CN105932523A - 一种可调谐太赫兹单模发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹波科学与技术领域，具体涉及一种太赫兹波可控的可调谐太赫兹单模发生器。一种可调谐太赫兹单模发生器，包括液晶填充层和电介质层，所述电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构，将液晶填充到电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构的中空处形成液晶层，所述液晶填充层是对磁场敏感的向列型液晶，且填充在圆柱状变截面周期波导中，波导两端用电介质层封口。本发明提供的太赫兹单模发生器，通过波导截面的周期性变化，引发其中多横模共振相互作用，有效地实现低阶模式到高阶模式的转化并输出；高阶模式损耗小、消光比高、透过率稳定，并且可调谐范围宽；制备工艺简单、价格低廉、体积小、重量轻、便于集成。

Description

一种可调谐太赫兹单模发生器

技术领域

本发明属于太赫兹波科学与技术领域，具体涉及一种太赫兹波可控的可调谐太赫兹单模发生器。

背景技术

太赫兹波通常是指频率为0.1～10THz之间的电磁波，在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，具有两者所不具备的独特特性，如宽带性、低能量、高穿透性等等，在宽带通信、安全检查、军事雷达和医学成像等多个领域展示出广泛的应用前景，科学研究价值极高。为实现太赫兹波技术的广泛应用，除了高能量稳定的太赫兹源和方便快捷的太赫兹波检测方法外，还需要对太赫兹波的传播进行控制。近年来，科学研究者逐渐从关注低损耗、低色散的太赫兹传输，发展到太赫兹波模式可控传输的研究。以产生单一高阶模式为目的的太赫兹器件是太赫兹波模式可控传输的重要组成部分，也是目前太赫兹波技术发展面临的重大挑战之一。

目前报道中，对太赫兹波的吸收损耗较小的材料有高阻硅、高密度聚乙烯、高电导率金属(金、银、铜等)。如利用高密度聚乙烯制作的光子晶体光纤，其在0.1～3THz的损耗系数小于0.5cm^-1[Appl.Phys.Lett.Vol.80,No.15,pp:2634～2634,2002]，可以有效地传输太赫兹波；一种内壁涂有铜的空芯聚碳酸酯波导(纤芯直径为3mm)，其中波长为158.51μm太赫兹波的损耗最小，为3.9dB/m[Opt.Express,Vol.12,No.21,pp:5263～5268,2004]。因此，如何利用高密度聚乙烯和高电导率金属材料，设计和实现损耗小、透过率大、性能稳定的太赫兹模式可控器件是太赫兹波技术发展中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种损耗小、透过率大、性能稳定的并且利用填充的液晶分子对磁场的敏感性，实现对太赫兹波单模中心频率的可调谐太赫兹单模发生器。

本发明的目的是这样实现的：

一种可调谐太赫兹单模发生器，包括液晶填充层和电介质层，所述电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构，将液晶填充到电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构的中空处形成液晶层，所述液晶填充层是对磁场敏感的向列型液晶，且填充在圆柱状变截面周期波导中，波导两端用电介质层封口。所述填充的液晶为在太赫兹波段具有高双折射的向列型液晶，双折射系数大于0.15。所述电介质层为高密度聚乙烯或聚四氟乙烯。所述液晶填充层的大半径r₁＝184.8μm，小半径r₂＝151.2μm，周期长度Λ＝212μm，周期起伏参数ε＝16.8μm；所述电介质层的厚度为10μm。所述填充液晶的圆柱状变截面周期波导中发生多横模之间的共振相互作用，当波导输入端输入低阶模式太赫兹波，则在输出端产生一个高阶模式太赫兹 波。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的太赫兹单模发生器，通过波导截面的周期性变化，引发其中多横模共振相互作用，有效地实现低阶模式到高阶模式的转化并输出；高阶模式损耗小、消光比高、透过率稳定，并且可调谐范围宽；制备工艺简单，价格低廉，体积小，重量轻，便于集成。

附图说明

图1是本发明实施例中圆柱状矩形周期起伏波导的结构示意图；

图2是本发明实施例中可调谐太赫兹波单模发生器输出端电磁场径向分布图；

图3是本发明实施例中入射角为0°和45°时，可调谐太赫兹波单模发生器的透射谱线；

图4是本发明实施中太赫兹波单一高阶模发生器的工作频率随入射角的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1中，1-高密度聚乙烯，2-向列型液晶E7。

本发明公开一种可调谐的太赫兹单模发生器，具体是一种圆柱状变截面周期波导结构，由内向外包括液晶填充层和电介质层。本发明利用多横模间共振相互作用，设计了变截面周期波导结构，其可以实现太赫兹波单一高阶模式的产生及透射。所述电介质层构成中空的圆柱状变截面周期波导结构，所述液晶填充层是将向列型液晶填充在所述圆柱状变截面周期波导中，波导的两端用电介质封口。利用磁场对向列型液晶的折射率进行调控，能够实现太赫兹单模频率的可调谐。本发明所提供的可调谐太赫兹单模发生器，不仅具有制备工艺简单、操作方便、性能稳定的优点，而且体积小、利于集成，损耗小，可调谐范围宽，科学意义及应用价值很高。

本发明提供的可调谐太赫兹单模发生器，是包括液晶填充层和电介质层的一种圆柱状变截面周期波导。在所述圆柱状变截面周期波导中，由于周期结构的引入，导致波导中发生多横模间共振相互作用，输入的低阶模式被抑制，高阶模式产生并透射，实现性能稳定的单一高阶模式输出。

可调谐太赫兹单模发生器，包括液晶填充层和电介质层，所述电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构，将液晶填充到电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构的中空处形成液晶层，所述液晶填充层是对磁场敏感的向列型液晶，且填充在圆柱状变截面周期波导中，波导两端用电介质层封口。所述填充的液晶为在太赫兹波段具有高双折射、低损耗的向列型液晶，双折射系数大于0.15，并对磁场敏感。所述电介质层为在太赫兹波段的低损耗、低色散的聚合物材料，如高密度聚乙烯、聚四氟乙烯等。所述液晶填充层的大半径r₁＝184.8μm， 小半径r₂＝151.2μm，周期长度Λ＝212μm，周期起伏参数ε＝16.8μm；所述电介质层的厚度为10μm，用于固定液晶。所述填充液晶的圆柱状变截面周期波导中发生多横模之间的共振相互作用，当波导输入端输入低阶模式太赫兹波，则在输出端可以产生一个高阶模式太赫兹波。所述液晶分子取向沿磁场方向改变，液晶对入射太赫兹波的有效折射率取决于液晶分子，即磁场的方向与入射线偏振太赫兹波的夹角，使得液晶折射率可调，从而实现透射的单一高阶模式可调谐。

所述电介质层，一般由能够低损耗、低色散传输太赫兹波的聚合物材料制成，厚度为10μm，构成中空的圆柱状变截面周期波导，并在其中填充对太赫兹波高双折射、低损耗传输且磁场敏感的向列型液晶。所述液晶填充层的大半径r₁＝184.8μm，小半径r₂＝151.2μm，周期长度Λ＝212μm，周期起伏参数ε＝16.8μm。所使用的液晶可以为向列型E7、5CB等，在太赫兹波段具有高双折射、低损耗的特性，双折射系数大于0.15。

通过控制波导周围的磁场方向，改变液晶分子取向，使得液晶对入射线偏振太赫兹波的有效折射率改变，从而改变太赫兹单模发生器输出单一高阶模式的中心频率位置，实现调谐的功能。这里，太赫兹波偏振方向与液晶分子取向的夹角为θ，所述液晶有效折射率n_z(θ)与夹角θ的关系为：

$\frac{1}{n_z^2\left(\mathrm{\θ}\right)}=\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{n_e^2\left(\mathrm{\θ}\right)}+\frac{{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{n_o^2\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(1\right)$

其中，n_e和n_o为分别为向列型液晶的异常光和寻常光折射率。在波导外施加磁场，其初始方向与波导轴向平行，而液晶的表面锚定能使得液晶分子也是沿着波导轴向排列，此时磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角θ＝0°。随着磁场方向绕波导径向旋转时，液晶分子的指向随磁场方向改变，即磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角θ改变。在这一过程中，随着夹角θ的增大，液晶的有效折射率逐渐增大，太赫兹单模发生器产生的单模透射带位置从高频向低频移动，也就是单模中心频率向低频移动，实现太赫兹波单一高阶模式的可调谐。

下面结合附图及实施例，对本发明的目的、技术方案及优点做更详尽地描述。本实施例的可调谐单模发生器工作在1THz附近，实现从低阶模TM₁模到高阶模TM₂模之间的转换。

图1是圆柱状矩形周期起伏波导的结构示意图，包括10个周期起伏结构。其中，外层材料1是聚合物材料—高密度聚乙烯，其厚度为10μm，构成中空的圆柱状矩形周期起伏波导。太赫兹波可以在高密度聚乙烯材料中低损耗、低色散传输。内层材料2是向列型液晶E7，其对太赫兹波具有高双折射、低损耗和低色散特性，并且对磁场敏感。磁场可以改变液晶分子的取向，从而改变液晶对入射线偏振太赫兹波的折射率。

在圆柱状矩形周期起伏波导的一端入射TM₁阶太赫兹波，由于周期起伏的存在，使得波 导中既有低阶模式TM₁，也激发了高阶模式TM₂。不同横向模式间发生强烈且复杂的共振相互作用，使得低阶模式被抑制，单一高阶模式得到加强并传播，实现太赫兹脉冲的单一高阶模式输出。图2所示为单模发生器透射通带中频率为0.9THz，在波导输出端的电磁场分布，明显是二阶模模式。通过简单的圆柱状变截面周期波导，实现了太赫兹波单一高阶模式的产生并输出。

图3给出了磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角θ分别为0°和45°时，单模发生器的透射谱带结构。在波导外施加磁场，其初始方向与波导轴向平行，此时对于TM模，夹角θ为0°，液晶的折射率为n_o＝1.57，单模发生器的透射谱线如图3所示，其在0.94THz附近有一个高阶模式的通带为0.932～0.95THz。当磁场方向绕波导径向旋转改变方向时，夹角θ增大，液晶折射率增大，波导的单一高阶模式通带向低频移动。如夹角θ为45°时，单一高阶模式发生器的中心频率在0.9THz附近，通带为0.885～0.915THz。这一变化中，太赫兹波单模发生器的透射谱带结构基本不变，也就是都能实现单一高阶模式透射。而且通带的透过率都接近于1，此太赫兹波单模发生器的效率较高。

图4表示磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角θ分别为0°/10°/20°/30°/40°/45°/50°/60°/70°/80°/90°时，太赫兹波单模发生器透射通带中心频率的变化如圆点所示，其拟合曲线如实线所示，拟合曲线为

f＝2.7597×10^-7θ³-3.7775×10^-4θ²+1.6158θ+0.9407 (2)

图中可以看出，太赫兹波单模发生器透射通带中心频率随着夹角θ增大而向低频移动，从0.85THz到0.94THz可调，可调范围达90GHz。由此实现单模发生器输出频率的调谐，可以根据实际需要的工作频率选择磁场方向。

综上所述，本发明利用多横模共振相互作用机理，提出了一种太赫兹波单一高阶模式输出的器件，并且利用磁场对液晶折射率的调控，实现太赫兹波单模发生器工作频率的可调谐，在相关领域具有很高的应用价值和广阔的应用前景。

有必要指出的是，上面的实施例只是用于进一步阐述本发明，而不局限于此。而且，为适应本发明技术的某些场合，构成本发明的可调模式转换器的参数须根据应用的要求来确定，但所采用的技术方案实质仍然与本发明一致，理应在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可调谐太赫兹单模发生器，包括液晶填充层和电介质层，其特征在于：所述电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构，将液晶填充到电介质层构成圆柱状中空变截面周期波导结构的中空处形成液晶层，所述液晶填充层是对磁场敏感的向列型液晶，且填充在圆柱状变截面周期波导中，波导两端用电介质层封口。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐太赫兹单模发生器，其特征在于：所述填充的液晶为在太赫兹波段具有高双折射的向列型液晶，双折射系数大于0.15。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐太赫兹单模发生器，其特征在于：所述电介质层为高密度聚乙烯或聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐太赫兹单模发生器，其特征在于：所述液晶填充层的大半径r₁＝184.8μm，小半径r₂＝151.2μm，周期长度Λ＝212μm，周期起伏参数ε＝16.8μm；所述电介质层的厚度为10μm。

5.根据权利要求1所述的一种可调谐太赫兹单模发生器，其特征在于：所述填充液晶的圆柱状变截面周期波导中发生多横模之间的共振相互作用，当波导输入端输入低阶模式太赫兹波，则在输出端产生一个高阶模式太赫兹波。