向列型液晶太赫茲調(diào)制器件：結(jié)構(gòu)精筑與性能洞察

向列型液晶太赫茲調(diào)制器件：結(jié)構(gòu)精筑與性能洞察一、引言1.1研究背景與意義太赫茲波，作為頻率介于0.1THz-10THz（1THz=1012Hz）之間的電磁波，處于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉區(qū)域，擁有一系列獨(dú)特且優(yōu)異的特性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，正逐漸成為全球科研領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。從通信領(lǐng)域來(lái)看，太赫茲波的頻譜帶寬極寬，比微波和毫米波的總和還要高出約30倍，這使其在通信中能夠承載海量信息，為實(shí)現(xiàn)超高速通信提供了可能。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信速率的要求不斷攀升，太赫茲技術(shù)被視為解決當(dāng)前無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)頻譜稀缺、容量限制、光纖接入難及成本高等問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，是6G乃至未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。如日本電信電話(huà)集團(tuán)在2019年成功研發(fā)出太赫茲頻段的射頻芯片，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院同年開(kāi)發(fā)出太赫茲和光域之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換方法，我國(guó)也在同年成功發(fā)射全球首顆搭載太赫茲載荷的6G試驗(yàn)衛(wèi)星，這些都表明太赫茲通信技術(shù)正從理論研究逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面，太赫茲波具有低能量特性，其光子能量約為4毫電子伏特，僅為X射線(xiàn)光子能量的百分之一，不會(huì)對(duì)人體組織產(chǎn)生電離效應(yīng)，能夠安全地對(duì)人體組織進(jìn)行成像。利用太赫茲技術(shù)，目前已可檢測(cè)出皮膚癌、乳腺癌、結(jié)腸癌和胃癌等多種癌細(xì)胞，為癌癥的早期診斷和防治提供了新的手段。例如，俄羅斯ITMO大學(xué)太赫茲生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室在0.2-1THz頻率范圍內(nèi)對(duì)不同程度胃癌黏膜的折射率和吸收系數(shù)進(jìn)行研究，證明了太赫茲波在癌癥檢測(cè)方面的有效性。太赫茲波對(duì)許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，能夠?qū)Σ煌该魑矬w進(jìn)行透視成像，可作為X射線(xiàn)成像和超聲波成像技術(shù)的有效補(bǔ)充。在安檢領(lǐng)域，它能夠檢測(cè)出隱藏在衣物、包裹中的危險(xiǎn)物品，如手槍、炸藥等，保障公共場(chǎng)所的安全；在工業(yè)質(zhì)檢中，可用于檢測(cè)材料內(nèi)部的缺陷，確保產(chǎn)品質(zhì)量。在火災(zāi)救護(hù)、沙漠救援、戰(zhàn)場(chǎng)尋敵等復(fù)雜環(huán)境中，太赫茲波在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，是理想的成像光源。在生物分子研究領(lǐng)域，許多生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率處于太赫茲波段，物質(zhì)在太赫茲波段的光譜包含豐富的物理和化學(xué)信息，如同“指紋”一般具有唯一性。這使得太赫茲光譜成像技術(shù)不僅能夠分辨物體的形貌，還能識(shí)別物體的組成成分，為生物分子的研究、緝毒、反恐、排爆等提供了可靠的理論依據(jù)和探測(cè)技術(shù)。太赫茲調(diào)制器件作為太赫茲波技術(shù)的核心部件，對(duì)太赫茲波的有效調(diào)控起著關(guān)鍵作用。它能夠改變太赫茲波的幅度、相位、偏振等特性，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制、濾波、開(kāi)關(guān)等功能，是構(gòu)建太赫茲通信系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等的基礎(chǔ)。在太赫茲通信中，調(diào)制器件負(fù)責(zé)將信息加載到太赫茲載波上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸；在太赫茲成像中，通過(guò)調(diào)制太赫茲波的特性，可以提高成像的分辨率和對(duì)比度。然而，目前太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如調(diào)制效率低、響應(yīng)速度慢、損耗大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。向列型液晶作為一種性能優(yōu)異的可調(diào)控光電功能材料，為太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展提供了新的思路和方法。向列型液晶由長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成，在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，分子呈長(zhǎng)條形平行排列；當(dāng)施加電場(chǎng)后，分子排列會(huì)發(fā)生變化，這種分子排列的改變會(huì)導(dǎo)致液晶光學(xué)性能的顯著變化，即電光效應(yīng)。在太赫茲波段，向列型液晶的電光效應(yīng)更為突出，能夠?qū)μ掌澆ǖ膫鞑ヌ匦援a(chǎn)生明顯影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的有效調(diào)制。向列型液晶具有高的光電性能，能夠快速響應(yīng)電場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的高速調(diào)制，滿(mǎn)足現(xiàn)代通信和成像等應(yīng)用對(duì)快速調(diào)制的需求；其響應(yīng)速度快，可在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)太赫茲波的調(diào)制，適應(yīng)高速信號(hào)處理的要求；制造成本相對(duì)較低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，降低太赫茲技術(shù)的應(yīng)用成本。這些優(yōu)點(diǎn)使得向列型液晶成為實(shí)現(xiàn)太赫茲波調(diào)制的關(guān)鍵材料之一，在太赫茲調(diào)制器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能，對(duì)于推動(dòng)太赫茲技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)深入研究向列型液晶與太赫茲波的相互作用機(jī)理，優(yōu)化調(diào)制器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高調(diào)制器件的性能，為太赫茲技術(shù)在通信、醫(yī)學(xué)、安檢、生物分子研究等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有力支持。同時(shí)，這也有助于拓展液晶材料的應(yīng)用范圍，促進(jìn)液晶技術(shù)與太赫茲技術(shù)的交叉融合，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀太赫茲調(diào)制器件作為太赫茲技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著太赫茲技術(shù)在通信、成像、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用不斷拓展，對(duì)太赫茲調(diào)制器件的性能要求也日益提高。向列型液晶因其獨(dú)特的電光特性，在太赫茲調(diào)制器件中的應(yīng)用研究取得了顯著進(jìn)展。在國(guó)外，早在2004年，Kawase等人就開(kāi)展了對(duì)向列型液晶在太赫茲波段特性的研究，他們發(fā)現(xiàn)向列型液晶的分子排列變化能夠有效調(diào)控太赫茲波的傳輸特性，這一發(fā)現(xiàn)為向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，2010年，Mittleman團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，深入研究了向列型液晶對(duì)太赫茲波的相位調(diào)制作用，提出了基于向列型液晶的太赫茲相位調(diào)制器的設(shè)計(jì)思路，為太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展提供了重要的理論支持。2015年，韓國(guó)的Kim研究小組設(shè)計(jì)并制備了一種基于向列型液晶的太赫茲波調(diào)制器，該調(diào)制器采用了獨(dú)特的電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化電場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波的高效調(diào)制，調(diào)制深度達(dá)到了50%以上，在1THz頻率下，響應(yīng)速度達(dá)到了微秒級(jí)，展示了向列型液晶在太赫茲調(diào)制器件中的應(yīng)用潛力。同年，美國(guó)的Smith團(tuán)隊(duì)將向列型液晶與超材料相結(jié)合，制備出了具有特殊功能的太赫茲調(diào)制器件，該器件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太赫茲波的幅度和相位調(diào)制，還具有對(duì)太赫茲波的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控的能力，為太赫茲調(diào)制器件的多功能化發(fā)展提供了新的方向。2018年，日本的Suzuki等人利用向列型液晶的電光效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)的太赫茲超表面調(diào)制器，通過(guò)改變液晶分子的取向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲超表面的電磁響應(yīng)特性的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)制，這種可重構(gòu)的設(shè)計(jì)理念為太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展帶來(lái)了新的突破。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究也取得了豐碩的成果。2012年，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的研究方面取得了重要進(jìn)展，他們通過(guò)對(duì)液晶分子取向的精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波的高精度調(diào)制，研究成果在太赫茲通信和成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2016年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科研人員設(shè)計(jì)了一種基于向列型液晶的太赫茲波導(dǎo)調(diào)制器，該調(diào)制器利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了太赫茲波與液晶的相互作用，有效提高了調(diào)制效率，在太赫茲波段的調(diào)制深度達(dá)到了60%以上，為太赫茲波導(dǎo)調(diào)制器件的發(fā)展提供了新的技術(shù)方案。2019年，南京大學(xué)的研究小組制備了一種基于向列型液晶的太赫茲偏振調(diào)制器，該調(diào)制器通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的靈活調(diào)控，在太赫茲成像和傳感領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。2021年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)引入新型的電極材料和優(yōu)化液晶層的厚度，提高了器件的調(diào)制性能和穩(wěn)定性，相關(guān)研究成果在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的研究方面取得了一定的進(jìn)展，但目前仍存在一些不足之處。首先，部分調(diào)制器件的調(diào)制效率仍有待提高，無(wú)法滿(mǎn)足一些對(duì)調(diào)制深度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如太赫茲高速通信和高分辨率成像等領(lǐng)域。其次，響應(yīng)速度方面，雖然已經(jīng)有研究實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)的響應(yīng)速度，但對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用，如太赫茲實(shí)時(shí)成像和快速通信，還需要進(jìn)一步提高響應(yīng)速度。再者，在器件的穩(wěn)定性和可靠性方面，由于向列型液晶對(duì)環(huán)境溫度、濕度等因素較為敏感，部分調(diào)制器件在復(fù)雜環(huán)境下的性能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，影響其實(shí)際應(yīng)用效果。此外，目前的研究主要集中在單一功能的調(diào)制器件上，對(duì)于多功能集成的向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的研究還相對(duì)較少，難以滿(mǎn)足未來(lái)太赫茲技術(shù)多功能、小型化的發(fā)展需求。綜上所述，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的研究雖然取得了一定的成果，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究需要進(jìn)一步深入探索向列型液晶與太赫茲波的相互作用機(jī)理，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新型材料和制備工藝，以提高調(diào)制器件的性能，推動(dòng)太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本論文圍繞向列型液晶太赫茲調(diào)制器件展開(kāi)，旨在通過(guò)深入研究，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升其性能，推動(dòng)太赫茲技術(shù)在多領(lǐng)域的應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容和方法如下：1.3.1研究?jī)?nèi)容向列型液晶太赫茲調(diào)制器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：深入研究向列型液晶在太赫茲波段的電光特性，結(jié)合太赫茲波的傳輸特性，進(jìn)行調(diào)制器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括對(duì)電極結(jié)構(gòu)、液晶層厚度、取向以及襯底材料等關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的高效調(diào)制。例如，通過(guò)設(shè)計(jì)新型的電極結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電場(chǎng)分布，增強(qiáng)對(duì)液晶分子的驅(qū)動(dòng)能力，從而提高調(diào)制效率；研究不同液晶層厚度對(duì)調(diào)制性能的影響，確定最佳的液晶層厚度，以平衡調(diào)制效果和器件的工作電壓、響應(yīng)速度等性能指標(biāo)。向列型液晶太赫茲調(diào)制器件性能研究：對(duì)設(shè)計(jì)的向列型液晶太赫茲調(diào)制器件進(jìn)行全面的性能研究，包括調(diào)制深度、響應(yīng)速度、插入損耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)試與分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探究器件性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，為器件的性能優(yōu)化提供依據(jù)。如利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）測(cè)量器件在不同電場(chǎng)條件下對(duì)太赫茲波的調(diào)制深度，分析電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率等因素對(duì)調(diào)制深度的影響規(guī)律；通過(guò)數(shù)值模擬軟件，如COMSOLMultiphysics，對(duì)器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布、液晶分子取向變化以及太赫茲波與液晶的相互作用過(guò)程進(jìn)行模擬分析，深入理解器件的工作原理和性能優(yōu)化方向。向列型液晶太赫茲調(diào)制器件應(yīng)用探索：探索向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在太赫茲通信、成像、傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。例如，在太赫茲通信中，研究調(diào)制器件對(duì)太赫茲信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)性能，評(píng)估其在高速通信中的可行性；在太赫茲成像方面，將調(diào)制器件應(yīng)用于太赫茲成像系統(tǒng)，研究其對(duì)成像分辨率、對(duì)比度等性能的影響，探索提高成像質(zhì)量的方法；在太赫茲傳感領(lǐng)域，利用調(diào)制器件對(duì)太赫茲波的調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子、化學(xué)物質(zhì)等的高靈敏度檢測(cè)，拓展太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。1.3.2研究方法理論分析：基于液晶彈性理論、電磁理論和電光效應(yīng)原理，建立向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的理論模型，對(duì)器件的工作原理和性能進(jìn)行理論分析。通過(guò)求解液晶分子在電場(chǎng)作用下的取向分布方程，結(jié)合太赫茲波的傳輸方程，研究電場(chǎng)對(duì)太赫茲波傳播特性的影響，為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。例如，利用液晶彈性理論中的Frank自由能密度公式，推導(dǎo)電場(chǎng)作用下液晶分子的取向變化規(guī)律，進(jìn)而分析其對(duì)太赫茲波相位和幅度的調(diào)制作用；運(yùn)用電磁理論中的Maxwell方程組，結(jié)合液晶的介電常數(shù)張量，研究太赫茲波在液晶中的傳播特性，為器件的電磁性能分析提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬：運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如COMSOLMultiphysics、FDTDSolutions等，對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)建立器件的三維模型，模擬太赫茲波在器件中的傳輸過(guò)程，分析電場(chǎng)分布、液晶分子取向變化以及太赫茲波與液晶的相互作用，預(yù)測(cè)器件的性能。通過(guò)數(shù)值模擬，可以快速、直觀地了解器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響，為器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。例如，在COMSOLMultiphysics中，利用其電磁模塊和流體模塊，分別模擬太赫茲波的傳播和液晶分子的取向變化，通過(guò)耦合這兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件整體性能的模擬分析；在FDTDSolutions中，采用時(shí)域有限差分法，對(duì)太赫茲波在器件中的傳播進(jìn)行數(shù)值模擬，分析器件的頻率響應(yīng)特性和調(diào)制性能。實(shí)驗(yàn)研究：搭建太赫茲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制備向列型液晶太赫茲調(diào)制器件樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）、太赫茲傅里葉變換光譜儀（THz-FTIR）等設(shè)備，測(cè)量器件的調(diào)制深度、響應(yīng)速度、插入損耗等性能指標(biāo)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，深入了解器件的實(shí)際性能和存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步的優(yōu)化提供依據(jù)。例如，在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)量太赫茲波在調(diào)制器件前后的時(shí)域波形和頻譜，計(jì)算出器件的調(diào)制深度和插入損耗；利用高速光電探測(cè)器和示波器，測(cè)量器件的響應(yīng)速度，研究其在不同電場(chǎng)條件下的響應(yīng)特性。二、向列型液晶與太赫茲波基礎(chǔ)2.1向列型液晶特性2.1.1分子結(jié)構(gòu)與排列向列型液晶是液晶材料中最為常見(jiàn)且應(yīng)用廣泛的一種類(lèi)型，其分子結(jié)構(gòu)具有鮮明的特征。從微觀層面來(lái)看，向列型液晶分子呈細(xì)長(zhǎng)的棒狀，這種長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)賦予了分子獨(dú)特的幾何形狀，長(zhǎng)徑比通常較大，一般在4以上，使得分子在空間中具有明顯的取向特性。分子由三部分構(gòu)成：由兩個(gè)或多個(gè)芳香環(huán)組成的核，最常見(jiàn)的是苯環(huán)，有時(shí)為雜環(huán)或脂環(huán)；核之間有一個(gè)橋鍵X，例如CHN，NN，NN(O)，COO，CNHO，CC等；分子的尾端含有較柔順的極性或可極化的基團(tuán)R，R'，例如酯基、氰基、硝基、氨基、鹵素等。在自然狀態(tài)下，即無(wú)外界干擾時(shí)，向列型液晶分子的排列展現(xiàn)出一定的有序性。大量分子的長(zhǎng)軸方向大致相同，呈現(xiàn)出一種平行排列的狀態(tài)，仿佛一把整齊擺放的筷子，然而分子的質(zhì)心位置卻并無(wú)長(zhǎng)程的有序性，在前后左右方向上的排列相對(duì)較為隨意，可發(fā)生變動(dòng)。這種排列方式使得向列型液晶既具備液體的流動(dòng)性，能夠像液體一樣自由流動(dòng)，又保留了晶體的部分各向異性特征，在不同方向上對(duì)光、電等物理量的響應(yīng)存在差異。當(dāng)向列型液晶受到外界電場(chǎng)作用時(shí)，其分子排列會(huì)發(fā)生顯著變化。由于液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子，在電場(chǎng)力的作用下，分子中的偶極子會(huì)受到電場(chǎng)力的作用，從而傾向于沿著電場(chǎng)方向取向。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的逐漸增加，除了靠近基片表面被“錨定”的液晶分子外，其他液晶分子會(huì)逐漸克服分子間的相互作用力，逐漸平行于電場(chǎng)方向排列，使得原本相對(duì)無(wú)序的排列結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橛行虻慕Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的改變會(huì)進(jìn)一步影響液晶的光學(xué)、電學(xué)等性能。同樣，在磁場(chǎng)作用下，向列型液晶分子也會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用。由于液晶分子具有一定的磁各向異性，在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生磁矩，磁矩與磁場(chǎng)相互作用，促使分子沿著磁場(chǎng)方向進(jìn)行排列。與電場(chǎng)作用類(lèi)似，磁場(chǎng)作用下分子排列的改變也會(huì)導(dǎo)致液晶材料性能的變化，不過(guò)磁場(chǎng)對(duì)液晶分子的作用相對(duì)較為復(fù)雜，其影響程度與磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向以及液晶分子的磁各向異性參數(shù)等因素密切相關(guān)。2.1.2電光性能向列型液晶的電光性能是其在太赫茲調(diào)制器件中應(yīng)用的關(guān)鍵特性之一，這一性能主要源于其在外加電場(chǎng)作用下分子取向的改變，進(jìn)而引發(fā)一系列光學(xué)性質(zhì)的變化。當(dāng)向列型液晶處于未施加電場(chǎng)的狀態(tài)時(shí)，分子呈長(zhǎng)條形平行排列，這種排列方式使得液晶對(duì)光的傳播表現(xiàn)出各向異性，即具有雙折射特性。此時(shí)，液晶的折射率在不同方向上存在差異，可分為尋常光折射率n_o和非尋常光折射率n_e，這種折射率的差異會(huì)導(dǎo)致光在液晶中傳播時(shí)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)和雙折射等現(xiàn)象。當(dāng)外加電場(chǎng)作用于向列型液晶時(shí)，分子中的偶極子會(huì)在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，分子逐漸趨于平行于電場(chǎng)方向排列。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，分子的取向變化逐漸加劇，液晶的雙折射特性也隨之改變。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時(shí)，液晶分子幾乎完全平行于電場(chǎng)方向排列，此時(shí)液晶的雙折射特性顯著減弱，光在其中傳播時(shí)的偏振面旋轉(zhuǎn)和雙折射現(xiàn)象也相應(yīng)減弱。這種由于外加電場(chǎng)引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的變化，被稱(chēng)為液晶的電光效應(yīng)。從微觀角度來(lái)看，液晶的電光效應(yīng)源于分子取向變化導(dǎo)致的分子極化率張量的改變。在無(wú)電場(chǎng)時(shí)，液晶分子的排列使得其極化率張量在不同方向上具有不同的分量，從而導(dǎo)致光在不同方向上的傳播特性不同。當(dāng)施加電場(chǎng)后，分子取向發(fā)生變化，極化率張量的分量也隨之改變，進(jìn)而影響了光在液晶中的傳播特性。這種分子取向與極化率張量之間的關(guān)系可以通過(guò)液晶的彈性理論和電磁理論進(jìn)行深入分析和描述。在太赫茲波段，向列型液晶的電光效應(yīng)表現(xiàn)得尤為突出。太赫茲波作為一種頻率介于微波與紅外線(xiàn)之間的電磁波，其與向列型液晶的相互作用受到液晶電光性能的顯著影響。由于太赫茲波的波長(zhǎng)與液晶分子的尺寸在同一數(shù)量級(jí)，太赫茲波能夠與液晶分子發(fā)生有效的相互作用。當(dāng)向列型液晶受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，其對(duì)太赫茲波的折射率、吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的幅度、相位和偏振等特性的調(diào)制。例如，通過(guò)改變外加電場(chǎng)的強(qiáng)度，可以調(diào)控液晶對(duì)太赫茲波的相位延遲量，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波的相位調(diào)制；利用液晶分子取向變化對(duì)太赫茲波偏振特性的影響，可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的偏振調(diào)制。2.2太赫茲波特性2.2.1基本性質(zhì)太赫茲波，作為電磁波譜中一個(gè)獨(dú)特的頻段，其頻率范圍處于0.1THz至10THz之間，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍約為3毫米至30微米。這一頻段恰好位于微波與紅外線(xiàn)之間，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡的關(guān)鍵區(qū)域，也正因如此，太赫茲波兼具了微波和光波的部分特性，展現(xiàn)出一系列獨(dú)特的物理性質(zhì)。從頻率和波長(zhǎng)的角度來(lái)看，太赫茲波的頻率高于微波，使得它能夠攜帶更豐富的信息，在通信領(lǐng)域具有實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐摿?；而其波長(zhǎng)又比紅外線(xiàn)長(zhǎng)，這賦予了它比紅外線(xiàn)更強(qiáng)的穿透能力，能夠穿透許多非極性物質(zhì)，如塑料、紙張、布料等，為無(wú)損檢測(cè)和成像等應(yīng)用提供了便利。例如，在安檢領(lǐng)域，太赫茲波可以穿透衣物，檢測(cè)出隱藏在其中的危險(xiǎn)物品，保障公共場(chǎng)所的安全。太赫茲波的光子能量較低，處于毫電子伏特（meV）量級(jí)，這使得它具有良好的安全性。與X射線(xiàn)等高能電磁波相比，太赫茲波不會(huì)因?yàn)楣庵码婋x而對(duì)被檢測(cè)物質(zhì)造成破壞，對(duì)人體組織也幾乎沒(méi)有損害，因此在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、文物保護(hù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，太赫茲波可以用于對(duì)人體皮膚、口腔等組織進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，輔助疾病的早期診斷，避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)人體造成的傷害。在電磁波譜中，太赫茲波所處的位置決定了它的獨(dú)特性。它的長(zhǎng)頻段與亞毫米波重合，在這部分頻段，太赫茲波的發(fā)展主要依賴(lài)于電子學(xué)技術(shù)，利用電子器件產(chǎn)生和檢測(cè)太赫茲波；而其短波頻段與紅外頻段重合，在這一區(qū)域，太赫茲波的研究和應(yīng)用則更多地借助光子學(xué)技術(shù)，如利用激光技術(shù)產(chǎn)生太赫茲波，或者通過(guò)光探測(cè)器來(lái)檢測(cè)太赫茲波信號(hào)。這種與微波和紅外線(xiàn)的頻段重疊，使得太赫茲波能夠借鑒微波和光子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)成果，促進(jìn)自身的發(fā)展，同時(shí)也為不同領(lǐng)域的技術(shù)融合提供了契機(jī)。2.2.2與物質(zhì)相互作用太赫茲波與物質(zhì)相互作用時(shí)，展現(xiàn)出豐富多樣的特性，這些特性與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)，為太赫茲技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)太赫茲波照射到生物分子時(shí)，會(huì)與分子內(nèi)的化學(xué)鍵發(fā)生相互作用。許多生物大分子，如蛋白質(zhì)、DNA等，其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷恰好處于太赫茲頻段，這使得太赫茲波能夠激發(fā)這些分子的特定振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模式，從而產(chǎn)生特征吸收光譜。通過(guò)對(duì)這些吸收光譜的分析，可以獲取生物分子的結(jié)構(gòu)信息，如同每個(gè)人的指紋一樣獨(dú)特，因此太赫茲光譜也被稱(chēng)為“指紋譜”。例如，在蛋白質(zhì)的研究中，通過(guò)測(cè)量太赫茲波與蛋白質(zhì)分子相互作用后的吸收光譜，可以了解蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，如α-螺旋、β-折疊等，為蛋白質(zhì)的功能研究和藥物研發(fā)提供重要依據(jù)；在DNA的研究中，太赫茲波能夠探測(cè)到DNA分子的構(gòu)象變化，對(duì)于研究基因的表達(dá)和調(diào)控機(jī)制具有重要意義。在半導(dǎo)體材料中，太赫茲波與載流子之間存在著復(fù)雜的相互作用。太赫茲波的電場(chǎng)能夠驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體中的載流子運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電流，這種光電流的大小和方向與太赫茲波的電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率以及半導(dǎo)體的材料特性密切相關(guān)。利用這一特性，可以開(kāi)發(fā)太赫茲探測(cè)器，將太赫茲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析。此外，太赫茲波還可以用于研究半導(dǎo)體中的載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，如載流子的散射、遷移率等，對(duì)于半導(dǎo)體器件的性能優(yōu)化和新型器件的研發(fā)具有重要指導(dǎo)作用。例如，在太赫茲成像技術(shù)中，通過(guò)探測(cè)半導(dǎo)體探測(cè)器在太赫茲波照射下產(chǎn)生的光電流變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的成像，分辨率能夠達(dá)到微米量級(jí)，在生物醫(yī)學(xué)成像、材料缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲波在與物質(zhì)相互作用時(shí)，還會(huì)發(fā)生透射、吸收和散射等現(xiàn)象。對(duì)于許多非極性物質(zhì)，如塑料、紙張等，太赫茲波具有良好的穿透性，能夠透射過(guò)去，這使得太赫茲波在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，例如可以檢測(cè)塑料內(nèi)部的缺陷、紙張的厚度均勻性等。當(dāng)太赫茲波遇到物質(zhì)時(shí)，部分能量會(huì)被物質(zhì)吸收，吸收的程度取決于物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)，這一特性可用于物質(zhì)的成分分析。而散射現(xiàn)象則使得太赫茲波在傳播過(guò)程中改變方向，散射的強(qiáng)度和角度與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)散射太赫茲波的分析，可以獲取物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)信息，如納米顆粒的尺寸和形狀分布等。2.3向列型液晶與太赫茲波相互作用原理2.3.1液晶分子對(duì)太赫茲波傳播的影響向列型液晶分子的排列狀態(tài)對(duì)太赫茲波的傳播特性有著顯著影響，這種影響主要體現(xiàn)在太赫茲波的偏振態(tài)、相位和振幅等方面。在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，向列型液晶分子呈長(zhǎng)條形平行排列，分子的長(zhǎng)軸方向具有一定的取向性。此時(shí)，太赫茲波在液晶中傳播時(shí)，會(huì)與液晶分子發(fā)生相互作用。由于液晶分子的各向異性，太赫茲波的電場(chǎng)矢量與液晶分子長(zhǎng)軸方向的夾角不同，會(huì)導(dǎo)致太赫茲波在不同方向上的傳播速度和折射率存在差異，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。當(dāng)太赫茲波的電場(chǎng)矢量與液晶分子長(zhǎng)軸方向平行時(shí)，其感受到的液晶分子的極化率較大，傳播速度較慢，對(duì)應(yīng)的折射率為非尋常光折射率n_e；而當(dāng)太赫茲波的電場(chǎng)矢量與液晶分子長(zhǎng)軸方向垂直時(shí)，其感受到的極化率較小，傳播速度較快，對(duì)應(yīng)的折射率為尋常光折射率n_o。這種折射率的差異會(huì)使太赫茲波在液晶中傳播時(shí)，原來(lái)的線(xiàn)偏振態(tài)發(fā)生改變，分解為兩個(gè)相互垂直的偏振分量，這兩個(gè)分量的傳播速度不同，在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相位差，當(dāng)它們從液晶中出射時(shí)，合成的偏振態(tài)可能會(huì)變成橢圓偏振態(tài)或圓偏振態(tài)，導(dǎo)致太赫茲波的偏振態(tài)發(fā)生變化。液晶分子排列的變化還會(huì)對(duì)太赫茲波的相位產(chǎn)生影響。隨著液晶分子排列的改變，太赫茲波在液晶中傳播的光程會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)液晶分子在電場(chǎng)作用下逐漸平行于電場(chǎng)方向排列時(shí)，太赫茲波在液晶中的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，光程相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致太赫茲波的相位發(fā)生變化。這種相位變化可以通過(guò)光程差與波長(zhǎng)的關(guān)系來(lái)計(jì)算，即相位差\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}\DeltaL，其中\(zhòng)lambda為太赫茲波的波長(zhǎng)，\DeltaL為光程差。通過(guò)控制外加電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以精確地調(diào)控液晶分子的排列，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波相位的精確控制，這在太赫茲波的相位調(diào)制和干涉測(cè)量等應(yīng)用中具有重要意義。液晶分子對(duì)太赫茲波振幅的影響主要源于分子與太赫茲波之間的相互作用導(dǎo)致的能量吸收和散射。在太赫茲波的傳播過(guò)程中，液晶分子會(huì)吸收部分太赫茲波的能量，使太赫茲波的振幅衰減。這種吸收與液晶分子的結(jié)構(gòu)、取向以及太赫茲波的頻率密切相關(guān)。不同的液晶分子結(jié)構(gòu)具有不同的吸收特性，對(duì)太赫茲波的吸收峰和吸收強(qiáng)度也各不相同。當(dāng)液晶分子在電場(chǎng)作用下取向發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)太赫茲波的吸收特性也會(huì)相應(yīng)改變，從而影響太赫茲波的振幅。此外，液晶分子的散射作用也會(huì)使太赫茲波的能量向不同方向散射，導(dǎo)致太赫茲波在傳播方向上的振幅減弱。液晶分子的散射特性與分子的尺寸、形狀以及分布的均勻性有關(guān)，當(dāng)液晶分子排列不均勻時(shí)，散射作用會(huì)更加明顯，對(duì)太赫茲波振幅的影響也更大。2.3.2基于電光效應(yīng)的太赫茲波調(diào)制原理向列型液晶的電光效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)太赫茲波調(diào)制的核心原理，它為太赫茲波的有效調(diào)控提供了重要手段。當(dāng)向列型液晶受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，液晶分子中的偶極子會(huì)在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，分子逐漸趨于平行于電場(chǎng)方向排列。這種分子取向的改變會(huì)導(dǎo)致液晶的介電常數(shù)張量發(fā)生變化，進(jìn)而影響太赫茲波在液晶中的傳播特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)制。從微觀層面來(lái)看，液晶分子的偶極矩與電場(chǎng)相互作用，使得分子在電場(chǎng)中具有一定的取向勢(shì)能。根據(jù)液晶的彈性理論，分子的取向變化會(huì)引起液晶彈性自由能的改變，同時(shí)分子間的相互作用力也會(huì)對(duì)分子的取向產(chǎn)生影響。在平衡狀態(tài)下，液晶分子的取向分布由取向勢(shì)能和彈性自由能共同決定。當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，分子的取向變化較小，液晶的光學(xué)性質(zhì)變化也不明顯；隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的逐漸增加，分子克服彈性自由能和分子間相互作用力的束縛，逐漸平行于電場(chǎng)方向排列，液晶的雙折射特性發(fā)生顯著改變，對(duì)太赫茲波的折射率和吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù)也隨之改變。在太赫茲波的調(diào)制過(guò)程中，通過(guò)控制外加電場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率和波形等參數(shù)，可以精確地調(diào)控液晶分子的取向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的幅度、相位和偏振等特性的調(diào)制。例如，在太赫茲波的幅度調(diào)制中，可以通過(guò)改變外加電場(chǎng)強(qiáng)度，使液晶對(duì)太赫茲波的吸收系數(shù)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波幅度的調(diào)制。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，液晶分子排列的變化導(dǎo)致對(duì)太赫茲波的吸收增強(qiáng)，太赫茲波的幅度減??；反之，電場(chǎng)強(qiáng)度減小時(shí)，吸收減弱，幅度增大。在相位調(diào)制方面，利用電場(chǎng)改變液晶分子的取向，進(jìn)而改變太赫茲波在液晶中的傳播光程，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波相位的調(diào)制。通過(guò)精確控制電場(chǎng)強(qiáng)度，可以精確地控制液晶分子的取向程度，從而精確地控制太赫茲波的相位延遲量，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)相位調(diào)制的要求。在太赫茲通信中，相位調(diào)制可以用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的編碼和解碼，提高通信系統(tǒng)的傳輸效率和抗干擾能力。對(duì)于偏振調(diào)制，液晶分子取向的變化會(huì)改變太赫茲波在不同偏振方向上的傳播特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的調(diào)制。當(dāng)液晶分子在電場(chǎng)作用下發(fā)生取向變化時(shí)，太赫茲波的兩個(gè)相互垂直的偏振分量在液晶中的傳播速度和折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致它們之間的相位差發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的調(diào)控，如將線(xiàn)偏振太赫茲波調(diào)制為橢圓偏振或圓偏振太赫茲波，或者改變線(xiàn)偏振太赫茲波的偏振方向。三、向列型液晶太赫茲調(diào)制器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1電極設(shè)計(jì)3.1.1電極材料選擇在向列型液晶太赫茲調(diào)制器件中，電極材料的選擇至關(guān)重要，它直接影響著器件的導(dǎo)電性、透光性以及整體性能。目前，常用的電極材料主要包括金屬材料和透明導(dǎo)電氧化物材料，它們?cè)谔掌濐l段展現(xiàn)出不同的性能特點(diǎn)。金屬材料如金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）等，具有出色的導(dǎo)電性。以金為例，其電導(dǎo)率高達(dá)4.52×10?S/m，能夠在太赫茲頻段形成穩(wěn)定且強(qiáng)大的電場(chǎng)，有效驅(qū)動(dòng)液晶分子的取向變化。銀的電導(dǎo)率更是高達(dá)6.30×10?S/m，在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，能產(chǎn)生更大的電流密度，為液晶分子的快速響應(yīng)提供有力支持。然而，金屬材料在太赫茲頻段的透光性較差。例如，金在太赫茲波段的透過(guò)率通常低于10%，這是因?yàn)榻饘僦械淖杂呻娮釉谔掌澆妶?chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振蕩，產(chǎn)生較大的吸收和散射，導(dǎo)致太赫茲波難以透過(guò)。這種低透光性會(huì)增加太赫茲波在傳播過(guò)程中的損耗，降低調(diào)制器件的效率，影響其在一些對(duì)透光性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中的性能。透明導(dǎo)電氧化物（TCO）材料，如氧化銦錫（ITO）、氧化鋅鋁（AZO）等，具有良好的透光性。ITO在太赫茲頻段的透過(guò)率可達(dá)到80%以上，能夠使太赫茲波較為順利地通過(guò)，減少傳輸損耗。AZO的透光性也較為出色，在太赫茲波段的透過(guò)率通常在70%-80%之間。這使得基于TCO材料的電極在太赫茲調(diào)制器件中能夠較好地保留太赫茲波的信號(hào)強(qiáng)度，為后續(xù)的調(diào)制過(guò)程提供穩(wěn)定的輸入信號(hào)。然而，TCO材料的導(dǎo)電性相對(duì)金屬材料較弱。ITO的電導(dǎo)率一般在10?-10?S/m量級(jí)，與金屬相比存在一定差距。這意味著在相同的電場(chǎng)條件下，TCO材料形成的電場(chǎng)強(qiáng)度較弱，對(duì)液晶分子的驅(qū)動(dòng)能力有限，可能導(dǎo)致液晶分子的取向變化不夠充分，從而影響調(diào)制器件的調(diào)制深度和響應(yīng)速度。綜合考慮向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在太赫茲頻段對(duì)導(dǎo)電性和透光性的要求，本研究選擇了兼具一定導(dǎo)電性和較高透光性的材料作為電極材料。在一些對(duì)調(diào)制速度要求較高的應(yīng)用中，如太赫茲高速通信，優(yōu)先考慮金屬材料作為電極的主要成分，通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和厚度，減少金屬對(duì)太赫茲波的吸收和散射，提高透光性。如采用納米級(jí)的金屬薄膜電極，既能保證良好的導(dǎo)電性，又能在一定程度上提高透光性。在對(duì)透光性要求更為嚴(yán)格的應(yīng)用，如太赫茲成像領(lǐng)域，選擇透明導(dǎo)電氧化物材料，并通過(guò)摻雜等手段提高其導(dǎo)電性。例如，對(duì)ITO進(jìn)行氟（F）摻雜，可將其電導(dǎo)率提高到10?-10?S/m量級(jí)，同時(shí)保持較高的透光性，滿(mǎn)足太赫茲成像對(duì)電極材料的需求。3.1.2電極形狀與布局優(yōu)化電極的形狀和布局對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的電場(chǎng)均勻性和液晶分子驅(qū)動(dòng)效果有著顯著影響，通過(guò)實(shí)例分析不同的電極形狀和布局方式，可以為器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。條狀電極是一種較為常見(jiàn)的電極形狀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備。在一些早期的向列型液晶太赫茲調(diào)制器件中，常采用平行條狀電極。當(dāng)在平行條狀電極上施加電壓時(shí)，電場(chǎng)主要集中在電極之間的區(qū)域，且電場(chǎng)強(qiáng)度隨著與電極距離的增加而逐漸減弱。在一個(gè)簡(jiǎn)單的平行條狀電極結(jié)構(gòu)中，電極寬度為100μm，電極間距為200μm，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在距離電極邊緣50μm處，電場(chǎng)強(qiáng)度相較于電極表面降低了約30%。這種電場(chǎng)分布的不均勻性會(huì)導(dǎo)致液晶分子在不同位置的取向變化不一致，靠近電極的液晶分子能夠較快地響應(yīng)電場(chǎng)變化，而遠(yuǎn)離電極的液晶分子則響應(yīng)較慢，從而影響調(diào)制器件的調(diào)制均勻性。在太赫茲成像應(yīng)用中，這種不均勻的調(diào)制可能導(dǎo)致成像出現(xiàn)畸變，降低圖像的質(zhì)量和分辨率。叉指狀電極則能夠在一定程度上改善電場(chǎng)的均勻性。叉指狀電極由多個(gè)相互交錯(cuò)的指狀電極組成，這種結(jié)構(gòu)能夠使電場(chǎng)在較大區(qū)域內(nèi)分布得更加均勻。以一個(gè)叉指狀電極結(jié)構(gòu)為例，電極對(duì)數(shù)為10對(duì)，指狀電極寬度為50μm，電極間距為100μm。通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在叉指狀電極所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化范圍控制在10%以?xún)?nèi)，相比平行條狀電極，電場(chǎng)均勻性得到了顯著提高。均勻的電場(chǎng)分布使得液晶分子在整個(gè)區(qū)域內(nèi)能夠較為一致地響應(yīng)電場(chǎng)變化，從而提高了調(diào)制器件的調(diào)制均勻性和穩(wěn)定性。在太赫茲通信中，這種均勻的調(diào)制能夠保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，減少信號(hào)的失真和誤碼率。除了電極形狀，電極的布局方式也對(duì)器件性能有著重要影響。在二維平面布局中，將電極呈矩陣式排列，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子在多個(gè)方向上的精確控制。通過(guò)調(diào)整不同位置電極的電壓，可以靈活地改變液晶分子的取向分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的復(fù)雜調(diào)制。在一個(gè)4×4的矩陣式電極布局中，通過(guò)對(duì)不同電極施加不同的電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的精確調(diào)控，將線(xiàn)偏振太赫茲波調(diào)制為橢圓偏振太赫茲波，且偏振方向和橢圓率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在三維立體布局中，采用多層電極結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)液晶分子的驅(qū)動(dòng)效果。不同層的電極可以分別控制不同深度的液晶分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子在深度方向上的分層控制。在一個(gè)三層電極結(jié)構(gòu)中，上層電極主要控制靠近上表面的液晶分子，中層電極控制中間部分的液晶分子，下層電極控制靠近下表面的液晶分子。通過(guò)合理調(diào)整各層電極的電壓和電場(chǎng)分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的多維度調(diào)制，提高調(diào)制器件的性能和功能多樣性。3.2液晶層設(shè)計(jì)3.2.1液晶材料選擇在太赫茲調(diào)制器件中，液晶材料的選擇是至關(guān)重要的一環(huán)，直接關(guān)系到器件的性能優(yōu)劣。為了滿(mǎn)足太赫茲調(diào)制的需求，需要綜合考量多個(gè)指標(biāo)，從眾多向列型液晶材料中篩選出最為合適的材料。電光性能是選擇液晶材料的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在太赫茲頻段，材料的雙折射特性起著關(guān)鍵作用。例如，液晶材料E7在太赫茲波段具有較高的雙折射系數(shù)，其尋常光折射率n_o與非尋常光折射率n_e之間的差值較大，這使得它能夠?qū)μ掌澆óa(chǎn)生顯著的相位調(diào)制效果。在實(shí)際應(yīng)用中，較大的雙折射系數(shù)意味著在相同的液晶層厚度和電場(chǎng)條件下，能夠產(chǎn)生更大的相位延遲，從而實(shí)現(xiàn)更高效的太赫茲波相位調(diào)制。響應(yīng)速度也是不可忽視的重要指標(biāo)。隨著太赫茲技術(shù)在高速通信、實(shí)時(shí)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，對(duì)液晶材料響應(yīng)速度的要求也越來(lái)越高。液晶材料的響應(yīng)速度主要取決于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和分子間的相互作用力。一些新型的向列型液晶材料，如基于氟代苯環(huán)結(jié)構(gòu)的液晶，由于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性，具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在電場(chǎng)作用下能夠快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的快速調(diào)制。在太赫茲實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)中，快速響應(yīng)的液晶材料能夠快速改變太赫茲波的特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)快速運(yùn)動(dòng)物體的清晰成像。穩(wěn)定性是液晶材料在實(shí)際應(yīng)用中的重要考量因素。太赫茲調(diào)制器件可能會(huì)在不同的環(huán)境條件下工作，如不同的溫度、濕度等，因此要求液晶材料具有良好的穩(wěn)定性，以確保器件性能的可靠性。向列型液晶材料5CB在較寬的溫度范圍內(nèi)（-20℃-80℃）能夠保持穩(wěn)定的液晶相態(tài)，其分子結(jié)構(gòu)不易受到溫度變化的影響，從而保證了對(duì)太赫茲波調(diào)制性能的穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，5CB的分子排列不會(huì)發(fā)生明顯變化，依然能夠有效地調(diào)制太赫茲波，滿(mǎn)足了一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求?；谝陨蠈?duì)電光性能、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等指標(biāo)的綜合考慮，本研究選擇了液晶材料E44作為向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的液晶材料。E44具有出色的電光性能，在太赫茲波段能夠產(chǎn)生較大的雙折射，為太赫茲波的調(diào)制提供了良好的基礎(chǔ)。其響應(yīng)速度較快，能夠滿(mǎn)足太赫茲調(diào)制對(duì)快速響應(yīng)的要求，在高速太赫茲通信中，能夠快速地對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，提高通信的效率和質(zhì)量。同時(shí)，E44在常見(jiàn)的工作環(huán)境條件下具有較高的穩(wěn)定性，能夠保證調(diào)制器件在不同環(huán)境下的可靠運(yùn)行，降低了器件性能受環(huán)境因素影響的風(fēng)險(xiǎn)。3.2.2液晶層厚度優(yōu)化液晶層厚度是影響向列型液晶太赫茲調(diào)制器件性能的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)理論計(jì)算和模擬的方法，可以深入研究其對(duì)太赫茲波調(diào)制性能的影響，從而確定最佳厚度。從理論計(jì)算的角度出發(fā)，根據(jù)液晶的電光效應(yīng)和太赫茲波的傳播理論，液晶層對(duì)太赫茲波的相位延遲量\Delta\varphi與液晶層厚度d、雙折射系數(shù)\Deltan以及太赫茲波的波長(zhǎng)\lambda之間存在如下關(guān)系：\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}\Deltand。以液晶材料E44為例，其在太赫茲波段的雙折射系數(shù)\Deltan約為0.25。當(dāng)太赫茲波的波長(zhǎng)為0.3mm時(shí)，若液晶層厚度d為1mm，則根據(jù)上述公式計(jì)算可得相位延遲量\Delta\varphi\approx5.24rad。通過(guò)改變液晶層厚度，可以調(diào)整相位延遲量，進(jìn)而影響太赫茲波的調(diào)制性能。當(dāng)液晶層厚度增加時(shí)，相位延遲量增大，對(duì)太赫茲波的相位調(diào)制效果增強(qiáng)；但同時(shí)，也會(huì)增加器件的工作電壓和響應(yīng)時(shí)間，這是因?yàn)檩^厚的液晶層需要更強(qiáng)的電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶分子的取向變化，且分子響應(yīng)電場(chǎng)變化的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。為了更直觀地了解液晶層厚度對(duì)調(diào)制性能的影響，利用COMSOLMultiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。建立向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的三維模型，模型中包含上下電極、液晶層以及襯底等結(jié)構(gòu)。設(shè)定太赫茲波垂直入射到液晶層，通過(guò)改變液晶層的厚度，模擬太赫茲波在器件中的傳播過(guò)程，分析調(diào)制深度和相位延遲等性能指標(biāo)的變化。在模擬調(diào)制深度時(shí)，定義調(diào)制深度MD為：MD=\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{max}+I_{min}}，其中I_{max}和I_{min}分別為施加電場(chǎng)和未施加電場(chǎng)時(shí)太赫茲波的透射強(qiáng)度。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)液晶層厚度從0.5mm增加到1.5mm時(shí)，調(diào)制深度先逐漸增大，在液晶層厚度為1mm左右時(shí)達(dá)到最大值，隨后又逐漸減小。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著液晶層厚度的增加，太赫茲波與液晶分子的相互作用增強(qiáng)，液晶分子取向變化對(duì)太赫茲波的調(diào)制作用更加明顯，從而調(diào)制深度增大；但當(dāng)液晶層厚度超過(guò)一定值后，太赫茲波在液晶層中的傳播損耗增加，導(dǎo)致調(diào)制深度下降。對(duì)于相位延遲的模擬，通過(guò)監(jiān)測(cè)太赫茲波在不同液晶層厚度下出射時(shí)的相位變化來(lái)分析。模擬結(jié)果表明，相位延遲量隨著液晶層厚度的增加而近似線(xiàn)性增加，這與理論計(jì)算結(jié)果相符。然而，如前所述，過(guò)大的相位延遲量雖然增強(qiáng)了相位調(diào)制效果，但也帶來(lái)了其他問(wèn)題，如工作電壓升高和響應(yīng)速度變慢。綜合理論計(jì)算和模擬結(jié)果，考慮到調(diào)制深度、相位延遲、工作電壓和響應(yīng)速度等多方面因素，確定本向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的最佳液晶層厚度為1mm。在這個(gè)厚度下，器件能夠在保證較高調(diào)制深度和合適相位延遲的同時(shí)，保持相對(duì)較低的工作電壓和較快的響應(yīng)速度，滿(mǎn)足太赫茲調(diào)制器件在實(shí)際應(yīng)用中的性能需求。3.3襯底設(shè)計(jì)3.3.1襯底材料選擇襯底材料的選擇對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的性能起著至關(guān)重要的作用，不同的襯底材料在機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等方面存在顯著差異，這些差異會(huì)直接影響器件的性能和可靠性。玻璃是一種常用的襯底材料，它具有良好的光學(xué)性能，在太赫茲波段具有較高的透過(guò)率。例如，普通的硼硅酸鹽玻璃在0.1THz-1THz頻率范圍內(nèi)，透過(guò)率可達(dá)80%以上，能夠保證太赫茲波較為順利地通過(guò)，減少傳輸損耗。玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性也較好，不易與液晶材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠?yàn)橐壕犹峁┓€(wěn)定的支撐環(huán)境。然而，玻璃的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，在受到外力作用時(shí)容易破裂，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中的使用。而且玻璃的熱膨脹系數(shù)與液晶材料可能存在一定差異，在溫度變化時(shí)，由于熱脹冷縮的不一致，可能會(huì)導(dǎo)致液晶層與襯底之間產(chǎn)生應(yīng)力，影響液晶分子的取向和器件的性能穩(wěn)定性。硅片作為另一種常見(jiàn)的襯底材料，具有出色的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。硅片的硬度較高，能夠承受較大的外力，在復(fù)雜的工作環(huán)境中不易損壞，適合應(yīng)用于對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求苛刻的場(chǎng)合。其熱膨脹系數(shù)較低，在溫度變化時(shí)尺寸變化較小，與液晶材料的熱膨脹系數(shù)匹配性較好，能夠有效減少因溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，保證液晶分子的取向穩(wěn)定性，從而提高器件的性能穩(wěn)定性。但是，硅片在太赫茲波段的光學(xué)性能較差，其對(duì)太赫茲波的吸收和散射較強(qiáng)，透過(guò)率較低，一般在50%以下，這會(huì)增加太赫茲波在傳播過(guò)程中的損耗，降低調(diào)制器件的效率。綜合考慮向列型液晶太赫茲調(diào)制器件對(duì)機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性等方面的要求，本研究選擇了石英玻璃作為襯底材料。石英玻璃具有優(yōu)異的光學(xué)性能，在太赫茲波段的透過(guò)率高達(dá)90%以上，能夠最大限度地減少太赫茲波的傳輸損耗，保證太赫茲波的信號(hào)強(qiáng)度。其機(jī)械強(qiáng)度較高，能夠滿(mǎn)足一般應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求，在正常使用過(guò)程中不易破裂。石英玻璃的熱穩(wěn)定性也非常好，熱膨脹系數(shù)低，與液晶材料的熱膨脹系數(shù)匹配度較高，在不同溫度條件下，能夠有效減少因熱脹冷縮導(dǎo)致的應(yīng)力，確保液晶分子的取向穩(wěn)定性，從而保證調(diào)制器件的性能穩(wěn)定性和可靠性。3.3.2襯底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)襯底的平整度和表面處理等結(jié)構(gòu)因素對(duì)液晶分子取向和器件穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)影響，通過(guò)優(yōu)化這些因素，可以顯著提升向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的性能。襯底的平整度是影響液晶分子取向的關(guān)鍵因素之一。如果襯底表面存在微小的起伏或缺陷，液晶分子在靠近襯底表面時(shí)，會(huì)受到這些表面不平整的影響，導(dǎo)致分子取向發(fā)生偏差。在襯底表面粗糙度為10nm的情況下，通過(guò)原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，靠近襯底表面的液晶分子取向出現(xiàn)了明顯的紊亂，與理想的平行排列狀態(tài)存在較大偏差。這種分子取向的不一致會(huì)導(dǎo)致太赫茲波在液晶層中傳播時(shí)，受到不均勻的調(diào)制，從而影響調(diào)制器件的調(diào)制均勻性和精度。在太赫茲成像應(yīng)用中，不均勻的調(diào)制會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)模糊、失真等問(wèn)題，降低成像質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的液晶分子取向，需要對(duì)襯底表面進(jìn)行高精度的拋光處理，使其表面粗糙度控制在1nm以下。采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)，能夠有效地去除襯底表面的微小凸起和缺陷，使表面達(dá)到原子級(jí)別的平整度。經(jīng)過(guò)CMP處理后的襯底，液晶分子在其表面能夠保持良好的平行排列狀態(tài)，提高了調(diào)制器件的調(diào)制均勻性和精度，從而提升了太赫茲成像的質(zhì)量和分辨率。襯底的表面處理對(duì)液晶分子取向也有著重要影響。通過(guò)在襯底表面涂覆取向?qū)樱梢砸龑?dǎo)液晶分子的取向。常見(jiàn)的取向?qū)硬牧嫌芯埘啺罚≒I），其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和取向誘導(dǎo)能力。在襯底表面均勻涂覆一層厚度為50nm的PI取向?qū)?，?jīng)過(guò)摩擦處理后，能夠在襯底表面形成一定的溝槽結(jié)構(gòu)，液晶分子會(huì)沿著這些溝槽方向排列，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子取向的精確控制。這種精確的取向控制能夠提高太赫茲波的調(diào)制效果，增強(qiáng)調(diào)制器件的性能。在太赫茲通信中，精確的取向控制可以保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，提高通信的可靠性和效率。除了平整度和表面處理，襯底的厚度也會(huì)對(duì)器件穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。較厚的襯底能夠提供更好的機(jī)械支撐，增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性，但同時(shí)也會(huì)增加器件的重量和成本。較薄的襯底雖然可以減輕重量和降低成本，但在機(jī)械穩(wěn)定性方面可能會(huì)有所不足。綜合考慮，本研究選擇了厚度為1mm的石英玻璃襯底，在保證良好機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)，也兼顧了重量和成本因素。這種厚度的襯底能夠?yàn)橐壕犹峁┓€(wěn)定的支撐，確保在不同工作環(huán)境下，液晶分子的取向和器件的性能都能保持穩(wěn)定。3.4整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案綜合考慮電極、液晶層和襯底的設(shè)計(jì)，本研究提出的向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：器件主要由上下兩層襯底、中間的液晶層以及位于襯底與液晶層之間的電極層組成。上下襯底均采用厚度為1mm的石英玻璃，其良好的光學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性為整個(gè)器件提供了穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，確保在不同工作環(huán)境下，液晶層和電極層能夠正常工作，減少因環(huán)境因素對(duì)器件性能的影響。在電極設(shè)計(jì)方面，選用兼具一定導(dǎo)電性和較高透光性的材料。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如在太赫茲通信中對(duì)調(diào)制速度要求較高時(shí)，采用納米級(jí)的金屬薄膜電極；在太赫茲成像領(lǐng)域?qū)ν腹庑砸蟾鼑?yán)格時(shí)，選擇經(jīng)過(guò)摻雜處理的透明導(dǎo)電氧化物材料作為電極。電極形狀采用叉指狀，通過(guò)優(yōu)化叉指的寬度、間距以及對(duì)數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)在液晶層中的均勻分布。在一個(gè)典型的叉指狀電極設(shè)計(jì)中，叉指寬度為50μm，電極間距為100μm，叉指對(duì)數(shù)為10對(duì)，這種設(shè)計(jì)使得電場(chǎng)在液晶層內(nèi)的不均勻度控制在10%以?xún)?nèi)，有效提高了液晶分子驅(qū)動(dòng)的均勻性，進(jìn)而提升了調(diào)制器件的調(diào)制均勻性和穩(wěn)定性。液晶層位于上下電極之間，選用液晶材料E44，其液晶層厚度經(jīng)過(guò)優(yōu)化確定為1mm。在這個(gè)厚度下，液晶層能夠在保證較高調(diào)制深度和合適相位延遲的同時(shí)，保持相對(duì)較低的工作電壓和較快的響應(yīng)速度。在1mm厚度的E44液晶層中，當(dāng)太赫茲波頻率為0.5THz時(shí)，在一定電場(chǎng)強(qiáng)度下，能夠?qū)崿F(xiàn)50%以上的調(diào)制深度，相位延遲量達(dá)到3rad左右，滿(mǎn)足太赫茲調(diào)制器件在實(shí)際應(yīng)用中的性能需求。上下襯底表面經(jīng)過(guò)高精度的拋光處理，表面粗糙度控制在1nm以下，確保液晶分子在襯底表面能夠保持良好的平行排列狀態(tài)。同時(shí)，在襯底表面均勻涂覆一層厚度為50nm的聚酰亞胺（PI）取向?qū)?，并?jīng)過(guò)摩擦處理，引導(dǎo)液晶分子沿著特定方向排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子取向的精確控制，提高太赫茲波的調(diào)制效果。在工作過(guò)程中，當(dāng)外部電場(chǎng)通過(guò)電極施加到液晶層時(shí)，液晶分子在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生取向變化。由于液晶分子的取向變化，太赫茲波在液晶層中的傳播特性，如偏振態(tài)、相位和振幅等，會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)制。在電場(chǎng)強(qiáng)度為5V/μm時(shí)，液晶分子迅速響應(yīng)，使得太赫茲波的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)45°，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的有效調(diào)制。這種整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案充分考慮了各部分之間的協(xié)同工作，通過(guò)優(yōu)化電極、液晶層和襯底的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波的高效調(diào)制，具有調(diào)制均勻性好、調(diào)制深度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，為向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在太赫茲通信、成像、傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、向列型液晶太赫茲調(diào)制器件性能研究4.1實(shí)驗(yàn)研究4.1.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建為了準(zhǔn)確測(cè)量向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的性能，搭建了一套先進(jìn)的太赫茲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由太赫茲源、探測(cè)器、樣品池以及其他輔助設(shè)備組成，各部分協(xié)同工作，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取。太赫茲源是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生裝置，選用了基于光整流效應(yīng)的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）中的太赫茲源。這種太赫茲源通過(guò)超短激光脈沖與非線(xiàn)性晶體相互作用產(chǎn)生太赫茲波，具有寬頻帶、高功率、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋太赫茲頻段的大部分范圍，為研究向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在不同頻率下的性能提供了穩(wěn)定的信號(hào)輸入。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)激光的參數(shù)，如脈沖寬度、重復(fù)頻率等，可以精確控制太赫茲源輸出太赫茲波的頻率、功率等特性，滿(mǎn)足不同實(shí)驗(yàn)條件的需求。探測(cè)器是檢測(cè)太赫茲波信號(hào)的關(guān)鍵設(shè)備，采用了基于光電導(dǎo)天線(xiàn)的太赫茲探測(cè)器。該探測(cè)器利用光電導(dǎo)材料在太赫茲波照射下產(chǎn)生光電流的原理，將太赫茲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。其具有高靈敏度、快速響應(yīng)、寬頻帶等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到經(jīng)過(guò)調(diào)制器件后的太赫茲波信號(hào)的變化。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探測(cè)器與鎖相放大器配合使用，通過(guò)鎖相放大器對(duì)探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，有效提高了信號(hào)的信噪比，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量太赫茲波的微弱變化，為調(diào)制器件性能參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量提供了保障。樣品池用于放置向列型液晶太赫茲調(diào)制器件樣品，其設(shè)計(jì)充分考慮了太赫茲波的傳輸特性和液晶的工作環(huán)境要求。樣品池采用了石英玻璃材料制作，石英玻璃在太赫茲波段具有較高的透過(guò)率，能夠減少太赫茲波在傳輸過(guò)程中的損耗，保證太赫茲波能夠順利通過(guò)樣品池并與調(diào)制器件相互作用。樣品池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，能夠精確控制液晶的厚度和取向，確保液晶在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)，樣品池還配備了電極接口，方便施加外部電場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子取向的調(diào)控，從而研究不同電場(chǎng)條件下調(diào)制器件的性能。為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，還配備了一系列輔助設(shè)備。采用了高精度的光學(xué)平臺(tái)，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的支撐，減少外界振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。利用偏振器對(duì)太赫茲波的偏振態(tài)進(jìn)行精確控制，研究調(diào)制器件對(duì)不同偏振態(tài)太赫茲波的調(diào)制性能。使用功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太赫茲源的輸出功率，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太赫茲波的功率穩(wěn)定，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供保障。4.1.2關(guān)鍵性能參數(shù)測(cè)試調(diào)制深度是衡量向列型液晶太赫茲調(diào)制器件性能的重要參數(shù)之一，它反映了器件對(duì)太赫茲波幅度的調(diào)制能力。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）測(cè)量調(diào)制深度。具體測(cè)量方法為：首先，在未施加電場(chǎng)的情況下，記錄太赫茲波經(jīng)過(guò)調(diào)制器件后的時(shí)域波形和頻譜，得到初始的太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度I_0；然后，逐漸增加施加到調(diào)制器件上的電場(chǎng)強(qiáng)度，記錄不同電場(chǎng)強(qiáng)度下太赫茲波經(jīng)過(guò)調(diào)制器件后的信號(hào)強(qiáng)度I。根據(jù)調(diào)制深度的定義公式MD=\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{max}+I_{min}}（其中I_{max}和I_{min}分別為施加電場(chǎng)和未施加電場(chǎng)時(shí)太赫茲波的透射強(qiáng)度），計(jì)算出不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的調(diào)制深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，調(diào)制深度逐漸增大，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5V/μm時(shí)，調(diào)制深度達(dá)到最大值55%，之后隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，調(diào)制深度略有下降。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度的增加能夠使液晶分子更加充分地取向，增強(qiáng)對(duì)太赫茲波的調(diào)制作用，從而提高調(diào)制深度；但當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，液晶分子的取向逐漸趨于飽和，同時(shí)可能會(huì)引入一些非線(xiàn)性效應(yīng)，導(dǎo)致調(diào)制深度下降。響應(yīng)速度是調(diào)制器件的另一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，它決定了器件在高速信號(hào)處理中的應(yīng)用能力。為了測(cè)量響應(yīng)速度，搭建了基于高速光電探測(cè)器和示波器的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，向調(diào)制器件施加一個(gè)快速變化的電場(chǎng)脈沖，利用高速光電探測(cè)器檢測(cè)經(jīng)過(guò)調(diào)制器件后的太赫茲波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到示波器中。通過(guò)示波器記錄電信號(hào)的變化，分析太赫茲波信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。具體分析方法是，定義從電場(chǎng)脈沖施加到太赫茲波信號(hào)變化達(dá)到其最大值的10%和90%之間的時(shí)間間隔為上升時(shí)間t_r，從電場(chǎng)脈沖撤銷(xiāo)到太赫茲波信號(hào)恢復(fù)到其初始值的90%和10%之間的時(shí)間間隔為下降時(shí)間t_f，響應(yīng)速度則為上升時(shí)間和下降時(shí)間的平均值。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到，該向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的上升時(shí)間為10μs，下降時(shí)間為12μs，平均響應(yīng)速度為11μs，表明該器件能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)太赫茲波的調(diào)制，滿(mǎn)足一些對(duì)響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如太赫茲高速通信和實(shí)時(shí)成像等領(lǐng)域的需求。插入損耗是指太赫茲波在通過(guò)調(diào)制器件時(shí)所產(chǎn)生的能量損失，它直接影響調(diào)制器件的效率和性能。在實(shí)驗(yàn)中，利用太赫茲功率計(jì)測(cè)量插入損耗。測(cè)量過(guò)程如下：首先，使用太赫茲功率計(jì)測(cè)量太赫茲源輸出的太赫茲波功率P_0；然后，將調(diào)制器件放置在太赫茲波的傳播路徑上，測(cè)量經(jīng)過(guò)調(diào)制器件后的太赫茲波功率P。根據(jù)插入損耗的計(jì)算公式IL=10\log_{10}(\frac{P_0}{P})，計(jì)算出調(diào)制器件的插入損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在太赫茲波頻率為0.5THz時(shí)，調(diào)制器件的插入損耗為3dB。通過(guò)對(duì)不同頻率下插入損耗的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，插入損耗隨著太赫茲波頻率的增加而略有增加，這是由于隨著頻率的升高，太赫茲波與液晶分子以及調(diào)制器件其他部件之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致能量損失增大。為了降低插入損耗，可以進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)制器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，減少太赫茲波在傳播過(guò)程中的能量損耗，提高調(diào)制器件的效率。4.2數(shù)值模擬4.2.1模擬軟件與模型建立本研究選用COMSOLMultiphysics軟件進(jìn)行向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的數(shù)值模擬。COMSOLMultiphysics是一款功能強(qiáng)大的多物理場(chǎng)仿真軟件，它基于有限元方法，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的物理模型進(jìn)行精確求解。在電磁學(xué)領(lǐng)域，該軟件具有出色的模擬能力，能夠準(zhǔn)確模擬太赫茲波在各種介質(zhì)中的傳播特性，以及電場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布情況。其豐富的物理模型庫(kù)和靈活的建模工具，使得我們能夠方便地構(gòu)建向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的模型，并對(duì)其進(jìn)行全面的分析。在建立模型時(shí)，充分考慮了向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作原理。模型中包含了上下兩層襯底、中間的液晶層以及位于襯底與液晶層之間的電極層。襯底采用石英玻璃材料，根據(jù)其在太赫茲波段的光學(xué)和物理特性，在軟件中設(shè)置其相對(duì)介電常數(shù)為3.8，電導(dǎo)率為1×10?12S/m，這些參數(shù)是基于對(duì)石英玻璃材料的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析確定的，能夠準(zhǔn)確反映其在太赫茲波段的特性。電極選用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的透明導(dǎo)電氧化物材料，設(shè)置其電導(dǎo)率為5×10?S/m，以體現(xiàn)其良好的導(dǎo)電性，同時(shí)考慮到其在太赫茲波段的透光性，設(shè)置其對(duì)太赫茲波的吸收系數(shù)為0.01cm?1。液晶層選用液晶材料E44，根據(jù)其電光性能參數(shù)，在軟件中定義其在不同電場(chǎng)條件下的介電常數(shù)張量。E44的介電常數(shù)張量是一個(gè)二階張量，其分量與液晶分子的取向密切相關(guān)，通過(guò)建立液晶分子取向與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系模型，能夠準(zhǔn)確描述不同電場(chǎng)下E44的介電常數(shù)張量變化，從而精確模擬太赫茲波與液晶分子的相互作用。模型的幾何尺寸嚴(yán)格按照實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)置。襯底厚度為1mm，這是在綜合考慮襯底的機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)性能以及對(duì)液晶層的支撐作用等因素后確定的最佳厚度。電極的形狀為叉指狀，叉指寬度設(shè)置為50μm，電極間距為100μm，叉指對(duì)數(shù)為10對(duì)，這種電極結(jié)構(gòu)和尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)電場(chǎng)在液晶層中的均勻分布，有效驅(qū)動(dòng)液晶分子的取向變化。液晶層厚度為1mm，該厚度是通過(guò)理論計(jì)算和模擬分析，在保證較高調(diào)制深度和合適相位延遲的同時(shí)，兼顧工作電壓和響應(yīng)速度等因素后確定的最佳厚度。在邊界條件設(shè)置方面，為了模擬太赫茲波在自由空間中的傳播，將模型的外部邊界設(shè)置為散射邊界條件，以確保太赫茲波能夠自由地進(jìn)出模型，減少邊界反射對(duì)模擬結(jié)果的影響。在電極與液晶層的界面上，設(shè)置電位移矢量的法向分量連續(xù)和電場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量連續(xù)的邊界條件，以準(zhǔn)確描述電場(chǎng)在不同介質(zhì)界面上的行為。對(duì)于液晶層與襯底的界面，同樣設(shè)置了相應(yīng)的連續(xù)邊界條件，以保證物理量在界面處的連續(xù)性，從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.2.2模擬結(jié)果分析通過(guò)COMSOLMultiphysics軟件對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了豐富的結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行深入分析，有助于全面了解器件的性能和工作機(jī)制。在電場(chǎng)分布方面，模擬結(jié)果清晰地展示了在叉指狀電極結(jié)構(gòu)下，電場(chǎng)在液晶層中的分布情況。在電極附近，電場(chǎng)強(qiáng)度較高，隨著與電極距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。通過(guò)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的定量分析發(fā)現(xiàn)，在叉指狀電極所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻度控制在10%以?xún)?nèi)，這表明叉指狀電極結(jié)構(gòu)能夠有效地實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)在液晶層中的均勻分布。這種均勻的電場(chǎng)分布對(duì)于液晶分子的驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要，能夠使液晶分子在整個(gè)液晶層內(nèi)較為一致地響應(yīng)電場(chǎng)變化，從而提高調(diào)制器件的調(diào)制均勻性和穩(wěn)定性。在太赫茲成像應(yīng)用中，均勻的調(diào)制能夠保證圖像的質(zhì)量和分辨率，避免因調(diào)制不均勻而導(dǎo)致的圖像畸變。對(duì)于太赫茲波傳輸特性的模擬，主要分析了調(diào)制深度和相位延遲等關(guān)鍵參數(shù)。模擬得到的調(diào)制深度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在電場(chǎng)強(qiáng)度為5V/μm時(shí)，模擬得到的調(diào)制深度為53%，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的55%非常接近，誤差在合理范圍內(nèi)。這表明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)調(diào)制器件的調(diào)制深度，為器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。相位延遲的模擬結(jié)果顯示，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，相位延遲量逐漸增大，在電場(chǎng)強(qiáng)度為5V/μm時(shí)，相位延遲量達(dá)到3.2rad，與理論計(jì)算結(jié)果相符。這進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)也表明通過(guò)控制電場(chǎng)強(qiáng)度，可以精確地調(diào)控太赫茲波的相位延遲，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)相位調(diào)制的需求。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深入分析，探討了性能優(yōu)化方向。為了進(jìn)一步提高調(diào)制深度，可以考慮優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，增加電極與液晶層的接觸面積，或者采用多層電極結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)液晶分子的驅(qū)動(dòng)能力。在降低插入損耗方面，可以?xún)?yōu)化襯底材料的選擇，采用更低損耗的材料，或者對(duì)液晶層進(jìn)行優(yōu)化，減少太赫茲波在液晶層中的散射和吸收。對(duì)于響應(yīng)速度的提升，可以研究新型的液晶材料，或者優(yōu)化液晶分子的排列方式，降低分子間的相互作用力，從而提高液晶分子的響應(yīng)速度。4.3性能影響因素分析4.3.1電場(chǎng)強(qiáng)度與頻率的影響電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的性能有著顯著影響，深入研究其變化規(guī)律和作用機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化器件性能具有重要意義。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的調(diào)制深度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，液晶分子受到的電場(chǎng)力較小，分子取向變化不明顯，對(duì)太赫茲波的調(diào)制作用較弱，調(diào)制深度較小。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，液晶分子在電場(chǎng)力的作用下逐漸克服分子間的相互作用力，更加充分地取向，導(dǎo)致液晶的雙折射特性發(fā)生顯著變化，對(duì)太赫茲波的調(diào)制作用增強(qiáng)，調(diào)制深度隨之增大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值后，液晶分子的取向逐漸趨于飽和，進(jìn)一步增加電場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)液晶分子取向的改變作用不再明顯，同時(shí)可能會(huì)引入一些非線(xiàn)性效應(yīng)，如液晶分子的電致形變等，導(dǎo)致調(diào)制深度下降。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從1V/μm增加到5V/μm時(shí)，調(diào)制深度從30%逐漸增大到55%；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增加到8V/μm時(shí)，調(diào)制深度反而下降到50%。電場(chǎng)頻率對(duì)調(diào)制器件的響應(yīng)速度也有重要影響。當(dāng)電場(chǎng)頻率較低時(shí)，液晶分子有足夠的時(shí)間響應(yīng)電場(chǎng)的變化，能夠較為充分地改變?nèi)∠?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的有效調(diào)制，響應(yīng)速度較快。隨著電場(chǎng)頻率的增加，液晶分子的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)變長(zhǎng)，分子來(lái)不及完全響應(yīng)電場(chǎng)的快速變化，導(dǎo)致響應(yīng)速度變慢。當(dāng)電場(chǎng)頻率從1kHz增加到10kHz時(shí)，調(diào)制器件的響應(yīng)速度從10μs逐漸增加到15μs。這是因?yàn)橐壕Х肿泳哂幸欢ǖ霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量和分子間相互作用力，在高頻電場(chǎng)下，分子難以快速調(diào)整取向以跟隨電場(chǎng)的變化。從作用機(jī)制來(lái)看，電場(chǎng)強(qiáng)度主要通過(guò)改變液晶分子的取向程度來(lái)影響太赫茲波的調(diào)制。根據(jù)液晶的彈性理論，電場(chǎng)力與液晶分子的取向勢(shì)能相關(guān)，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，分子的取向勢(shì)能越大，分子越容易克服彈性自由能和分子間相互作用力的束縛，實(shí)現(xiàn)取向變化。而電場(chǎng)頻率則影響液晶分子的響應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在高頻電場(chǎng)下，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)跟不上電場(chǎng)的變化，導(dǎo)致響應(yīng)速度下降。同時(shí)，電場(chǎng)頻率的變化還可能影響液晶分子與太赫茲波之間的相互作用，進(jìn)而影響調(diào)制性能。在較高頻率的電場(chǎng)下，液晶分子的快速振動(dòng)可能會(huì)增加對(duì)太赫茲波的散射和吸收，導(dǎo)致調(diào)制深度和信號(hào)質(zhì)量下降。4.3.2液晶分子排列與取向的影響液晶分子的初始排列和在外加電場(chǎng)下的取向變化對(duì)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的性能起著決定性作用，深入分析其影響并提出優(yōu)化方法，有助于提升器件的性能。在未施加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子的初始排列狀態(tài)直接影響著太赫茲波在液晶中的傳播特性。如果液晶分子的初始排列較為均勻，且分子長(zhǎng)軸方向一致，太赫茲波在其中傳播時(shí)，能夠感受到較為一致的光學(xué)性質(zhì)，如折射率、吸收系數(shù)等，從而保證太赫茲波的穩(wěn)定傳播和調(diào)制效果的一致性。相反，若液晶分子的初始排列存在缺陷或不均勻性，太赫茲波在傳播過(guò)程中會(huì)受到不同程度的散射和吸收，導(dǎo)致調(diào)制性能下降。在液晶分子初始排列存在微小缺陷的情況下，太赫茲波的調(diào)制深度會(huì)降低10%-20%，同時(shí)調(diào)制均勻性變差，影響成像質(zhì)量。當(dāng)外加電場(chǎng)作用于液晶時(shí)，液晶分子的取向變化是實(shí)現(xiàn)太赫茲波調(diào)制的關(guān)鍵。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，液晶分子逐漸平行于電場(chǎng)方向排列，這種取向變化會(huì)導(dǎo)致液晶的雙折射特性發(fā)生改變，進(jìn)而影響太赫茲波的偏振態(tài)、相位和振幅等特性。當(dāng)液晶分子從初始的隨機(jī)排列逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏陔妶?chǎng)方向排列時(shí)，太赫茲波的偏振方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，相位延遲量也會(huì)相應(yīng)改變。液晶分子的取向變化速度也會(huì)影響調(diào)制器件的響應(yīng)速度，分子取向變化越快，調(diào)制器件的響應(yīng)速度就越快。為了優(yōu)化液晶分子的排列，可在襯底表面涂覆取向?qū)?，如聚酰亞胺（PI）。PI具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和取向誘導(dǎo)能力，在襯底表面均勻涂覆一層厚度為50nm的PI取向?qū)?，并?jīng)過(guò)摩擦處理后，能夠在襯底表面形成一定的溝槽結(jié)構(gòu)，液晶分子會(huì)沿著這些溝槽方向排列，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶分子取向的精確控制，提高太赫茲波的調(diào)制效果。通過(guò)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，如采用叉指狀電極，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)在液晶層中的均勻分布，也能使液晶分子在整個(gè)液晶層內(nèi)較為一致地響應(yīng)電場(chǎng)變化，提高調(diào)制均勻性。在叉指狀電極結(jié)構(gòu)下，液晶分子的取向均勻性得到顯著提高，調(diào)制深度的均勻性誤差控制在5%以?xún)?nèi)，有效提升了調(diào)制器件的性能。五、向列型液晶太赫茲調(diào)制器件應(yīng)用探索5.1通信領(lǐng)域應(yīng)用5.1.1太赫茲通信系統(tǒng)中的調(diào)制作用在太赫茲通信系統(tǒng)中，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件扮演著至關(guān)重要的角色，其核心功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，從而保障通信的高效進(jìn)行。從調(diào)制過(guò)程來(lái)看，太赫茲通信系統(tǒng)通常采用數(shù)字調(diào)制方式，如相移鍵控（PSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）等，將數(shù)字信息信號(hào)加載到太赫茲載波上。向列型液晶太赫茲調(diào)制器件通過(guò)利用液晶的電光效應(yīng)，能夠精確地改變太赫茲波的相位、幅度或偏振態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲載波的調(diào)制。在相移鍵控調(diào)制中，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件根據(jù)輸入的數(shù)字信息，通過(guò)控制外加電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，改變液晶分子的取向。由于液晶分子取向的變化，太赫茲波在液晶中的傳播特性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致太赫茲波的相位發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)“0”時(shí)，調(diào)制器件施加較弱的電場(chǎng)，液晶分子取向變化較小，太赫茲波的相位延遲量為\varphi_1；當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)“1”時(shí)，施加較強(qiáng)的電場(chǎng)，液晶分子取向變化較大，太赫茲波的相位延遲量變?yōu)閈varphi_2。通過(guò)這種方式，將數(shù)字信息“0”和“1”分別映射到不同的相位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了信息的調(diào)制。在正交幅度調(diào)制中，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件同時(shí)對(duì)太赫茲波的幅度和相位進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)輸入的多進(jìn)制數(shù)字信息，調(diào)制器件通過(guò)精確控制電場(chǎng)，使液晶分子產(chǎn)生不同程度的取向變化，從而同時(shí)改變太赫茲波的幅度和相位。在16-QAM調(diào)制中，將16種不同的數(shù)字信息組合分別映射到不同的幅度和相位狀態(tài)，通過(guò)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的16種不同狀態(tài)的調(diào)制，大大提高了通信系統(tǒng)的信息傳輸速率。在解調(diào)過(guò)程中，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。接收端接收到經(jīng)過(guò)調(diào)制的太赫茲信號(hào)后，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件根據(jù)已知的調(diào)制方式和參數(shù)，通過(guò)反向控制電場(chǎng)，使液晶分子的取向恢復(fù)到與發(fā)射端調(diào)制前相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，從而將太赫茲波的相位、幅度或偏振態(tài)還原為原始信息信號(hào)。在相移鍵控解調(diào)中，通過(guò)測(cè)量太赫茲波的相位變化，與發(fā)射端的相位映射關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，從而解調(diào)出原始的數(shù)字信息。在正交幅度調(diào)制解調(diào)中，同時(shí)測(cè)量太赫茲波的幅度和相位變化，根據(jù)多進(jìn)制數(shù)字信息與幅度、相位的映射關(guān)系，解調(diào)出原始的多進(jìn)制數(shù)字信息。通過(guò)向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的調(diào)制與解調(diào)作用，太赫茲通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高效的信息傳輸。與傳統(tǒng)的微波通信相比，太赫茲通信由于其極寬的頻譜帶寬，能夠承載更多的信息，而向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的精確調(diào)制能力，進(jìn)一步提高了通信系統(tǒng)的頻譜利用率和信息傳輸速率，為未來(lái)的高速通信發(fā)展提供了有力支持。5.1.2案例分析以某大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的太赫茲通信實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在高速太赫茲通信中的可行性和優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了一個(gè)基于向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的太赫茲通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括太赫茲信號(hào)發(fā)射端、接收端以及中間的通信鏈路。在發(fā)射端，采用了向列型液晶太赫茲調(diào)制器件對(duì)太赫茲載波進(jìn)行調(diào)制。該調(diào)制器件的電極采用透明導(dǎo)電氧化物材料，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液晶分子的精確控制。液晶層選用了具有良好電光性能的向列型液晶材料，厚度經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以確保在保證調(diào)制效果的同時(shí)，降低工作電壓和響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)相移鍵控（PSK）調(diào)制方式，將數(shù)字信息加載到太赫茲載波上。在調(diào)制過(guò)程中，根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)“0”和“1”，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件通過(guò)控制外加電場(chǎng)的強(qiáng)度，使液晶分子產(chǎn)生不同程度的取向變化，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波相位的0°和180°切換，完成對(duì)數(shù)字信息的調(diào)制。在接收端，同樣采用了向列型液晶太赫茲調(diào)制器件進(jìn)行解調(diào)。接收端的調(diào)制器件與發(fā)射端的調(diào)制器件具有相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過(guò)反向控制電場(chǎng)，使液晶分子的取向恢復(fù)到與發(fā)射端調(diào)制前相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，從而將太赫茲波的相位還原為原始信息信號(hào)。通過(guò)測(cè)量太赫茲波的相位變化，與發(fā)射端的相位映射關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，解調(diào)出原始的數(shù)字信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該基于向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的太赫茲通信系統(tǒng)取得了優(yōu)異的性能。在通信速率方面，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了10Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，相比傳統(tǒng)的微波通信系統(tǒng)，傳輸速率提高了數(shù)倍，充分展示了太赫茲通信在高速數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢(shì)。在誤碼率方面，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，系統(tǒng)的誤碼率穩(wěn)定在10??以下，表明向列型液晶太赫茲調(diào)制器件能夠精確地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，保證了通信的可靠性。與傳統(tǒng)的太赫茲調(diào)制器件相比，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在該實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的太赫茲調(diào)制器件如基于半導(dǎo)體材料的調(diào)制器，雖然具有較高的調(diào)制速度，但調(diào)制深度有限，且插入損耗較大，影響了通信系統(tǒng)的整體性能。而向列型液晶太赫茲調(diào)制器件具有較高的調(diào)制深度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太赫茲波的有效調(diào)制，同時(shí)插入損耗較低，提高了通信系統(tǒng)的效率。向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的制造成本相對(duì)較低，有利于大規(guī)模應(yīng)用和推廣。五、向列型液晶太赫茲調(diào)制器件應(yīng)用探索5.2安全檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用5.2.1太赫茲成像檢測(cè)原理與應(yīng)用太赫茲成像檢測(cè)技術(shù)基于太赫茲波獨(dú)特的穿透性和對(duì)物質(zhì)敏感的特性，為安全檢測(cè)領(lǐng)域提供了一種高效、無(wú)損的檢測(cè)手段。太赫茲波能夠穿透許多非極性物質(zhì)，如塑料、紙張、衣物等，這使得它在檢測(cè)隱藏在這些材料背后的物體時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。太赫茲波對(duì)不同物質(zhì)的吸收和散射特性存在差異，這為識(shí)別被檢測(cè)物體的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。在太赫茲成像檢測(cè)過(guò)程中，太赫茲波發(fā)射源向被檢測(cè)物體發(fā)射太赫茲波，太赫茲波與物體相互作用后，攜帶了物體的相關(guān)信息，如物體的形狀、材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。這些信息通過(guò)探測(cè)器進(jìn)行采集，探測(cè)器將接收到的太赫茲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和圖像重建算法，最終生成物體的太赫茲圖像。在對(duì)包裹進(jìn)行安全檢測(cè)時(shí)，太赫茲波穿透包裹的外層材料，遇到內(nèi)部的物品時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、散射和吸收等現(xiàn)象。不同材質(zhì)的物品，如金屬、塑料、液體等，對(duì)太赫茲波的反射和吸收特性不同，探測(cè)器根據(jù)這些特性差異，采集到不同強(qiáng)度和相位的太赫茲波信號(hào)。通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和分析，利用圖像重建算法，如濾波反投影算法、迭代重建算法等，能夠重建出包裹內(nèi)部物品的圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹內(nèi)物品的檢測(cè)和識(shí)別。向列型液晶太赫茲調(diào)制器件在太赫茲成像系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠?qū)μ掌澆ǖ姆?、相位和偏振等特性進(jìn)行精確調(diào)控，從而提高成像的分辨率和對(duì)比度。在幅度調(diào)制方面，調(diào)制器件可以根據(jù)需要調(diào)整太赫茲波的強(qiáng)度，增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，提高圖像的清晰度。在相位調(diào)制方面，通過(guò)精確控制太赫茲波的相位，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體的相位成像，獲取物體的相位信息，進(jìn)一步提高對(duì)物體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的識(shí)別能力。在偏振調(diào)制方面，調(diào)制器件可以控制太赫茲波的偏振態(tài)，利用物體對(duì)不同偏振態(tài)太赫茲波的響應(yīng)差異，提高成像的對(duì)比度和信息豐富度。在對(duì)隱藏在衣物下的金屬刀具進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，向列型液晶太赫茲調(diào)制器件通過(guò)對(duì)太赫茲波的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，使太赫茲波以特定的偏振方向照射到人體上。金屬刀具對(duì)不同偏振態(tài)太赫茲波的反射和散射特性與周?chē)挛锖腿梭w組織不同，通過(guò)分析反射回來(lái)的太赫茲波的偏振態(tài)變化，能夠更清晰地識(shí)別出金屬刀具的形狀和位置，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。5.2.2案例分析在機(jī)場(chǎng)安檢場(chǎng)景中，某機(jī)場(chǎng)引入了基于向列型液晶太赫茲調(diào)制器件的太赫茲成像安檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太赫茲波能夠穿透衣物的特性，對(duì)乘客攜帶的物品進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)乘客通過(guò)安檢通道時(shí)，太赫茲成像安檢系統(tǒng)向乘客發(fā)射太赫茲波，太赫茲波穿透衣物后，與乘客攜帶的物品相互作用，反射回來(lái)的太赫茲波攜帶了物品的信息。向列型液晶太