Aktive Terahertz-Strahllenkung basierend auf mechanischer Verformung einer Flüssigkristall-Elastomer-Metaoberfläche

Traditionell konzentrierte sich die aktive Metaoberflächenforschung hauptsächlich auf die Änderung der Dielektrizitätskonstante und der Permeabilität des Substrats, was häufig zu Resonanzeffekten und ohmschen Verlusten führt. Eine rekonfigurierbare Metaoberfläche basierend auf mechanischer Verformung kann diese Probleme jedoch vermeiden. Im Moment sind jedoch mechanisch rekonfigurierbare Metaoberflächen, die durch MEMS- und FIB-induzierte Verformungsprozesse repräsentiert werden, schwierig herzustellen oder haben eine begrenzte Widerstandsfähigkeit. Als neuartiges Flüssigkristallpolymermaterial kann Liquid Crystal Elastomer (LCE) eine kontrollierbare und wiederherstellbare elastische Verformung als Reaktion auf einen Temperaturanstieg oder Lichteinstrahlung realisieren, was ein enormes Interesse in den Bereichen Chemie, Materialien und Bionik geweckt hat. Die gute optisch/thermisch induzierte Deformationsleistung von LCE legt nahe, dass es ein ausgezeichneter Kandidat wäre, um eine aktive Rolle in rekonfigurierbaren Metaoberflächen zu spielen, obwohl es bisher selten verwendet wurde, um die Reaktion von Metaoberflächen zu modulieren.

In einem neuen Artikel, erschienen in Lichtwissenschaft & Anwendung, hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Jianqiang Gu vom Center for Terahertz Waves, Tianjin University, China, und Professor Dan Luo vom Department of Electrical and Electronic Engineering, Southern University of Science and Technology, China, eine Art von synthetisiert LCE bestehend aus Flüssigkristallmonomer (RM006), Flüssigkristallvernetzungsmittel (RM257) und Photoinitiator (Irgacure 651). Wenn die Temperatur den Phasenübergangspunkt überschreitet, werden die in der LCE-Monoschicht erzeugten Spannungen das gesamte LCE auf die Seite der molekularen parallelen Orientierung biegen.

Die Forschungsgruppe untersuchte den LCE-Film als flexibles Substrat, um eine Phasendiskontinuitäts-Metaoberfläche mit C-förmigen Split-Ringen aus Aluminium als Resonatoren zu entwerfen, wodurch eine aktive Manipulation der Breitband-Terahertz-Wellenfrontsteuerung realisiert wurde. Der lineare Phasengradient der Metaoberfläche wird durch acht C-förmige Spaltringe mit einem Phasenabstand von π/4 gebildet, die periodisch auf dem LCE-Substrat angeordnet sind. Wenn eine einfallende Terahertz-Welle die Metaoberfläche passiert, wird die Ausgangsrichtung der orthogonalen Polarisation gemäß dem verallgemeinerten Snellschen Gesetz abgelenkt, was zu einer Steuerung der Terahertz-Wellenfront führt.

Zu Beginn dieser Arbeit wurden die spezifischen Skalen der C-förmigen Spaltringe unter Verwendung numerischer Simulationen im Einklang mit theoretischen Vorhersagen bestimmt, und dann wurden die entworfenen LCE-Proben durch Fotolithografie, Vakuumverdampfung und Nassätzverfahren hergestellt.

Der Ausgangswinkel der kreuzpolarisierten Welle durch die LCE-Metaoberflächenprobe wurde in einem winkelaufgelösten Vollfaser-Terahertz-Zeitbereichsspektroskopiesystem basierend auf asynchroner Abtastung gemessen. Es wurde bewiesen, dass die LCE-Metaoberfläche als hervorragender Strahllenker fungiert, dessen Ausgangswinkel von 70° bis 25° für 0,48 bis 1,1 THz reicht.

Um die genaue Ablenkung des flexiblen LCE-Substrats zu erreichen, wurde der Femtosekundenpuls mit einer zentralen Wellenlänge von 1030 nm durch eine Zylinderlinse auf den Rand der Probe fokussiert, wodurch eine Brennlinie auf dem LCE-Substrat gebildet wurde. Der photothermische Effekt induzierte eine Biegung des LCE um die bestrahlte Linie herum, während der nicht bestrahlte Teil flach blieb, wodurch die Gesamtablenkung der Metaoberfläche realisiert wurde. Durch Ändern der Leistung des Pump-Infrarotlichts konnten die Forscher den Ablenkwinkel der LCE-Metaoberfläche steuern, und die Modulationsgeschwindigkeit konnte die Größenordnung von Sekunden erreichen.

Bei vier Pumpleistungen wird die LCE-Metaoberfläche unterschiedlich stark ausgelenkt. Durch Erhöhen der Pumpleistung nimmt der Ausgangswinkel allmählich zu, und diese Winkelzunahme bei niedriger Frequenz ist stärker ausgeprägt. Mit der leistungsstärksten Infrarotpumpe erreicht der Ausgangswinkel von 0,68 THz Terahertz-Wellen den maximalen Abstimmwinkel von 22°.

„Wir haben die Leistung und Aussichten der vorgeschlagenen LCE-Metaoberflächen als Terahertz-Strahllenker, Frequenzmodulator und aktiver Strahlteiler weiter untersucht“, stellen die Forscher fest.

„Wir glauben, dass das von unserer LCE-Metaoberfläche gezeigte Potenzial beträchtliche Optionen für die Strahlverfolgung, Frequenzfilterung und Temperaturmessung im Terahertz-Band bietet, was wiederum die Forschung und Entwicklung in der drahtlosen Kommunikation der nächsten Generation, der Terahertz-Bildgebung und der Terahertz-Spektroskopie-Inspektion vorantreiben wird Das in dieser Arbeit vorgeschlagene Designprinzip kann auf andere Frequenzbänder ausgedehnt werden, was einen beträchtlichen Weg für die Untersuchung aktiver Metaoberflächen eröffnet“, prognostizieren die Forscher.