Разработан перспективный метод управления терагерцовым лучом

Обычно исследования активных метаповерхностей фокусируются на изменении диэлектрической постоянной и электрической проницаемости подложки, что часто приводит к возникновению эффекта резонанса и омическим потерям.

Однако реконфигурируемая метаповерхность, основанная на механической деформации, позволяет избежать этих проблем. Тем не менее, в настоящее время перенастраиваемые метаповерхности, созданные с помощью МЭМС и FIB-индуцированной деформации, трудно изготовить или они обладают недостаточной устойчивостью.

Жидкокристаллический эластомер (LCE), как новый тип жидкокристаллического полимерного материала, может обеспечить контролируемую и восстановимую упругую деформацию в ответ на повышение температуры или облучение светом, что вызвало огромный интерес в кругах химиков, материаловедов и биоников.

Хорошие характеристики оптической/термически индуцированной деформации позволяют предположить, что этот материал будет отличным кандидатом на роль активного элемента в перенастраиваемых метаповерхностях, хотя до сих пор он редко использовался для регулирования их реакции.

В новой работе, опубликованной в журнале Light Science & Application, группа ученых под руководством профессора Цзяньцяна Гу из Центра терагерцовых волн Тяньцзиньского университета (Китай) и профессора Дэна Луо с факультета электротехники и электроники Южного университета науки и технологии (Китай) синтезировала тип LCE, состоящий из жидкокристаллического мономера (RM006), жидкокристаллического сшивающего агента (RM257) и фотосенсибилизатора (Irgacure 651).

Когда температура превышает точку фазового перехода, напряжения, возникающие в монослое LCE, заставляют весь LCE гнуться в направлении параллельной ориентации молекул. Исследовательская группа использовала пленку LCE в качестве гибкой подложки для создания фазово-непрерывной метаповерхности с алюминиевыми С-образными разъемными кольцами в качестве резонаторов, что позволило реализовать активное управление широкополосным терагерцовым волновым фронтом.

Линейный фазовый градиент метаповерхности создается с помощью восьми С-образных разъемных колец с фазовым интервалом π/4, которые периодически располагаются на подложке LCE. Когда нисходящая терагерцовая волна проходит через метаповерхность, направление выхода ортогональной поляризации отклоняется в соответствии с обобщенным законом Снелла, что приводит к управлению терагерцовым волновым фронтом.

В начале данной работы с помощью численного моделирования были определены конкретные масштабы С-образных разъемных колец, которые находятся в отличной гармонии с теоретическим прогнозом, а затем с помощью процессов фотолитографии, вакуумного испарения и мокрого травления были изготовлены опытные образцы LCE.

Угол выхода кросс-поляризованной волны через образец метаповерхности LCE измерили с помощью цельноволоконной терагерцовой спектроскопии, основанной на асинхронной выборке. Было доказано, что метаповерхность LCE работает как выдающийся направитель луча, угол выхода которого варьируется от 70° до 25° для 0,48~1,1 ТГц.

Для достижения точного отклонения гибкой подложки LCE фемтосекундный импульс с центральной длиной волны 1030 нм фокусировался на краю образца цилиндрической линзой, формируя фокальную линию на подложке LCE.

Фототермический эффект вызывает изгиб ЛСЭ вокруг облучаемой линии, в то время как необлученная часть остается плоской, таким образом, реализуя общее отклонение метаповерхности. Изменяя мощность инфракрасного излучения, исследователи могут контролировать угол отклонения метаповерхности ЛСЭ, а скорость модуляции может составлять считанные секунды.

При четырех мощностях накачки метаповерхность LCE отклоняется в разной степени. При увеличении мощности насоса выходной угол постепенно увеличивается, и это увеличение угла на низкой частоте является более заметным. При самой высокой мощности инфракрасного насоса угол выхода терагерцовой волны 0,68 ТГц достигает максимального угла настройки 22°.

«Далее мы исследовали производительность и перспективы использования предложенных метаповерхностей LCE в качестве направителя терагерцового луча, частотного модулятора и активного рассеивателя», — добавили они.

Ученые считают, что потенциал, который продемонстрировала метаповерхность LCE, открывает широкие возможности для отслеживания луча, частотной фильтрации и измерения температуры в терагерцовом диапазоне, что в свою очередь позволит продвинуть исследования и разработки в области беспроводной связи следующего поколения, терагерцовой визуализации и терагерцовой спектроскопии.

Принцип проектирования, предложенный в данной работе, может быть распространен на другие частотные диапазоны, открывая путь для изучения активных метаповерхностей.

08.01.2023