CN102866554B - 一种宽频可调的太赫兹波片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了宽频可调的太赫兹波片器件，包括二片石英基板，石英基板内侧均设置有金属线栅，且两侧金属线栅相互平行，二片石英基板通过框胶结合构成液晶盒，液晶盒包括光控取向层和液晶材料；液晶为电控大双折射率液晶材料；液晶盒的光控取向层和液晶材料通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且光控取向层取向方向与金属线栅方向成45°，使该液晶盒在太赫兹频段均达到可调四分之一或半波片。本发明具有宽频段、自偏振、透过率高、调制量大、响应快速等特性；另外，制备成本低、效率高、可批量生产，应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹光电子技术领域，具体涉及一种基于亚波长金属线栅和液晶材料的宽频可调太赫兹波片的设计和制备。
背景技术
液晶材料兼具液体的流动性及晶体的有序性，由于其优异的外场（电场、光场、声场、温场等）调谐特性，在信息显示及可调光子器件中发挥着重要的应用。向列相液晶是最常用的一种相态，在所有向列相液晶应用中，取向是首要环节。传统的取向方式以摩擦取向应用最为广泛，其存在易对表面造成机械损伤、静电荷残留及颗粒污染物，不易实现多畴结构取向等缺陷。而新兴的光取向技术则可以完全克服上述不足，被视为最有竞争力的下一代液晶取向技术。
近年来，人们对太赫兹频段的研究日益增多，但适用于太赫兹频段的光子学器件，尤其是可调控器件十分稀少。液晶作为常用的可调控电光材料，在可见及红外波段的光子学器件已得到广泛开发和应用。但应用于太赫兹频段时，一方面，通常采用的透明导电薄膜氧化铟锡将不再适用，而单纯的金属层也无法满足要求，因此需要寻求新的电极设计如采用亚波长金属线栅代替传统的薄膜。另一方面大多数液晶材料的双折射在太赫兹频段会比较小，因此可调控量也较小，在一般的设计中很难达到实用的要求。而一些用以增加调制量的特殊手段如叠层结构等则会显著增加器件的制造难度和成本。最可行的方案则是设计和应用在太赫兹频段仍具有大双折射的特殊液晶材料，以真正实现高效实用的器件。
发明内容
本发明目的是：提出一种宽频可调的太赫兹波片器件及制备。本发明利用亚波长金属线栅结合液晶材料来实现宽频可调太赫兹波片的制备。开拓简便、高效、稳定、廉价、可批量生产的制备技术，实现宽频段、自偏振、透过率高、调制量大、响应快速的电控波片的制备。以满足其在太赫兹领域的广阔应用。
本发明的技术方案是：一种宽频可调的太赫兹波片器件，包括二片石英基板，石英基板内侧均设置有金属线栅，且两侧金属线栅相互平行，二片石英基板内设有液晶盒，液晶盒包括光控取向层3的液晶4材料；液晶盒是电控大双折射率液晶材料，液晶材料在0.5-2THz时的双折射率为0.27～0.32。
液晶盒光控取向层3和液晶4材料通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且光控取向层取向方向与金属线栅方向成45°。使该液晶盒在太赫兹频段均达到可调四分之一或半波片（当然向下兼容八分之一波片等等）。电控大双折射率液晶材料是二苯乙炔类大双折射率液晶材料。金属线栅的参数是：金属线栅的周期远小于波长，为1-80微米，材料为金、银、铝、铂等金属，同一基板上的线栅作为同一电极。金属线栅尤其是周期为10-30μm，线条宽度为5-15μm的光栅。
利用金属线栅作为对特定偏振波透明的电极，沿电极斜45°方向进行液晶取向，设计控制盒厚并制成平行取向盒，利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节寻常光与非常光的相位延迟来实现对应不同频率的波片。
所采用的取向技术为光控取向技术，以紫外光或蓝光的线偏振方向调节来精确控制取向方向与线栅电极方向呈45°。
液晶盒厚与所选液晶材料参数相匹配，并通过恰当选取衬垫膜厚度控制实现，获取高效快速的调制效果。
光控取向层为取向在光敏取向剂的薄膜上获得，光敏取向剂为偶氮苯染料、聚酰亚胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在线偏光照射下发生异构化、定向光交联或光裂解反应而引发分子排布的各向异性，并可进一步通过分子间相互作用将这种有序性传递给液晶分子。
本发明的有益效果是：
(1)利用亚波长金属线栅作为对特定偏振波透明的电极，保证全太赫兹频段范围内的自偏振和高透过率，以及良好的电场分布和控制；
(2)利用光控取向技术实现较厚盒厚下的均匀有效取向，及取向方向和对准方向的精确控制，确保了装置获得最大调制量和最快调制速度；
(3)选用在太赫兹频段低吸收损耗、大双折射率的液晶材料，有效减小盒厚，降低施加电压的同时大大提高了调制速度；
(4)制备方案简便、高效、廉价、可批量生产，器件性能稳定，各项指标均达到太赫兹光子器件的实用要求。
附图说明
图1宽频可调太赫兹波片的结构示意图；
图2中图2a10μm+10μm金属线栅显微镜照片、图2b光控取向亮态效果图、图2c光控取向暗态效果图；
图3使用液晶NJU-LDn-2的四分之一波片调制结果曲线；
图4使用液晶NJU-LDn-4的四分之一波片调制结果曲线。
具体实施方式：
下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。
如图1所示，石英基板1、金属线栅2、光控取向层3、液晶4，图中只是示意，取向方向以斜线标出。
本发明结合亚波长金属线栅与液晶来实现太赫兹频段适用的电控可调谐波片的制备。具体实现技术方案为：
①设计金属光栅参数，周期为1-80微米，材料为金、银、铝、铂等金属，光栅金属厚度20-500纳米；在两片熔融石英基板上通过光刻及镀膜工艺实现预设的金属线栅电极；
②在设置有金属线栅的表面涂敷光控取向剂薄膜，并以偏振方向与金属线栅成45°夹角的线偏振紫外或蓝光垂直曝光赋予取向剂分子均匀指向；
③根据所选取液晶材料的折射率参数及目标波片类型计算出需要的盒厚，例如，对于四分之一波片，盒厚d略大于λ/4Δn，对于二分之一波片，盒厚d略大于λ/2Δn，并选择膜厚对应该厚度值的衬垫膜材料；
④选取两片设置完金属光栅与光控取向剂的表面的石英片，其中一片放置衬垫膜细条，另一片并相对放置，并确保金属光栅方向平行，取向方向也平行，然后封装成液晶盒；
⑤将选取的液晶材料在清亮点以上注入液晶盒，最终利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节寻常光与非常光的相位延迟来实现对应不同频率的波片。
以下为更具体的实施例。
实施例1：
本实施例为选取大双折射液晶NJU-LDn-2制作可调四分之一波片的实例。
具体结构设计如附图1所示，二片石英基板1内侧均设置有金属线栅2，且两侧金属线栅相互平行，液晶盒光控取向层3的液晶4材料，通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且光控取向层取向方向与金属线栅方向成45°。本例中选取的液晶材料为NJU-LDn-2，该液晶在0.5-2THz时的双折射率为0.279±0.03，计算得知，要使该液晶盒在上述太赫兹频段均达到可调四分之一波片的效果，所需的最小液晶盒厚为450μm。
为实现这样的结构，可以一体化的制备本发明（包括偶氮液晶盒）：首先在二片非晶的石英基片上分别进行光刻并显影，选用的光刻模板为10μm+10μm。之后用电子束蒸发物理气相沉积法沉积厚度约为50nm的金膜至光刻后的基片表面，并通过超声清洗将残余光刻胶洗脱，得到周期20μm，线条宽度为10μm的金光栅。光栅形貌的显微镜图片如图2a所示。此后，在制备有金光栅的表面制备光控取向层，在金光栅的表面旋涂浓度为0.5％的偶氮苯基材料SD1溶液，并在405±10nm的线偏振光下曝光，赋予两个基片金光栅的表面相同的均匀水平取向方向，且取向方向与金光栅方向成45°得到光控取向层。用薄膜厚度为450μm的衬垫膜将2片石英基片隔开制成液晶盒，注意需保持两侧金光栅方向平行，然后将液晶NJU-LDn-2在120℃热台上灌入液晶盒，就制成了一个可调谐四分之一波片。
通过改变施加电压，可对于不同频率实现不同的位相调制，以0.6THz，1.2THz和1.8THz这三个频率为例，则分别通过外加125V，30V和18V的电压即可分别实现四分之一波片的效果，如图3所示。
在太赫兹（THz）频段具有大双折射的液晶混晶材料双折射液晶NJU-LDn-2由本申请人提出了专利申请：在太赫兹频段具有大双折射的液晶混晶材料，由81％的具有氟代二苯乙炔苯骨架结构的系列衍生物R1-PPT(2，6-F)P-R2作为a组分、12％的具有氟代二苯吡啶骨架结构的系列衍生物R1-P’(3-F)PP-F作为b组分、5％的具有二苯乙炔骨架结构的系列衍生物R1-PTP-R2作为c组分、2％的具有氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物R1-PT(2，6-F)P-R2作为d组分按总量100％熔融混合形成的液晶混晶。a组分分子结构上是二苯乙炔与2、6号位氟取代的苯连接的骨架，两端基R1为含1到5个碳的烷基，R2为含1到5个碳的烷基或烷氧基，a组分由上述取代衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成。
b组分分子结构上是(3-F)二苯基吡啶骨架，端基R1为含1到5个碳的烷基，b组分由上述取代衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成。
所述c组分分子结构上是二苯基乙炔骨架，两端基R1为含1到5个碳的烷基，R2为含1到5个碳的烷基或烷氧基，c组分由上述取代衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成。
所述d组分分子结构上是苯乙炔与2、6号位氟取代的苯连接的骨架，两端基R1为含1到5个碳的烷基，R2为含1到5个碳的烷基或烷氧基，d组分由上述取代衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成。
实施例2：
本实施例为选取大双折射液晶NJU-LDn-4制作可调四分之一波片的实例。
具体的结构设计和制备方式与实施例1相同，但金属电极材料为铝，选取的材料为液晶NJU-LDn-4，在0.5-2THz时的双折射率为0.306±0.03，因此所需的最小盒厚为405μm。因此选用410μm的衬垫膜材料。
通过改变施加电压，可对于不同频率实现不同的位相调制，以0.6THz，1.2THz和1.8THz这三个频率为例，则分别通过外加100V，27V和15V的电压即可分别实现四分之一波片的效果，如图4所示。
液晶混晶材料双折射液晶NJU-LDn-4是由81％的a组分、12％的b组分、5％的c组分、2％的d组分按总量100％熔融混合形成的液晶混晶。
实施例3：
本实施例为选取大双折射液晶NJU-LDn-4制作可调二分之一波片的实例。
具体的结构设计和制备方式与实施例1，2相同，因为拟实现二分之一波片，计算所需的最小盒厚为800μm。因此选用800μm的衬垫膜材料。
通过改变施加电压，可对于不同频率实现不同的位相调制，以0.6THz，1.2THz和1.8THz这三个频率为例，则分别通过外加180V，59V和37V的电压即可分别实现二分之一波片的效果。
虽然本发明已以较佳实施例如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (1)
1.一种宽频可调的太赫兹波片器件，其特征是包括二片石英基板，石英基板内侧均设置有金属线栅，且两侧金属线栅相互平行，二片石英基板通过框胶结合构成液晶盒，液晶盒包括光控取向层和液晶材料；液晶为电控大双折射率液晶材料；液晶盒的光控取向层和液晶材料通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且光控取向层取向方向与金属线栅方向成45°，使该液晶盒在太赫兹频段均达到可调四分之一或半波片；
金属线栅的参数是：金属线栅的周期远小于波长，周期为10-30μm，金属线栅的线条宽度为5-15μm的光栅；金属线栅通过在两片熔融石英基板上进行光刻及镀膜工艺实现，材料为金、银、铝、铂金属或合金，同一基板上的线栅作为同一电极；
电控大双折射率液晶材料为二苯乙炔类电控大双折射率液晶材料，在0.5-2THz时的双折射率为0.27~0.32；
电控大双折射率液晶材料的成份：由81%的具有氟代二苯乙炔苯骨架结构的系列衍生物R1-PPT(2,6-F)P-R2作为a组分、a组分分子结构上是二苯乙炔与2、6号位氟取代的苯连接的骨架，两端基R1为含1到5个碳的烷基，R2为含1到5个碳的烷基或烷氧基，a组分由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成；12%的具有氟代二苯吡啶骨架结构的系列衍生物R1-P’(3-F)PP-F作为b组分，b组分分子结构上是(3-F)二苯基吡啶骨架，端基R1为含1到5个碳的烷基，b组分由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成；5%的具有二苯乙炔骨架结构的系列衍生物R1-PTP-R2作为c组分、所述c组分分子结构上是二苯基乙炔骨架，两端基R1为含1到5个碳的烷基，R2为含1到5个碳的烷基或烷氧基，c组分由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成；2%的具有氟代二苯乙炔骨架结构的系列衍生物R1-PT(2,6-F)P-R2作为d组分，所述d组分分子结构上是苯乙炔与2、6号位氟取代的苯连接的骨架，两端基R1为含1到5个碳的烷基，R2为含1到5个碳的烷基或烷氧基，d组分由上述衍生物中的任意一种或多种以任意比例混合而成；按总量100%熔融混合形成的液晶混晶。
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