《Optics & Laser Technology》：Reflective phase shifter for liquid crystals with in?plane optical quasi?isotropy
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摘要相位调控是先进太赫兹波束控制器件的核心要素，但其小型化仍面临重大挑战。具有面内光学准各向同性的液晶，例如胆甾相液晶，通常表现出较弱的电控双折射效应。因此，克服相移与器件厚度之间的固有矛盾成为一个关键问题。在本工作中，我们为面内光学准各向同性液晶开发了一种基于超表面的反射式
摘要
相位调控是先进太赫兹波束控制器件的核心要素，但其小型化仍面临重大挑战。具有面内光学准各向同性的液晶，例如胆甾相液晶，通常表现出较弱的电控双折射效应。因此，克服相移与器件厚度之间的固有矛盾成为一个关键问题。在本工作中，我们为面内光学准各向同性液晶开发了一种基于超表面的反射式相移器。与传统液晶相移器不同，该器件集成了偏振选择性超表面反射镜和线栅层，以延长太赫兹波的内部传播路径。这一设计避免了因面内光学准各向同性液晶的折射率变化未局限于单一偏振方向而导致的浪费，并已在胆甾相液晶中得到验证。时域光谱测量结果表明，所制备器件在0.8 THz处使用300 μm胆甾相液晶层时，振幅反射率达到0.17，最大相移为177°，相较于传统透明电极胆甾相液晶池，相移几乎提高了100%。本工作为开发高性能液晶器件以及设计具有振幅一致性的可重构器件提供了有前景的策略，从而为太赫兹通信、雷达和成像系统中的实时波束成形提供了潜在解决方案。
引言
相位是太赫兹波的基本特性之一，实现相位的灵活调控具有重要意义。基于此，可实现动态波束偏转，从而在太赫兹通信[1]、[2]、雷达[3]、[4]以及成像系统[5]、[6]、[7]等多个领域发挥重要作用。实现这些应用需要高性能相移器的突破。液晶相移器凭借其结构简单、成本低廉和显著相移性能等优势，作为一种实现动态太赫兹控制的技术路线受到了广泛关注[8]、[9]、[10]。传统液晶相移器依赖于向列相液晶（NLC）沿取向方向的电控双折射效应，其性能主要受限于液晶材料本身[11]、[12]、[13]。除向列相液晶外，将其他类型液晶引入太赫兹液晶器件也引起了强烈兴趣，如胆甾相液晶（CLC）[14]、[15]、蓝相液晶[16]、[17]、扭曲向列相液晶[18]、[19]以及双频液晶[20]、[21]，它们在响应时间、透过率或驱动电压方面各有优势。然而，由于太赫兹波波长较长，许多液晶表现为面内光学准各向同性介质，因为其内部结构尺度远小于波长。这些材料的折射率变化未局限于单一偏振方向。而传统相移器依赖于沿单一偏振方向的相位积累，因此难以充分利用电场诱导的折射率变化。这阻碍了液晶层厚度的减小，导致调制电压过高、紧凑性差以及电控误差显著等问题。因此，开发一种能够充分利用大面积面内光学准各向同性液晶电控折射率变化的紧凑液晶相移器架构显得尤为重要。
超表面是一种强大的平台，通过设计谐振单元来操控和调控电磁波的振幅、相位和偏振等特性，使其成为太赫兹调制器和传感器的理想选择[22]、[23]、[24]、[25]。然而，由于超表面的功能依赖于特定的结构设计，如单元的几何形状、尺寸和排列方式，其结构参数在制造完成后无法改变，这为动态调制带来了挑战。随着研究的深入，人们认识到将超表面与液晶材料结合可以兼取两者之长。这种集成方式为具有特定功能的器件增添了可调谐和可重构特性：超表面提供超薄的轮廓和强大的功能，而液晶则提供宽的折射率调谐范围、稳定的状态、简单的驱动方式，甚至还能增强谐振效应[26]、[27]、[28]。目前，液晶调制的超表面已成功实现。研究人员将超表面与液晶集成，利用液晶的电控双折射效应来调谐超表面的谐振模式[29]、[30]、[31]、[32]，并将其应用于可调谐吸收体[33]、偏振控制[34]、[35]以及手性操控[36]。另一方面，利用超表面增强液晶的调制性能仍是一个有待进一步探索的领域[37]。
在本工作中，我们提出了一种面向面内光学准各向同性液晶的基于超表面的反射式相位积累相移器架构。通过集成偏振选择性超表面反射镜和线栅层，我们的设计延长了太赫兹波在器件内的传播路径。与传统液晶相移器不同，我们的方法使太赫兹波能够在液晶内经历更多的相位积累周期，并充分利用面内光学准各向同性液晶分布在两个正交偏振方向上的电控折射率。我们通过掺杂方法制备了大双折射的胆甾相液晶并将其应用于该器件中。时域光谱测量结果表明，所制备器件使用300 μm胆甾相液晶层时，在0.8 THz处振幅反射率达到0.17，最大相移为177°。与传统透明电极胆甾相液晶池相比，相移几乎实现翻倍。随着透过率的进一步优化，本研究可为开发高性能液晶器件及设计具有振幅一致性的可重构器件提供可行的技术路径，从而为太赫兹通信、雷达和成像系统中的实时波束成形和可重构天线设计提供可行的技术途径。
各章节摘要
结构与设计方案
在太赫兹频段，胆甾相液晶（CLC）等液晶表现为面内光学准各向同性介质，因为其内部结构尺度远小于波长。这导致两个正交偏振方向上的折射率均发生变化，而不同于向列相液晶中仅单一偏振方向的折射率发生改变。这限制了传统相移器——其依赖于沿单一偏振方向的相位积累——难以充分利用电场诱导的折射率变化。
实验与讨论
胆甾相液晶（CLC）被用作本相移器中的面内光学准各向同性介质，以验证设计的可行性。与向列相不同，胆甾相液晶表现出扭曲的平衡态，其特征是液晶分子沿螺旋轴在不同层间发生螺旋旋转，导致介电常数和折射率沿该轴呈周期性变化。其弹性自由能为：
结论
本工作提出并实验验证了一种面向面内光学准各向同性液晶的新型超表面增强反射式太赫兹相移器架构。通过偏振选择性线栅与偏振转换超表面的协同作用，显著延长了太赫兹波在液晶中的有效传播路径，最终实现了更大的可调相移。大双折射胆甾相液晶
作者贡献声明
刘晨翔：初稿撰写、方法论、概念设计。王宇：审阅与编辑、项目管理。郭文鹏：软件、调查研究。贾月莹：可视化、软件。车兴凯：形式化分析、数据整理。陈雨婷：形式化分析、数据整理。索一风：软件、调查研究。孟祥达：审阅与编辑、监督指导。李立：监督指导、资金获取。田浩：资源提供、资金获取。
资金支持
本工作得到了黑龙江省重点研发计划（编号：2023ZX01A17）、国家自然科学基金委员会（批准号：U24A20201、12574454、62305089、62475061、12474082）、中央高校基本科研业务费专项资金以及激光空间信息国家级重点实验室（LSI2024WDZC08）的支持。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的、可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
刘晨翔|王宇|郭文鹏|贾月莹|车兴凯|陈雨婷|索一风|孟祥达|李立|田浩
