近期，南京大学胡伟教授研究组提出并展示了一种液晶集成的动态太赫兹超透镜，并将相关工作以“Liquid Crystal Integrated Dynamic Terahertz Metalenses”为题发表于《激光与光子学评论》上（ Laser Photonics Rev. 2024, 2400869）。该器件将光取向液晶层的几何相位与硅基超表面的两种固定相位（动力学相位与几何相位）相结合，顺利获得施加电场实现液晶几何相位的开关，可实现在偏振无关单焦点聚焦功能和自旋选择的双焦点聚焦功能之间按需切换。

研究背景

超表面顺利获得设计排布特定人工亚波长单元，在折射/反射表面引入离散的相位突变，从而在从紫外到射频的大电磁波谱范围内实现任意的波前调制。这为光学元件给予了一种平面、紧凑的解决方案。利用多种不同原理的相位调制，基于超表面可实现诸如光束偏转、聚焦、特殊模式产生、计算全息和完美吸收等不同功能，近些年来广受研究人员的关注。然而，超表面的功能制备后随即固化，不具备可调谐性，阻碍了其动态应用和多功能性。现在，设计开发动态超表面已然成为超表面研究领域的热门话题。具有按需功能的动态超表面符合光学小型化、集成化和多功能的趋势，因此备受追捧。为了增强超表面的可调谐性，研究人员顺利获得引入相变材料、MEMS、二维材料、半导体以及液晶等多种材料体系，从而在多元外场调控下实现对超表面的动态功能切换。在上述提及的动态材料体系中，液晶在较宽的电磁波谱内表现出优异的光学各向异性，同时具有多外场调谐特征，是实现动态光调制的理想材料。

在超表面家族中，超透镜顺利获得对电磁波进行衍射实现聚焦、成像和光束路由等功能，在鲁棒性和多功能性提升方面不断深入开展。前者追求消色差、偏振无关性与高效率；后者可以提升层析成像系统、偏振成像系统和光谱仪的紧凑性与集成度。在单个超透镜器件上同时实现鲁棒性与多功能性，将大大扩展器件应用，对景深成像和信道切换等应用具有重要意义。

超透镜设计与制备

该液晶集成超透镜将光取向液晶层的几何相位与硅基超表面的两种固定相位相结合，控制电场实现光取向液晶层几何相位的动态开关，进而实现功能切换，如图1所示。第一时间，顺利获得在硅基超表面排列不同长宽与转角的硅柱，同时实现偏振无关的传播相位与圆偏振依赖的几何相位调制；而后，设计液晶层取向赋予一项几何相位直接补偿上述超表面几何相位。在无偏压下实现偏振无依赖的单焦点聚焦功能，而施加偏压时（即液晶几何相位关闭）实现自旋分离的双焦点聚焦功能。

图1：液晶集成动态超透镜在偏压关闭与开启状态下的相位构成。

为了验证上述设计，研究人员顺利获得严格筛选超原子库构建高效率硅基超表面，并与光取向液晶相结合。如图2所示，该动态超透镜采用“三明治”结构，大双折射率液晶填充在由硅基超表面和熔融石英衬底构成的液晶盒中，其取向由光取向剂SD1引导，并使用少层石墨烯作为太赫兹波段透明电极。研究人员顺利获得参数扫描在仿真软件中建立了硅柱超原子的数据库，并基于如下三个标准筛选出39个超原子，来构建硅基超表面：1) 透射率大于72%；2) 所有超原子传播相位可以覆盖0-2𝜋范围；3) 相位延迟在 𝜋 ± 0.05𝜋 的范围内（即作为半波片工作）。而后，这些超原子按照特定的位置与转角排列，从而满足预设的几何相位分布。进一步地，研究人员使用DMD数字掩模光刻系统，将特定的液晶指向矢场分布写入SD1取向层，进而引导大双折射率液晶按照预设取向排列，以取得特定的几何相位（可电控开关）。

图2.a) 液晶集成动态超透镜的结构示意图；b) 所选超原子的透射率、传播相位和相位延迟；c) 硅基超表面的显微照片和局部放大的SEM图像；d) 上图：光取向液晶层的指向矢分布；下图：标有黑色虚线方格的区域的液晶层正交偏振显微照片。

动态聚焦与成像

研究人员顺利获得仿真和实验分别验证了该液晶集成动态超透镜的聚焦切换效果。如图3所示，研究人员对该动态超透镜分别在频率为1.4 THz的左旋圆偏振、线偏振和右旋圆偏振太赫兹波进行了验证。在无偏压状态下，该动态超透镜在所有偏振入射下均实现了焦距为15 mm的单焦点聚焦功能，呈现出显著的偏振无依赖特性。在施加特定的外部研讨电场（250 V，1 kHz方波信号）时，液晶的几何相位被彻底关闭，器件体现出自旋分离的双焦点聚焦特性，左旋圆偏振与右旋圆偏振分别聚焦于12 mm和20 mm处的两个焦点。该动态超透镜在仿真与实验中均表现出与设计符合的聚焦效果，且器件的聚焦效率可达到30%。

图3.a-c) 液晶集成动态超透镜在无偏压状态下分别对左旋、线偏和右旋偏振入射波的聚焦特性；a, b) x-z 平面上的仿真和实测强度分布；c) z = 15 mm时 x-y 平面上的实测强度分布。d-f) 液晶集成动态超透镜在偏压开启状态下分别对左旋、线偏和右旋偏振入射波的聚焦特性；c, d) x-z 平面上的仿真和实测强度分布；f) 左图和中上图是 z = 12 mm时 x-y 平面上的实测强度分布；右图和中下图是 z = 20 mm时 x-y 平面上的实测强度分布。

研究人员进一步利用“笑脸”掩模版验证了该液晶集成动态超透镜的动态成像功能。如图4所示，在无偏压状态下，物距与像距均为30 mm时，该动态超透镜可以对“笑脸”实现偏振无依赖成像；而在施加外部偏压下，将物距与像距调整为24 mm，该动态超透镜对“笑脸”仅可在左旋圆偏振与线偏振入射下实现成像，而对右旋圆偏振则成像在其它像面，实现自旋分离的成像。

图4.a) 无偏压状态下，物距与像距均为30 mm时，偏振无关成像的测量示意图；b) 无偏压状态下，左旋、线偏和右旋偏振入射成像的测量强度分布；c) 施加偏压状态下，物距与像距均为24 mm时，偏振无关成像的测量示意图；d) 施加偏压状态下，左旋、线偏和右旋偏振入射成像的测量强度分布。

此外，研究人员还设计制造了横向聚焦分离功能可开关的液晶集成太赫兹超透镜。在距离样品垂直距离15 mm的水平面内，该动态超透镜可以实现在偏振无依赖单焦点聚焦与自旋分离的离轴双焦点聚焦功能间的切换，实现偏折角度±7.5°。该类动态超透镜在太赫兹波束路由应用领域具有前景。

结论

该工作提出了一种液晶集成动态太赫兹超透镜，并顺利获得仿真和实验对其性能进行了验证。该工作采用光取向液晶层来动态补偿硅基超透镜自旋选择的几何相位，顺利获得控制外加电场，该动态超透镜可以在偏振无关的单焦点聚焦功能和自旋选择的双焦点聚焦功能之间进行按需切换。这项工作为动态太赫兹元件的开发给予了全新的思路，在太赫兹层析成像、景深成像和太赫兹路由等应用领域具有广阔的应用前景。

致谢

南京大学现代工学院2022级直博生王琦光与副研究员葛士军博士为论文共同一作，胡伟教授为通讯作者，南京大学现代工学院于宏冠同学对本工作亦有重要贡献。该工作受国家重点研发计划和国家自然科研基金资助完成。作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）、南京宁萃光学科技有限公司（NCLCP）给予的光学元件与液晶材料支持。