太赫兹技术在无线通信、生化检测和安全检查等领域具有独特应用，但高效、低成本、主动可调的太赫兹调制器仍然稀缺。传统超表面偏转器存在窄带、不可调等局限，单层金属超表面的偏振转换效率甚至低于25%。针对这些问题，提出了一种基于液晶和石墨烯的宽带可调太赫兹束偏转器。该器件利用液晶取向的周期性渐变分布产生频率无关的几何相位（Pancharatnam-Berry相位） ，通过紫外偏振曝光实现特定取向分布。仿真和实验均验证了其在0.8–1.2 THz频段内良好的自旋耦合束偏转效果，平均偏振转换效率超过70%，在1 THz处最高达94%。此外，上下基板引入的石墨烯透明电极使偏转功能可通过外加电压实现动态开关与调谐。该器件制备工艺成熟、成本低，适合大规模生产，为太赫兹通信和成像系统提供了实用方案。
图1.器件结构与几何相位设计原理
图1a为器件结构：上下熔融石英基板内侧分别覆盖石墨烯电极和光配向层（SD1），中间填充500 μm厚的向列相液晶（NJU-LDn-4，双折射率>0.3）。图1b为所需闪耀光栅相位沿x轴的分布——LCP和RCP入射波的相位梯度方向相反（自旋共轭）。图1c为归一化相位分布，沿x轴呈周期性倾斜。图1d为制备样品在正交偏振片下的显微照片及对应区域的液晶取向分布，明暗渐变区域与理论相位分布一致。该图清晰展示了“光配向→液晶取向→几何相位→光束偏转”的设计逻辑。
图2.宽带偏转与偏振转换效率
图2a–b展示了0.8–1.2 THz范围内LCP和RCP入射下xz平面的远场强度分布：不同频率对应不同偏转角，偏转角随频率升高逐渐减小（图2c），与理论计算（黑线）吻合。图2d为偏振转换效率随频率的变化：在1 THz处达到最大值94%，偏离半波条件后效率逐渐下降。实测值略低于理论值，主要归因于石墨烯影响下液晶取向不够完美。这组结果验证了器件在宽带范围内的高效偏转能力。
图3.电控动态开关演示
图3a为施加电压后的器件工作示意：当120 V饱和电压（1 kHz方波）施加于石墨烯电极时，液晶分子完全沿z轴取向，几何相位调制消失，偏转功能关闭。图3b–c为LCP和RCP入射下xy平面的远场强度分布，呈现高斯型光斑——光束直接透射而无偏转，验证了动态开关功能。由于电场非均匀性，光斑略有散射，但开关效果明确。这展示了石墨烯电极实现电控可调谐的关键作用。
Q1：为什么用液晶几何相位而不是超表面来实现束偏转？
A1：超表面依赖电磁共振，单层金属超表面偏振转换效率低于25%，多层或介质超表面也多在80%以下，且加工复杂、带宽窄。液晶是非共振材料，理论偏振转换效率可超95%，通过优化盒厚和选用低损耗液晶即可实现。此外，液晶器件制备工艺成熟（光配向）、成本低、适合大面积生产，且几何相位与频率无关，天然支持宽带工作。
Q2：石墨烯电极相比传统ITO电极有什么优势？
A2：ITO在太赫兹频段损耗大、透过率低，且柔性差。石墨烯兼具高导电性和高太赫兹透过率，2–3层石墨烯即可在保证电极导电性的同时让大部分太赫兹波通过，维持器件高性能。此外，石墨烯还便于转移和加工，与液晶光配向工艺兼容，是实现电控可调太赫兹液晶器件的理想透明电极。
Q3：该器件目前偏转角仅13°，能否进一步扩大？响应速度如何？
A3： 偏转角由光栅周期P决定（θ=arcsin(λ/P)），减小P即可增大偏转角，但受限于液晶像素尺寸和光配向分辨率。理论上通过优化曝光精度可进一步扩大。响应速度方面，液晶的调制速率约毫秒级，慢于半导体或相变材料的微秒至纳秒级，但本工作面向准静态或低速调谐场景（如通信链路配置、成像模式切换），毫秒级已足够。未来可采用铁电液晶或蓝相液晶进一步提升速度。
文献来源：https://doi.org/10.3390/cryst11091141
文献标题：Broadband Tunable Terahertz Beam Deflector Based on Liquid Crystals and Graphene
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