近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授罗丹团队联合天津大学教授谷建强团队在Nature子刊Light: Science & Applications发表文章 “Active Terahertz Beam Steering Based on Mechanical Deformation of Liquid Crystal Elastomer Metasurface”，报道了在太赫兹波段实现了以液晶弹性体机械变性形为原理的可重构波束转向超表面，展示了机械变形超表面的前景，为可重构超表面的发展提供新的思路。

主动式超表面以其可调谐的光学响应和平坦紧凑的形貌正在成为下一代光学器件的核心。特别是对于太赫兹波段，主动式超表面已被应用于可调谐滤波器、光学斩波和压缩传感成像等领域。然而，主动式超表面主要集中于改变基材的介电常数、磁导率等物构参数，往往会带来谐振效应和欧姆损耗。因此，主动式超表面仍远未取代传统器件并大规模用于太赫兹系统，而基于机械变形的可重构超表面则可以很好地避免上述问题。液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer, LCE）作为一种新型液晶聚合物材料，兼具液晶与弹性体的双重特性，可以在热、光、电等激励下能发生快速、可控、可复原的弹性形变，非常适合作为主动式超表面中的柔性衬底及活性材料。

本工作中，研究人员使用液晶单体(RM006)、液晶交联剂(RM257)和光引发剂(Irgacure 651)构造适当交联的液晶聚合物网络，并用液晶盒对LCE的分子取向进行控制，实现展曲的分子排列。LCE的形变行为非常依赖分子取向，展曲的分子排列使液晶弹性体在温度升高到相变温度以上时，在LCE内部产生沿着厚度变化的应力，从而使LCE向分子平行取向侧发生弯曲。研究团队用具有展曲结构的LCE作为柔性衬底设计了一种以C形金属开口环为谐振器的主动式超表面，实现了宽带太赫兹波前转向的连续调控。LCE超表面的线性相位梯度通过在LCE衬底表面制作由8个相位间隔为π/4的C形开口环组成的周期结构。根据广义斯涅尔定律，太赫兹波的出射方向将根据C形开口环的相位梯度大小发生相应弯折。并且当使用线光源激励LCE超表面，光热效应使照射部分的LCE发生弯折，其余部分保持平整，实现了LCE超表面的整体弯折，弯折的角度可以通过控制刺激源的功率精确控制。太赫兹波的入射角随着LCE超表面的弯曲发生变化，根据广义斯涅尔定律，出射角度也将发生相应变化，从而实现对太赫兹波束转向的控制。

图1. 液晶弹性体形变机理和LCE超表面实现太赫兹光束偏折

使用全光纤异步采样太赫兹时域光谱系统对LCE超表面的光束调控能力进行了测试。当没有光源刺激时，超表面能使0.48~1.1 THz正入射太赫兹波的正交偏振分量以70°~25°的角度出射。在对LCE超表面分别施加四种泵浦光功率时，超表面发生0°、8°、15°和18°的弯折。随泵浦功率的增大，同一频率下的输出角度逐渐增加，低频处效果更为明显。在最高功率的红外激光泵浦下， 0.68 THz的太赫兹波输出角达到了最高22°的调谐范围。

图2. 柔性LCE超表面的光调控实验结果

得益于LCE的多刺激响应特性，对于相同的LCE超表面，不同的驱动方式展现出完全不同的器件效果。当使用加热平台对LCE超表面进行加热升温时，均匀受热的LCE衬底出现了整体弯曲，不同于光控实现的沿轴弯折，整体弯曲的LCE超表面的相位梯度不再是线性的，透射波不但出射方向发生变化，而且波前的形状也将不同于入射波，说明LCE衬底的调控方式将成为此类机械变形超表面设计的一个重要课题。此外，太赫兹波段的光控分束器可以通过偏折器超表面结构相向拼接，并通过实验验证。LCE超表面展示出的潜力为太赫兹波段的光束控制、频率调制和温度传感提供了相当多的选择，多样的行为模式为太赫兹器件提供更多可能，推动下一代无线通信、T射线成像和太赫兹智能传感研究领域的发展。不仅是太赫兹波段，本项工作提出的设计方案可拓展到更多频段，为主动式超表面的研究开辟了一条新颖的道路。

图3. 柔性LCE超表面的热调控实验结果

天津大学硕士生庄晓琳和南方科技大学博士生张伟为共同第一作者，罗丹和谷建强为共同通讯作者，其他合作者包括天津大学博士生王可蒙、顾扬帆、安有文以及天津大学副教授张学迁，教授韩家广和俄克拉荷马州立大学教授张伟力。

该工作得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-022-01046-6 

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李佰英

编辑：朱增光