近日，清华大学周济院士以及清华大学先进材料研究所的李勃教授、清华大学机械工程系赵乾教授领导的研究团队在开发可调谐太赫兹光子晶体（Photonic Crystal）方面取得了重大进展:他们利用直写方式人工设计并制备了光子晶体精密复杂的几何结构，使得其能够在太赫兹波段下工作；通过改变磁场方向对周期性结构进行动态调整，利用模块化的思路实现了光子晶体波长、频率的灵活切换。该研究成果以“A Modularized and Switchable Component for Flexible Passive Device: Terahertz Photonic Crystals with Fine-Tuning”为题发表在《Advanced Optical Materials》上。

光子晶体(Photonic Crystal)即光子禁带材料，从材料结构上看，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的功能材料。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。迄今为止，大多数报道的光子都只能在可见光波段下工作，而在其他波段仍留有许多空白等待我们补充。

所谓太赫兹波（THz）是指是波长介于微波与红外线之间的（0.03-3mm）、包含了频率为0.1到10THz的电磁波。和电磁波频谱中其它波段不一样，太赫兹能量很小，与X射线相比不会对身体有辐射危害，在各种科学和技术领域，例如通信、雷达、遥感测距、生物检测等，都具有不可估量的巨大应用潜力。

然而，要设计和制备这样一种优质的太赫兹光子晶体器件仍面临着许多严峻的挑战，一个方面是可使用的材料种类的局限性，另一个方面则在于对光子晶体复杂的几何结构进行人为设计时，必须精确考虑到每个单元的相对位置，以最大程度地优化器件性能。

在这里，研究团队设计并制备了一种可调谐的太赫兹光子晶体，具有不同几何形状的样品可以在特定的太赫兹波长下工作。他们采用“墨水直写技术”（direct ink writing），利用由钛酸锶钡纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷组成的复合油墨系统，制备出了具有不同杆间距和层数的柔性木堆结构光子晶体。然后，将这些结构浸入到液晶中，其中液晶分子的方向受外部磁场方向的调制，从而实现光子带隙的精细可调性。同时，通过改变光子晶体的不同杆间距，可以有效地调制光子晶体的工作频率，这体现了一个器件在宽光谱实现工作频率转换的能力。更有趣的是在另一个空间维度的转换，不同的样品层可以使带隙的深度不同。

他们证实了随着外部磁场方向的变化，光子晶体会实现约7.5％的带隙的微调，可以覆盖0.2到0.3THz。这种高效的太赫兹光子晶体能够在柔性设备中实现工作频率的切换，为无源器件提供更广泛的覆盖范围和良好的可调谐性。另外，这种新颖的直接写入制造的方法可以应用到其它光学器件的生产，以便更好地应用到生物传感、太赫兹成像和通信等领域。

图一 木堆结构光子晶体结构制备流程

a）木堆结构的直写过程示意图；

b）木堆结构的结构参数示意图；

c）不同杆间距样品的俯视图和横截面图的光学图像；

d）具有不同杆间距的代表性光子晶体与5分钱的对比光学图像；

e）具有不同层的代表性光子晶体之间的比较；

f）太赫兹波的传播和极化的示意图。

图二 光子晶体的透射率和带隙

a）模拟和b）不含5CB的不同杆间距光子晶体的实验透射率；

c）模拟和d）具有5CB的不同杆间距液晶的实验透射率；

e）具有5CB液光子晶体的带隙结构。

图三 液晶可调谐性机制

可提供2300高斯、方向可变磁场的特殊设备图，和液晶可调谐性机制的示意图。

图四 不同层数的光子晶体在磁场下的透射率变化

a）模拟和b）实验得到的500μm间隔的样品在三种不同磁场下的透射率数据；

c）模拟和d）实验得到的700μm 间隔的样品在三种不同磁场下的透射率数据；

e）不同磁场方向下500μm间距样品的测量结果。

图五 理想模型与实际测量的光子晶体太赫兹透射光谱

a）模拟和b）测量得到的不同层光子晶体的太赫兹波透射光谱；

c）700μm间距和8层样品的光子晶体在三种不同类型磁场的实验透射率数据；

d）700μm间距和12层样品的光子晶体在三种不同类型磁场下的实验透射率数据。

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