10靠近液晶层30的一侧设置有电极层50和第一取向层60，电极层50设置于第一基板10与第一取向层60之间；参考图2，电极层包括多个阵列排布的叉指电极51，每个叉指电极51包括第一电极511和第二电极512；第一电极511包括第一电极端5111以及与第一电极端5111连接的多个第一支电极5112，多个第一支电极5112沿第一方向y延伸，沿第二方向x排列，第一电极端5111沿第二方向x延伸；第二电极512包括第二电极端5121以及与第二电极端5121连接的多个第二支电极5122，多个第二支电极5122沿第一方向y延伸，沿第二方向x排列，第二电极端5121沿第二方向x延伸，且第一支电极5112和第二支电极5122沿第二方向x交替排布；继续参考图1，第二基板20靠近液晶层30的一侧设置有超构表面层70和第二取向层80，超构表面层70设置于第二基板20与第二取向层80之间；参考图3，超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器71，每个裂环谐振器71包括第一扇环711和第二扇环712，第一扇环711和第二扇环712位于同一圆环内，第一扇环711和第二扇环712之间的开口关于第一方向y对称，且第一扇环711的圆心角θ1小于第二扇环的圆心角θ2；第一取向层和第二取向层的取向方向相同，且取向方向与第二方向相交。
其中，第一基板10和第二基板20选用对太赫兹波具有高透射率的材料，例如可以是熔融石英。间隔粒子40可以为石英微球或石英柱，可以设置于第一基板10和第二基板20的边界位置。电极层50的叉指电极和超构表面层70的裂环谐振器71可以采用高电导率、物理和化学性质稳定的金属材料，例如可以是金。可选的，第一基板10和第二基板20的材质包括石英、聚酰亚胺或本征硅；电极层50和超构表面层70包括金、银、铜或铝中的至少一种，第一取向层60和第二取向层80可以为光控取向层。
可以理解的是，图2中示出电极层包括9个叉指电极51仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定。参考图2，每个叉指电极51中的第一电极511依次引出导线连接到D1～D9这9个电极上，所有叉指电极51中的第二电极512均连接至一个公共电极C1上，这样既可以分别控制每个叉指电极51形成的电场，又可以减少接线端子的数量，降低成本。在实施时可以利用现场可编程门阵列(FPGA)实现对每一个第一电极511进行加电控制，从而调控每个叉指电极51对应区域中液晶的偏转方向。在其他实施例中，每个第二电极512也可以分别连接到各自的电极上，本发明实施例对此不作限定。
图4所示为本发明实施例提供的一种叉指电极偏振选择透过特性的模拟示意图。参考图4，当入射的太赫兹波为横磁波时(即x方向偏振)，在0.5THz～2.5THz频带内的太赫兹波几乎完全透过；当入射的太赫兹波为横电波时(即y方向偏振)，在0.5THz～2.5THz频带内的太赫兹波几乎完全反射。利用这一特性，设置入射光的偏振方向为横磁波方向，可使太赫兹波空间光调制器工作在透射模式下；通过设置入射光的偏振方向为横电波方向，可使太赫兹波前调制器工作在反射模式下。
参考图3，每个裂环谐振器71通过在一个圆环上形成两个关于y方向对称的两个开口形成，而且两个开口关于x方向不对称，即第一扇环711和第二扇环712的圆心角不同，这种设计的目的是使x方向偏振入射的太赫兹波由于此结构的不对称性产生法诺共振，在透射谱线上表现为很尖锐的共振峰，对应空间光调制器的调制深度较大。
本实施例提供的空间光调制器对太赫兹波透射或反射调制的原理为：
当x方向偏振的太赫兹波入射时，由于偏振方向沿着第一支电极和第二支电极形成的光栅矢量方向，因此可以完全透过光栅，被超构表面层和所覆盖的液晶层调制，裂环谐振器的不对称开口环结构可以诱导入射太赫兹波实现法诺共振型调制效果，表现在太赫兹频域谱上会在某个特定频率出现很尖锐的共振峰，当环境介质液晶在电场作用下发生指向偏转时，超构表面的环境折射率发生改变，因此法诺共振的特征峰会发生频谱移动，从而在特定频率实现大调制深度的透射型强度调制。
当y方向偏振的太赫兹波入射时，先经过超构表面以及液晶层，再照射到第一支电极和第二支电极形成的光栅上，由于偏振方向垂直于光栅矢量方向，入射波被完全反射，叉指电极和超构表面以及中间的液晶层组成了一个吸收器结构。入射电磁波的电场与超构表面发生电偶极谐振作用，而叉指电极和超构表面之间产生感应环电流，环电流形成磁偶极子，磁偶极子方向和入射电磁波的磁场方向一致，产生磁偶极谐振。因此在特定谐振频率处，入射电磁波的能量在该结构中被完全损耗掉，在频域谱上表现出某特定频率处的完全吸收特性，当环境介质液晶在电场作用下发生指向偏转时，超构表面的环境折射率发生改变，因此特征吸收峰同样会发生频谱移动，从而在特定频率实现大调制深度的反射型强度调制。其中，x方向偏振的太赫兹波可以从第一基板一侧或第二基板一侧入射，y方向偏振的太赫兹波从第二基板一侧入射。
本实施例的技术方案，通过第一取向层和第二取向层控制液晶的初始偏转方向，通过设置电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个叉指电极形成第二方向的光栅结构，能够透射沿第二方向偏振的太赫兹波，反射沿第一方向偏振的太赫兹波；通过设置超构表面层包括裂环谐振器，对于沿第二方向偏振的太赫兹波，裂环谐振器的不对称开口环结构可以诱导太赫兹波实现法诺共振型调制效果，当叉指电极施加不同电场时，引起液晶发生指向偏转，超构表面层的环境折射率发生改变，因此法诺共振的特征峰会发生频谱移动，从而在特定频率实现大调制深度的透射型强度调制；对于沿第一方向偏振的太赫兹波，太赫兹波的电场与裂环谐振器发生电偶极谐振作用，而叉指电极和裂环谐振器之间产生感应环电流，环电流形成磁偶极子，磁偶极子方向和入射太赫兹波的磁场方向一致，产生磁偶极谐振，因此在特定谐振频率处，入射太赫兹波的能量在该结构中被完全损耗掉，在频域谱上表现出某特定频率处的完全吸收特性，当叉指电极施加不同电场时，引起液晶发生指向偏转，超构表面层的环境折射率发生改变，因此特征吸收峰同样会发生频谱移动，从而在特定频率实现大调制深度的反射型强度调制，从而实现了太赫兹空间光调制器在透射模式和反射模式下的动态太赫兹波前调制功能，并且均具有较大的调制深度，解决现有技术中太赫兹空间光调制器功能单一、集成度低的技术问题，在太赫兹通信以及成像等方面有着极大的应用潜力。
在上述技术方案的基础上，继续参考图2，可选的，每个叉指电极51形成一正方形区域，正方形区域的边长为L1，其中，500μm≤L1≤2000μm。
可以理解的是，正方形区域的边长决定了空间光调制的分辨率，正方形区域的数量决定了空间调制的调制面积，可选的，叉指电极的数量为n×m的阵列，其中，2≤n≤100，2≤m≤100。
图5所示为本发明实施例提供的一种叉指电极的局部结构放大示意图。参考图5，可选的，第一支电极5112和第二支电极5122构成沿第二方向x的光栅结构，光栅结构的周期L2小于入射至太赫兹空间光调制器的入射光的波长，其中，10μm≤L2≤50μm。可选的，每个第一支电极5112和第二支电极5122在第二方向x的宽度为L3，其中，5μm≤L3≤25μm。
通过设置不同的光栅结构周期和支电极的宽度，可以实现对不同波长的太赫兹波调制，具体实施时可以根据待调制的太赫兹波设计。
可选的，继续参考图3，第一扇环711和第二扇环712的圆心角分别为θ1和θ2，内半径和外半径分别为R1和R2，其中，120°≤θ1≤140°，160°≤θ2≤180°，20μm≤R1≤30μm，35μm≤R2≤45μm。
可选的，液晶层的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；在入射至太赫兹空间光调制器的入射光的频率范围在0.5THz～2.5THz时，第一折射率和第二折射率之间的差值为Δn，0.2≤Δn≤0.4。
可选的，沿垂直于第一基板的方向，间隔粒子的延伸长度为L4，3μm≤L4≤10μm。从而提高太赫兹空间光调制器的集成度，并且由于液晶层是作为环境介质而不是相位调控单元，因此液晶层厚度相比于传统的液晶太赫兹空间光调制器薄很多，器件的响应速度快、驱动电压低、填充比大，解决传统液晶太赫兹调制器中存在的响应速度慢和驱动电压大等问题，在器件性能方面具有不小的优势。
图6所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器的制备方法的流程示意图，图7所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器的制备方法的结构流程示意图。本实施例提供的制备方法可以用于制备上述实施例提供的任意一种太赫兹空间光调制器，该制备方法包括：
步骤S110、提供第一基板10和第二基板20。
其中，第一基板10和第二基板20可以选用对太赫兹波具有高透射率的刚性基板或柔性基板，例如可以是石英、本征硅或聚酰亚胺。
步骤S120、在第一基板10一侧依次形成电极层50和第一取向层60，在第二基板20一侧依次形成超构表面层70和第二取向层80。
其中，电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个叉指电极包括第一电极和第二电极；第一电极包括第一电极端以及与第一电极端连接的多个第一支电极，多个第一支电极沿第一方向延伸，沿第二方向排列，第一电极端沿第二方向延伸；第二电极包括第二电极端以及与第二电极端连接的多个第二支电极，多个第二支电极沿第一方向延伸，沿第二方向排列，第二电极端沿第二方向延伸，且第一支电极和第二支电极沿第二方向交替排布；超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器，每个裂环谐振器包括第一扇环和第二扇环，第一扇环和第二扇环位于同一圆环内，第一扇环和第二扇环之间的开口关于第一方向对称，且第一扇环的圆心角小于第二扇环的圆心角；第一取向层和第二取向层的取向方向相同，且取向方向与第二方向相交。
具体实施时，电极层和超构表面层均可以采用高电导率、物理和化学性质稳定的金属材料，例如可以是金、银、铜或铝中的至少一种，叉指电极和裂环谐振器可以通过光刻工艺形成，第一电极和第二电极可以同层设置，也可以异层设置，具体实施时可以根据实际工艺选择，本发明实施例对此不作限定。第一取向层和第二取向层可以为光控取向层，利用偏振紫外光对光控取向层进行取向。
步骤S130、在第一基板10上设置间隔粒子40，并与第二基板20封装，其中第一基板10的第一取向层60一侧与第二基板20的第二取向层80一侧相对设置。
步骤S140、对第一取向层60和第二取向层80进行偏振紫外曝光取向，在第一基板10和第二基板20之间灌注液晶材料，以使液晶分子按第一取向层60和第二取向层80的取向方向排列。
本实施例提供的制备方法制备的太赫兹空间光调制器，可以实现在透射模式和反射模式下的动态太赫兹波前调制功能，并且均具有较大的调制深度，解决现有技术中太赫兹空间光调制器功能单一、集成度低的技术问题，在太赫兹通信以及成像等方面有着极大的应用潜力，而且该制备方法简便、高效、廉价、可批量生产，器件性能稳定，各项指标均达到太赫兹光子器件的实用要求。
示例性的，在某一实施例中，第一基板和第二基板的材料采用熔融石英，叉指电极和裂环谐振器的材料采用金，第一取向层和第二取向层均采用偶氮染料材料，且初始取向方向为y方向(平行于第一支电极的延伸方向)。液晶层采用在太赫兹波段具有大双折射率的液晶材料，第一折射率ne和第二折射率no分别为1.9+0.005i和1.6+0.01i，液晶层的厚度为5μm，L2＝20μm，L3＝10μm，相邻两个裂环谐振器中心距离p＝100μm，圆环的内径R1＝27μm，圆环的外径R2＝40μm，第一扇环的圆心角θ1＝130°，第二扇环的圆心角θ2＝170°，两个扇环之间的劈裂角度相同，均为(2π-θ1-θ2)/2。
图8所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器在透射模式下的太赫兹透过率模拟示意图。参考图8，在透射模式下，x方向偏振太赫兹波直接透过叉指电极，不与其产生电磁相互作用。当不加电时，液晶的取向方向为y方向，在透射频谱上可以看到两个共振峰，分别位于0.67THz和1.05THz。前者是由于，裂环谐振器的不对称性引起太赫兹波与其产生法诺共振，电磁波被强烈地局域在超构表面上，由于与自由空间的弱耦合，电磁散射被抑制，因此共振峰比较尖锐，品质因子较高；后者是由于在该频率处太赫兹波和裂环谐振器相互作用，产生偶极谐振，散射损耗很大，因此该谐振峰的谱线较宽，品质因子较低。当在叉指电极上加上饱和电压时，液晶的分子指向随着电场发生重构，位于电极正上方的液晶分子趋向于沿着太赫兹波传播方向取向，位于相邻电极之间的液晶分子趋向于沿着x方向取向，因此超构表面的环境折射率发生改变，导致对应谐振频谱向低频方向移动。在0.67THz处，透过率由不加电“0态”时的0.07变化为加电饱和电压“1态”时的0.88，调制深度高达0.81。而在1.05THz处，透过率由不加电“0态”时的0变化为加电饱和电压“1态”时的0.03，调制深度仅为0.03。由于空间光调制器要求在“0态”和“1态”间有较大的调制深度，所以透射模式下0.67THz为工作频率。
图9所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器在反射模式下的太赫兹反射率模拟示意图。参考图9，在反射模式下，y方向偏振太赫兹波在叉指电极上发生反射，叉指电极、超构表面以及中间的液晶层共同与入射太赫兹波发生电磁相互作用。当不加电时，在反射频谱上可以看到一个尖锐的共振峰，位于1.23THz。该谱线的原理如下：当入射波被完全反射时，叉指电极和超构表面以及中间的液晶层组成了一个超构吸收器结构，入射电磁波的电场与超构表面作用，形成电偶极谐振，而亚波长叉指电极和超构表面之间产生感应环电流，环电流形成磁偶极谐振。因此在谐振频率处，入射的电磁波的能量在该结构中被完全损耗掉，表现为吸收器功能。当在叉指电极上加上饱和电压时，液晶的分子指向随着电场发生重构，因此超构吸收器的环境折射率发生改变，导致对应谐振频谱向低频方向移动，反射率最小值频率处频率移动达到60GHz，在频率为1.23THz处从“0态”到“1态”时调制深度达到0.95，实现了对反射模式下太赫兹波束的动态调制功能。
综上，本发明实施例提供的太赫兹空间光调制器，通过设置亚波长叉指电极以及超构表面，同时设置第一取向层和第二取向层的取向方向与叉指电极的光栅矢量方向垂直，通过第一取向层和第二取向层控制液晶层中液晶的初始偏转方向，通过叉指电极和超构表面控制液晶层中液晶在电场作用下的偏转方向，利用叉指电极作为电极，保证了太赫兹空间光调制器在全太赫兹频段范围内的偏振选择性和高透过率、以及良好的电场分布和控制；在叉指电极上加电压能够驱动液晶发生指向矢方向偏转，从而诱导液晶沿着电场方向排列，结合超构表面实现了太赫兹空间光调制器在透射模式和反射模式下的动态太赫兹波前调制功能，并且均具有较大的调制深度，解决现有技术中太赫兹空间光调制器功能单一、集成度低的技术问题。
本发明实施例提供的太赫兹空间光调制器，可以应用于太赫兹通信系统和成像系统中。通信系统中需要大规模的阵列化接收天线和发射天线，天线中需要用到波束扫描、耦合和赋形等功能，利用空间光调制器可以实现动态的波束偏转与聚焦，满足天线调制功能；由于大面积的太赫兹探测器阵列十分昂贵，单像素成像技术能够实现快速、高分辨率的太赫兹成像，且成本较低，得到广泛关注，空间光调制器在单像素成像中扮演着重要的功能角色。
本发明实施例还提供一种基于上述实施例提供的任意一种太赫兹空间光调制器的应用，每个叉指电极包括加电状态(“1态”)和不加电状态(“0态”)；加电状态和不加电状态的叉指电极形成线状光栅或环形光栅，以使入射的太赫兹光束偏折或聚焦。通过对每一个叉指电极进行独立的加电控制，可以独立控制每个区域透射或反射的太赫兹波的“0态”和“1态”，其中“0态”为透过率或反射率较低的状态，“1态”为透过率或反射率较高的状态，因此可以实现太赫兹空间光强度的二值调制。
示例性的，图10所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器用于对光束进行偏折的加电方式示意图。黑色和白色分别为一个独立的“0态”和“1态”叉指电极形成的区域。采用这种沿着x方向周期性变化的加电方式可以产生类似于衍射光栅的效果，各衍射级次的偏转角度由以下公式决定：
θ＝sin-1(kλ/d)；
其中，k＝0，±1，±2……为衍射级次，λ为入射波的波长，d为衍射光栅的周期，θ为偏转角度。在特定的工作波长(频率)处，通过控制衍射光栅的周期d就可以实现光束偏转角的动态改变。
图11所示为本发明实施例提供的一种太赫兹空间光调制器用于对光束进行聚焦的加电方式示意图。采用这种沿着半径方向周期性变化的加电方式可以构成环形光栅，产生类似于菲涅尔波带片的聚焦效果。改变沿着半径方向的加电周期可以实现焦距的动态改变。
在其他实施例中，还可以利用其他加电方式，实现太赫兹波空间光调制器在其他场景中的应用。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种太赫兹空间光调制器，其特征在于，包括：
相对设置的第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的液晶层，所述第一基板和所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述第一基板或所述第二基板；
所述第一基板靠近所述液晶层的一侧设置有电极层和第一取向层，所述电极层设置于所述第一基板与所述第一取向层之间；
所述电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个所述叉指电极包括第一电极和第二电极；
所述第一电极包括第一电极端以及与所述第一电极端连接的多个第一支电极，多个所述第一支电极沿第一方向延伸，沿第二方向排列，所述第一电极端沿所述第二方向延伸；
所述第二电极包括第二电极端以及与所述第二电极端连接的多个第二支电极，多个所述第二支电极沿所述第一方向延伸，沿所述第二方向排列，所述第二电极端沿所述第二方向延伸，且所述第一支电极和所述第二支电极沿所述第二方向交替排布；
所述第二基板靠近所述液晶层的一侧设置有超构表面层和第二取向层，所述超构表面层设置于所述第二基板与所述第二取向层之间；
所述超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器，每个所述裂环谐振器包括第一扇环和第二扇环，所述第一扇环和所述第二扇环位于同一圆环内，所述第一扇环和所述第二扇环之间的开口关于所述第一方向对称，且所述第一扇环的圆心角小于所述第二扇环的圆心角；
所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向相同，且所述取向方向与所述第二方向平行。
2.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，每个所述叉指电极形成一正方形区域，所述正方形区域的边长为L1，其中，500μm≤L1≤2000μm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，所述叉指电极的数量为n×m的阵列，其中，2≤n≤100，2≤m≤100。
4.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，所述第一支电极和所述第二支电极构成沿所述第二方向的光栅结构，所述光栅结构的周期L2小于入射至所述太赫兹空间光调制器的入射光的波长，其中，10μm≤L2≤50μm。
5.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，每个所述第一支电极和所述第二支电极在所述第二方向的宽度为L3，其中，5μm≤L3≤25μm。
6.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，所述第一扇环和所述第二扇环的圆心角分别为θ1和θ2，内半径和外半径分别为R1和R2，其中，120°≤θ1≤140°，160°≤θ2≤180°，20μm≤R1≤30μm，35μm≤R2≤45μm。
7.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，所述液晶层的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；在入射至所述太赫兹空间光调制器的入射光的频率范围在0.5THz～2.5THz时，所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值为Δn，0.2≤Δn≤0.4。
8.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，沿垂直于所述第一基板的方向，所述间隔粒子的延伸长度为L4，3μm≤L4≤10μm。
9.根据权利要求1所述的太赫兹空间光调制器，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板的材质包括石英、聚酰亚胺或本征硅；所述电极层和所述超构表面层包括金、银、铜或铝中的至少一种。
10.一种太赫兹空间光调制器的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一基板和第二基板；
在所述第一基板一侧依次形成电极层和第一取向层，在所述第二基板一侧依次形成超构表面层和第二取向层；
在所述第一基板上设置间隔粒子，并与所述第二基板封装，其中所述第一基板的第一取向层一侧与所述第二基板的第二取向层一侧相对设置；
对所述第一取向层和所述第二取向层进行偏振紫外曝光取向，在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶材料，以使液晶分子按所述第一取向层和第二取向层的取向方向排列；
其中，所述电极层包括多个阵列排布的叉指电极，每个所述叉指电极包括第一电极和第二电极；所述第一电极包括第一电极端以及与所述第一电极端连接的多个第一支电极，多个所述第一支电极沿第一方向延伸，沿第二方向排列，所述第一电极端沿所述第二方向延伸；所述第二电极包括第二电极端以及与所述第二电极端连接的多个第二支电极，多个所述第二支电极沿所述第一方向延伸，沿所述第二方向排列，所述第二电极端沿所述第二方向延伸，且所述第一支电极和所述第二支电极沿所述第二方向交替排布；所述超构表面层包括多个阵列排布的裂环谐振器，每个所述裂环谐振器包括第一扇环和第二扇环，所述第一扇环和所述第二扇环位于同一圆环内，所述第一扇环和所述第二扇环之间的开口关于所述第一方向对称，且所述第一扇环的圆心角小于所述第二扇环的圆心角；所述第一取向层和所述第二取向层的取向方向相同，且所述取向方向与所述第二方向相交。
11.一种基于权利要求1～9任一所述的太赫兹空间光调制器的应用，其特征在于，每个所述叉指电极包括加电状态和不加电状态；
加电状态和不加电状态的所述叉指电极形成线状光栅或环形光栅，以使入射的太赫兹光束偏折或聚焦。
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