液晶作為介于各向同性液體和固體（晶體）之間的中間相態，短程無序，但仍保持一定的長程（指向）有序，使其兼具液體的流動性和晶體的介電/光學各向異性，同時具有優異的外場調諧特性和多層級的組裝結構特征。自1888年發展至今，液晶技術已取得輝煌成績，尤其給人們帶來了絢爛多彩的顯示世界。如何進一步發展，成為我們必須面對的新課題。

圖1：液晶與THz電磁波譜示意圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(4): 419-431. Fig. 1

太赫茲（terahertz, THz）波泛指頻率在0.1-10 THz的電磁波，介于微波和紅外之間。由于THz波具有時空相干性好、光子能量低、通信容量大和穿透性高等特點，THz技術在生物醫學、無損檢測、無線通信和成像傳感等領域具有不可替代的應用潛力。但要推動THz技術的廣泛應用，從組成THz系統的源、中間器件到THz探測器，在小型化、低成本、靈活可調等方面仍都面臨很大挑戰。液晶THz光子學技術被認為是一種較為有效的策略來解決這些挑戰。

近日，南京郵電大學王磊副教授、李炳祥教授課題組在南京大學胡偉教授、陸延青教授的指導下，在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第4期發表了題為“液晶太赫茲光子學研究進展”的綜述文章，并被選作當期封面文章。文章首先介紹了基于液晶的THz源，其次介紹了基于液晶、液晶聚合物和結合超材料/石墨烯的THz可調器件，然后介紹了基于膽甾相液晶的可視化THz探測器，最后探討了未來液晶THz光子學的機遇與挑戰，尤其在通信和生物醫學等領域的應用潛力。

圖2：《液晶與顯示》2023年第4期封面圖

▎基于液晶的THz源研究現狀

THz輻射源是THz科學與技術發展的關鍵。傳統THz輻射源通常存在成本昂貴、體積龐大、系統復雜等缺點，同時對THz輻射的帶寬和偏振等光學參量調控受限。高效、靈活、寬頻的THz波產生及調控是THz源的重要研究方向。飛秒激光具有極短脈寬、極高峰值功率和超寬頻譜等特性，基于飛秒激光產生的THz輻射具有寬頻、室溫工作、波長可調諧等優點。固體、液體和氣體等均能基于飛秒激光產生THz輻射，而介于固體和液體之間的液晶（liquid crystal, LC）產生THz波的相關研究遲遲未見報道。2021年，王磊等人首次報道了利用飛秒激光激勵一種液晶材料，實現了橢圓偏振態的寬頻THz輻射現象。

圖3：（a）飛秒激光激勵液晶產生THz的實驗裝置圖，框圖為液晶盒構成；（b）飛秒激光偏振方向與液晶指向矢不同夾角下產生的THz輻射時域波形圖和（c）相應的THz頻譜
圖源：(a) 液晶與顯示, 2023, 38(4): 419-431. Fig. 2(a); (b)(c) Journal of the Optical Society of America B, 2022, 39(3): A89-A93. Fig. 2

實驗裝置如圖3（a）所示，泵浦源使用中心波長為800 nm，脈寬100 fs，重復頻率為1 kHz的鈦藍寶石飛秒激光器。入射的飛秒激光經分束器(BS)分為泵浦光束和探測光束。泵浦光束通過焦距為50 mm的透鏡作用在液晶盒產生THz輻射。此時液晶盒位于焦點前，處于離焦位置，液晶上的光斑直徑約為2 mm。THz輻射由一組有效焦距為2英寸的離軸拋物面反射鏡（OAPM）收集并準直，黑色聚乙烯薄膜作濾光片用以阻擋剩余的泵浦激光。THz偏振片P1、P2用于探測THz波的偏振態。通過電光采樣法探測所產生的THz電場，線偏振的探測光束經透鏡與產生的THz波一起會聚到1 mm厚度、<110>取向的ZnTe上，THz波誘導電光晶體ZnTe的折射率發生改變，探測光束的偏振態從線偏振變為橢圓偏振，通過光電探測器（PD）測量探測光束的橢偏度，從而確定THz波的電場強度。液晶盒由兩片平行的熔融SiO?基板作為襯底，通過框膠結合構成，盒厚由180 μm的Mylar膜控制，盒內灌入一種向列型混合液晶：NJU-LDn-4，兩個襯底都旋涂有偶氮染料SD1作為光控取向層，對液晶進行初始取向，其指向矢與y軸成45°夾角，平行于襯底均勻排列。該液晶混晶材料包含大量高度共軛的棒狀分子，具有較長的Π共軛電子結構，可實現相對較大的液晶非線性效應。在0.4-1.6 THz范圍內平均雙折射為0.306，且吸收損耗較低，沒有尖銳的吸收峰，產生的THz光譜不會出現明顯的吸收線。旋轉液晶盒改變飛秒激光偏振方向與液晶指向矢夾角，探測到的THz輻射時域波形圖如圖3（b）所示，此時泵浦光功率為30 mW。相應的THz頻譜如圖3（c）所示，觀測到的光譜差異可能與飛秒激光誘導的指向矢重新定向和相位匹配有關，指向矢重定向會改變液晶等效二階非線性極化率。

圖4：THz輻射和偏振特性。（a）THz時域波形圖；（b）THz電場強度峰值和歸一化能量與泵浦光能量密度的關系；（c）THz波時域三維軌跡圖；（d）THz波的橢圓率
圖源：(a)(b)  Journal of the Optical Society of America B, 2022, 39(3): A89-A93. Fig. 3; (c)(d) 液晶與顯示, 2023, 38(4): 419-431. Fig. 3(c)(d)

以不同功率的泵浦光束入射到液晶盒上，產生的時域波形如圖4（a）所示，泵浦功率為10 mW時，產生的THz波太弱，難以觀測；當泵浦功率增大到15 mW時，探測到的THz波形已比較明顯，THz電場強度隨泵浦功率的增強而增大。為了證明THz波是由于液晶產生的，使用相同功率的飛秒激光分別激發玻璃襯底，空液晶盒，相同液晶層厚度、經平行取向的液晶E7，都沒有產生THz輻射。進一步探究了THz峰值電場強度與泵浦功率的關系，如圖4（b）所示，可探測到THz輻射場的泵浦激光能量密度閾值約為0.3 mJ/cm2，THz波飽和強度約為0.15 V/cm，液晶的損傷閾值約為1.2 mJ/cm2。曲線虛線部分偏離趨勢，在泵浦能量密度低區，是噪聲的影響；而在高區，主要與雙光子吸收和液晶較低的損傷閾值有關。THz電場強度與泵浦激光能量密度呈明顯的線性關系，與其他晶體基于光整流效應產生THz波規律一致，初步判斷飛秒激光激發液晶是基于光整流效應產生THz輻射。進一步研究發現，出射的THz波具有橢圓偏振態，如圖4（c、d）所示。

一般液晶沒有二階非線性光學效應。強飛秒激光泵浦可以打破液晶的中心對稱性，引起液晶材料的對稱中心偏離，有效對稱中心的缺失導致了液晶二階非線性的產生。液晶不僅像一般電光晶體一樣，在飛秒激光作用下，基于光整流效應產生THz輻射；而且在強飛秒激光泵浦下能被重新取向，產生非均勻的整體取向。目前液晶的損傷閾值較低，很難通過增加飛秒激光泵浦功率來提高THz輻射強度。通過相位匹配可進一步提高THz輻射強度；如何利用液晶陣列、透鏡或球面反射器等增強THz發射強度值得進一步研究。

▎基于液晶的THz中間器件研究現狀

近年來，液晶光取向技術的發展催生出一系列功能強大的液晶元件，為平面集成化的動態光場調控開辟了新道路。2019年，Shen等人引入幾何相位的概念，設計棋盤格狀空間復用的透鏡相位，利用光控取向液晶技術實現了一種自旋選擇性THz平面透鏡，并驗證了其具有聚焦的電控開關特性，如圖5（a）所示。與液晶類似，液晶聚合物（liquid crystal polymer, LCP）也具有寬波段光學各向異性特點。2006年，F . Rutz等人展示了一種LCP具有較大的THz雙折射；2021年Nakanishi等人對一種LCP進行了偏振成像；但都沒有用LCP做成THz功能器件。2020年，Shen等人進一步提出基于LCP的平面THz光子元件。首先將幾何相位信息寫入液晶取向中，然后紫外聚合得到特定功能的波前調制元件，已實現了THz偏振調控、波束偏轉、可調聚焦、渦旋光束及貝塞爾光束產生等一系列功能，如圖5（b）所示。由于聚合后結構化取向圖案被固定下來，LCP器件不再需要基板，無需外加電場或磁場調控，本身的形變可帶來動態調制效果，且在滿足半波條件時可達到近乎100%高效調制。該類器件具有柔性自支撐、機械形變動態響應、穩定性良好等優點。

圖5：基于液晶和液晶聚合物的THz光學元件。（a）THz透鏡；（b）THz平面光子學器件
圖源：(a)  Optics Express，2019, 27(6): 8800-8807. Fig. 1; (b)  Advanced Optical Materials, 2020, 8(7): 1902124. Fig. 1

同時將液晶和超材料、石墨烯等相結合，可實現THz液晶器件的多功能化。Tao等人設計了一種液晶集成金屬超表面器件，實現了透反射雙工作模式的THz波調制，如圖6（a）所示。由于可編碼控制像素化電極，該器件可實現空間灰階強度調制，如圖6（b）所示。Shen等人將液晶幾何相位與介質超表面的諧振相位結合，再集成石墨烯透明電極，實現了THz波聚焦色散的主動調控，如圖6（c）所示。不加電時，可實現0.9-1.4 THz寬帶消色差的聚焦；施加75 V方波信號，透鏡焦距隨頻率增大顯著減小。該透鏡在寬帶內的平均調制效率為30%。利用該方法還可設計實現色散可調的THz波束偏折器。

圖6：結合超材料、石墨烯的液晶THz光學器件。（a）、（b）液晶集成金屬超表面THz透反雙功能調制器；（c）液晶集成介質超表面和石墨烯THz可調超透鏡
圖源：(a)(b)Optics Letters, 2022, 47(7): 1650-1653. Fig. 2(a)(e), Fig. 4(a)(e), Fig. 3(b); (c) Advanced Photonics, 2020, 2(3): 036002. Fig. 1(a)(b)

液晶器件與FPGA技術相結合，還可進一步增強對THz波的調控能力。2020年，Liu等人設計了一種基于液晶的透射式數字編碼超表面，在實驗中實現了30°的THz波最大偏轉角。Wu等人設計了一種基于液晶的反射式THz可編程超表面。通過切換每個單元的“0”或“1”的狀態來動態地控制超表面上的相位分布，THz波偏轉角可達32°。2022年，Li等人設計了一種液晶THz空間光調制器，進一步開發了自校準成像算法，實現了雙色THz壓縮感知成像，為低成本、實用化的THz單像素多光譜成像技術開辟了一條新途徑。另外，Chen等人利用向列相液晶的布魯斯特臨界角對THz波進行振幅和相位調制，在0.2-1.6 THz范圍內，平均強度調制深度超過99.6%；在0.4-1.8 THz范圍內，實現了高精度偏振轉換。Hsieh等人設計了一種磁場調控的液晶THz消色差波片，該裝置相位延遲在0.2-0.5 THz范圍內可達90°，工作頻率可變換至0.3-0.7 THz，還可以通過多個波片的組合來擴展帶寬。2020年，Zhang等人研究了膽甾相液晶對THz手性態的主動調控，發現其具有較強的THz熱光特性和圓二色性。Shih等人研究了光、熱調控染料摻雜液晶的THz強度調制器。2021年Ji等人報道了一種碳納米管薄膜既作為液晶取向層又作為透明電極驅動液晶的THz器件。摻入各種顆粒來增強液晶調控THz能力的研究也相繼被報道。上述液晶THz器件在某些性能指標上已有所突破，對推動THz技術的應用起到了重要的促進作用，但綜合性能還有待進一步提高。

▎基于液晶的THz探測器研究現狀

基于電子學和光子學諸多方法的THz探測器已經取得很大進展，但通常所需系統結構復雜，成本昂貴，功能單一，應用范圍受限，且許多性能指標已接近理論極限，詳見表1。如何實現便宜、高效和易于使用的THz探測器，仍是目前重點研究內容。

表1：各種THz探測器比較（表源：液晶與顯示, 2023, 38(4): 419-431. Tab. 1）

基于熱效應的THz探測器，不受材料禁帶寬度的限制，可實現THz寬帶探測，最有可能廣泛應用，其優勢有待充分發揮。受益于可見光波段成熟的高靈敏探測技術，如果能把對THz輻射的測量，通過熱效應，轉化為對可見光進行探測，那么分析可見光的變化特性就可以得到THz波的特性。基于溫敏膽甾相液晶的THz可視化探測就可以實現上述功能，是一種比較新穎、實用的探測THz的方法。

膽甾相液晶的指向矢呈螺旋分布，折射率沿螺旋軸方向呈周期性變化，即具有1D光子晶體結構，微小的溫度變化會引起螺距相應變化，從而造成液晶的光學性質（包括選擇反射，旋光性等）強烈變化，可視為一種結構色溫度傳感器。將其膠囊化，可免受外界環境中水蒸氣、二氧化碳、紫外線和化學蒸汽等影響，作為固體使用和保存，同時制成的懸浮液可以隨意地取用以及涂覆于不同材料上。球形的膠囊可保證膽甾相液晶全方位的選擇反射特性，只需要探測反射光即能對信息進行無接觸光學讀取。

王磊等人設計實現了一種基于膽甾相液晶膠囊（capsulized cholesteric liquid crystal, CCLC）的薄膜用于探測THz功率，但CCLC薄膜對THz波吸收率（60%）仍不夠高，無法有效的加熱CCLC薄膜實現高效可視化探測。為了獲得高效實用的THz探測器，需要結合新的材料來提高THz吸收率。三維多孔石墨烯（three dimensional porous graphene, 3DPG）具有高孔隙率，有效降低了材料的等效折射率，使得THz波在其表面的反射率大大降低，能夠輕松進入內部，然后在孔隙內經歷多次散射、反射，可實現在非常寬的頻率范圍內都保持很低的表面反射和較高的吸收率，同時在較大的入射角范圍內都能保持穩定的吸收特性。黃毅教授組展示了一種超低密度和可調節光學特性的三維石墨烯泡沫，其具有微弱的表面反射和巨大的內部吸收，在0.1-1.2 THz的范圍內具有優異的THz吸收性能，其反射損耗只有19 dB。更重要的是，石墨烯很高的電荷載流子遷移率和良好的導熱特性使得3DPG成為構建新型THz高效探測器件的理想材料。

2020年，王磊等人首次將CCLCs嵌入3DPG進行可視化THz功率探測，如圖7所示。3DPG在0.5-2 THz范圍內具有超過97%的高吸收率，利用溫度超靈敏CCLC的熱色特性，對穩態下THz功率進行了可視化定量研究，THz探測強度高達2.77×102 mW/cm2，最低探測功率僅為0.009 mW。整個器件厚度只有約0.5 mm。該可視化探測器結構簡單便攜、成本低廉、高效實用，可應用于THz系統的對準、THz波的光束分析以及THz成像和傳感等。

圖7：基于CCLC的THz可視化探測。(a) CCLCs摻入3DPG的示意圖和樣品的顯微圖、SEM圖和3DPG拉曼光譜；(b) 3DPG和嵌有CCLCs的3DPG對THz的吸收特性；(c) 基于顯微成像系統可視化THz功率探測裝置；(d) 探測的THz功率可視化結果。
圖源： Optics Letters, 2020, 45(20): 5892-5895. Fig. 1-4

研究發現，相較于單顆CCLC顏色變化的Hue值與THz功率的非線性關系，多顆CCLC隨THz功率的顏色變化Hue值與THz探測功率成線性依賴，可以更好地用于THz檢測。進一步研究發現，3DPG上濺射少量金納米顆粒后，THz功率與CCLC的Hue值亦呈線性關系，如圖8所示。金納米顆粒的加入在一定程度上增強了THz吸收，同時金納米顆粒具有高熱導率，其優異的光熱轉換特性可以將吸收的光能迅速轉換為熱能，增強了吸收進3DPG中的THz波的光熱轉換和熱量傳遞，使得CCLC溫度響應更顯著。

圖8：含有金納米顆粒的3DPG中CCLC的hue值與THz功率的對應關系
圖源：光學學報, 2020, 40(17): 1704002. Fig. 5

但以上工作對THz的特定頻率和偏振特性尚無法具體探測。石墨烯超材料器件可以實現對THz波頻率和偏振等特性的調控。各種石墨烯微結構制備方法中，激光誘導石墨烯（laser-induced graphene, LIG）法是一種非常方便、快捷的新手段。通過調整激光加工參數，可對LIG構性進行調節，從而定制對特定THz頻率的吸收率。LIG法制備3DPG微結構THz器件結合CCLCs進行THz光場可視化探測值得深入研究。

總結與展望

液晶作為軟物質的典型代表之一，具有豐富的內涵與外延。目前，液晶THz光子學研究仍處于藍海。一方面，要充分利用現有液晶技術，滿足不同THz應用場景需求，另一方面，要不斷探索新的液晶材料與技術在THz領域的應用。

液晶THz源方面，還需深入研究基于液晶產生THz輻射的物理機制。首先需要尋找高二階非線性系數、低損耗、高閾值的液晶材料。新型液晶材料，如鐵電向列相，具有較大的二階非線性光學響應，且可以保持在室溫，為我們開發新型基于液晶的THz源打開了新的大門。通過光控取向技術能夠定制液晶在微小區域內的指向矢分布，優化結構設計，飛秒激光-THz的轉換效率有望得到提高。液晶對電場、磁場等外場十分敏感，還可以與超材料，石墨烯等2D材料組合，加強對THz波的靈活調控，未來有望集成到緊湊型、芯片級THz器件和系統中。

液晶THz中間器件方面，液晶器件具有功耗低、效率高、動態可調、適于大面積制備等優勢，其綜合性能還有待全面提升。液晶幾何相位元件展現出優異性能與應用潛力，為了更好地滿足功能性、靈活性、并行性等需求，未來可以擴展到THz波段液晶器件的多模式、多參量、多通道、多維度、多物理場并行操控等方面的研究。目前拓撲光子學的研究已拓展到THz波段，液晶可設計實現可編程控制的拓撲結構。基于液晶的拓撲結構有望實現緊湊、穩定且動態可調的多功能THz器件，為按需調控THz的局域和拓撲特性提供了一種靈活方便的方法，也為實現可用于各種應用的THz集成光路系統開辟一條新的道路。

液晶THz探測器方面，對THz光場（振幅，頻率和偏振）的測量，尤其是同時探測，在THz成像、傳感和光譜等領域具有重要意義。目前基于膽甾相液晶的THz探測器還只能測量THz強度，靈敏度還不夠高，響應速度還不夠快，不具備光譜識別能力。后期可以集成超材料結構進行頻率和偏振的選擇，實現多通道光譜測試，以實現便攜式微型THz光場測試儀。

在THz低頻段領域，利用液晶技術實現高效THz波束賦形與掃描，賦能無線通信，有望打破現有無線通信技術限制；研究利用基于液晶的不同軌道角動量靈活可調的THz波束復用系統，可進一步提高THz通信容量。在THz高頻段領域，THz生物學的研究如火如荼，而生命物質（如DNA、RNA、蛋白質）又都具有某些液晶特性。中國科協發布2022十大前沿科學問題之一的“如何早期診斷無癥狀期阿爾茨海默病”，利用液晶技術或THz技術已有研究，兩者相結合，有希望解決這類生物醫學方面的重大科學問題。

一旦發展成熟，現有LCD生產線只需稍加調整，即可實現液晶THz產品的快速批量生產。相信在不久的將來，一定會迎來液晶THz光子學的春天。

| 論文信息 |

王磊, 吳雙悅, 宗顧衛, 金萍，張緒，宋瑞琦，李炳祥，胡偉，陸延青. 液晶太赫茲光子學研究進展[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(4):419-431.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0370

| 作者簡介 |

王磊，博士，副教授，2014年于南京大學獲得博士學位，主要從事液晶太赫茲光子學、超材料與石墨烯等方面的研究。
E-mail: wangl@njupt.edu.cn

李炳祥，博士，教授，2019年于肯特州立大學先進材料與液晶研究所獲得博士學位，主要從事液晶、刺激響應軟材料、活性物質和生物物理等研究。
E-mail: bxli@njupt.edu.cn

胡偉，博士，教授，2009年于吉林大學獲得博士學位，主要從事液晶光子學研究，聚焦光控液晶層級序構、光尋址液晶調光、軍民用液晶元件開發方面的研究。
E-mail: huwei@nju.edu.cn

陸延青，博士，教授，1996 年于南京大學獲得博士學位，主要從事微納光學、液晶光學、光纖器件方面的研究。
E-mail: yqlu@nju.edu.cn

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