近日，南京大學現代工程與應用科學學院陸延青教授研究組在利用液晶實現寬帶可調太赫茲波片的研究中取得重要進展。報導該研究成果的題為“Broadband tunable liquid crystal terahertz waveplates driven with porous graphene electrodes”的論文，于2015年2月27日發表在*Light: Science & Application上Light Sci. Appl., 2015, 4, e253.

由于技術與材料的限制，頻率處在0.1到10 THz之間的電磁波（即太赫茲波）在研究上一度成為電磁波譜上的空白。近年來，隨著科技的迅猛發展，科學家逐漸在太赫茲波產生、傳輸和檢測等方面取得了令人矚目的成績。太赫茲波由于其獨特的優點，有望成為物質結構分析、生命醫療探測、高效綠色安檢和高速無線通信的全新手段，并在天文觀測、空間通訊和精密光譜測量等領域具有潛在的應用價值。

太赫茲研究與日俱增，但適用于該頻段的光子學器件，尤其是可調控器件依然是一個挑戰。液晶材料具有寬帶可調的特性且擁有成熟的工業技術基礎，因而基于液晶的太赫茲可調器件研究引起了科研人員的廣泛關注。尋求成熟的可見光與通訊波段元器件（如：開關、衰減器、濾波片、偏振控制器、路由器等）在太赫茲頻段的直接對映，并以此實現對太赫茲波的操控，已成為科技工作者的追求。但一直以來該領域的研究面臨著幾個難題：一，可見光和通訊波段通常采用的透明導電薄膜如氧化銦錫（ITO）等在THz頻段變得不再透明，因而在施加電場方面遇到嚴峻的挑戰；二，液晶材料的雙折射率隨波長增加而減小，在THz頻段顯著降低，而THz波的波長又是可見光的成百上千倍，要達到同樣的位相調制量，所需的液晶和厚度要達到毫米量級，使得液晶的均勻配向無法實現。上述兩個瓶頸嚴重的阻礙了該領域的發展。

圖1 、THz液晶波片示意圖及電極透過率

在該工作中，研究者系統解決了上述問題，并提出了一整套實用的解決方案。本工作選取進行相位延遲和偏振轉換的基本元件——波片作為實例。液晶盒采取了一種獨特的結構設計：1. 選用亞波長金屬線柵同時作為高透過電極和內置起偏器；2. UVO處理的多孔石墨烯作為無偏振依賴特性的高透電極（>98%）；3. 非接觸式光控取向作為無損傷的液晶配向技術；4. 自行開發的在THz頻段低吸收損耗、大雙折射率的液晶材料NJU-004作為填充液晶材料。最終在250 μm較小盒厚的條件下，實現了0.5-2.5 THz寬帶低電壓連續調諧的THz波片，并驗證了其偏振調控特性。在小體積、集成化、高效率、低能耗的實用液晶THz元器件方向上邁出了關鍵的一步。實現了液晶材料與THz技術的完美結合，在THz通信、傳感探測、分析、成像等領域具有廣泛的應用前景。

圖2 、THz液晶可調波片測試及偏振轉換的驗證

該工作得到了液晶界著名學者UCF S. T. Wu教授的高度評價：“Great progress and exciting results. ……You have solved very important problems in polarizer, transparent electrodes, LC materials and LC alignment. These are all very crucial to this emerging field”. 審稿過程中也得到了三位審稿專家的一致好評：“In this manuscript, the authors demonstrated a clever approach to solve a tough problem of liquid crystal-based Terahertz phase shifter. ……Overall speaking, this paper is not only scientifically exciting but also practically useful”. “A nice literature review was given on the LC and graphene based terahertz devices”. “……UVO-treated graphene film……together with the high-quality liquid crystal developed by the authors, leads to a practical terahertz waveplate with the desired compactness, high efficiency and wide tuning range. This work is thus of general interest and practical significance”.

本論文王磊和林曉雯為共同第一作者，胡偉副教授和陸延青教授為共同通信作者，南京大學作為第一單位與南京工業大學、清華大學合作完成。南京大學電子學院吳培亨院士和金飚兵教授團隊為該研究做出了重要貢獻。該研究得益于國家自然科學基金和973項目的資助，同時離不開人工微結構科學與技術協同創新中心、太赫茲科學協同創新中心、南京大學985工程、江蘇省優勢學科建設工程（材料科學與工程）等的支持。

* Light: Science & Applications是由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所與Nature出版集團合作出版的光學期刊（雙周刊）。于2012年3月創刊，致力于推動全球范圍內的光學研究，刊載光學領域基礎、應用基礎以及工程技術研究及應用方面的高質量、高影響力的原創性學術論文和綜述文章。已獲創刊首個影響因子8.476（2013）。2014 年IF目前已達14，在近百種光學類期刊中緊隨Nature Photonics排名第2。