CN107092147A - 一种反射式电控可调太赫兹液晶波片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于亚波长金属线栅的反射式电控宽带可调太赫兹液晶波片，包括两片熔融石英基板，一片熔融石英基板的内侧设置有亚波长金属线栅，另一片熔融石英基板的内侧设置有金属反射镜，两片熔融石英基板通过框胶结合构成液晶盒；液晶盒中的亚波长金属线栅与金属反射镜上分别设有两层光控取向层，两层光控取向层中间夹设有液晶材料，液晶材料为太赫兹电控大双折射率液晶材料；液晶盒通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且取向方向与金属线栅方向成90°。本发明还公开了基于亚波长金属线栅的反射式电控宽带可调太赫兹液晶波片的制备方法，本发明具有超宽频段、调制量大、响应快速等特性，可用于THz波偏振转换，THz波前调控，THz矢量光束。

Description

一种反射式电控可调太赫兹液晶波片及其制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹光电子技术领域，特别是一种反射式电控可调太赫兹液晶波片及其制备方法。

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、磁场、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和应用日益增多，但适用于太赫兹频段的光子学器件，尤其是可调控器件仍十分稀少。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。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在透明电极缺乏的条件下，损耗会严重增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种反射式电控可调太赫兹液晶波片及其制备方法，利用亚波长金属线栅的偏振特性作入射、出射面，金属反射镜作反射面，结合THz大双折射率液晶材料来实现超宽带可调太赫兹波片。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，包括两片熔融石英基板，其中，一片熔融石英基板的内侧设置有亚波长金属线栅，另一片熔融石英基板的内侧设置有金属反射镜，两片熔融石英基板通过框胶结合构成液晶盒；液晶盒中的亚波长金属线栅与金属反射镜上分别设有两层光控取向层，两层光控取向层中间夹设有液晶材料，液晶材料为太赫兹电控大双折射率液晶材料；所述液晶盒通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且取向方向与金属线栅方向成90°。

作为本发明所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片进一步优化方案，所述亚波长金属线栅的周期小于入射光的波长，亚波长金属线栅周期为1-100 μm，亚波长金属线栅的线条宽度为0.5-50 μm。

作为本发明所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片进一步优化方案，所述金属反射镜为金属平板，厚度为100-500 μm。

作为本发明所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片进一步优化方案，金属反射镜的厚度为200-300 μm。

作为本发明所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片进一步优化方案，所述液晶材料在0.5-2.5 THz时的双折射率为0.25-0.4。

作为本发明所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片进一步优化方案，所述液晶材料在0.5-2.5 THz时的双折射率为0.30。

一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片的制备方法，包括如下步骤：

（1）取两片熔融石英基板，在一片熔融石英基板上设置亚波长金属线栅，在另一片熔融石英基板上设置金属反射镜，其中，亚波长金属线栅通过在熔融石英基板上进行光刻及镀膜工艺实现，金属反射镜直接在熔融石英基板上通过镀膜工艺实现；

（2）光控取向层为取向在光敏取向剂的薄膜上获得，在亚波长金属线栅和金属反射镜的表面分别涂敷光控取向剂薄膜；

（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所需要的盒厚，对于四分之一波片，盒厚d大于λ/(8n)，对于二分之一波片，盒厚d大于λ/(4n)，并选择膜厚对应盒厚度值的衬垫膜材料，λ是波长 ，n是液晶折射率；

（4）将其中一片熔融石英基板上放置衬垫膜细条，另一片熔融石英基板与之相对放置，曝光赋予光控取向剂薄膜分子均匀指向，然后使用框胶封装成液晶盒；

（5）将选取的液晶材料注入液晶盒，最终利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节两束太赫兹波的相位延迟来实现对应不同频率的波片；

（6）利用改变太赫兹波的入射角来同时实现偏振转换和光束扫描。

作为本发明所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片的制备方法进一步优化方案，所述步骤（4）中，曝光赋予光控取向剂薄膜分子均匀指向的步骤设置在封装成液晶盒之前，即在亚波长金属线栅和金属反射镜的表面涂敷光控取向剂薄膜之后，先以偏振方向与亚波长金属线栅成0°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，然后再做成液晶盒。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1) 利用亚波长金属线栅作为对特定偏振波透明的电极，保证在较宽的太赫兹频段范围内对透过的太赫兹波（太赫兹电场偏振方向与线栅垂直的部分太赫兹波）100%的高透过率而对另一束太赫兹波（太赫兹电场偏振方向与线栅平行的部分太赫兹波）具有100%反射率；以及良好的电场分布和控制；

(2) 利用金属平板作为反射电极，能够保证太赫兹波在超宽的频带范围内都具有100%的反射率；以及具有良好的电场分布和控制液晶的能力；

(3) 对于一个给定的相位差，反射式波片所需液晶层厚度仅为透射式的1/10；在同样液晶层厚度下，相位差动态可调范围是透射式的2倍；

(4) 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；且不会损伤透明电极；

(5) 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；

(6) 通过改变太赫兹波入射角，可以同时实现偏振转换和太赫兹光束扫描；

(7) 制备方法简便、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；

(8) 本发明是一种能实现超宽频段、调制量大、响应快速的电控波片，该宽带可调太赫兹波片可用于THz波偏振转换，THz波前调控，THz矢量光束，在太赫兹通信、太赫兹传感探测、太赫兹成像等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是反射式可调太赫兹波片的结构示意图。

图2a是10 μm + 10 μm金属线栅太赫兹反射率图。

图2b是两束太赫兹波在不同电压下的相位延迟。

图3是两束太赫兹波之间的相位差随电压的变化图。

图4a是在0 V时1.1 THz波线偏振态。

图4b是在22 V时1.1 THz波转变成圆偏振态。

图4c是在0 V时2.2 THz波线偏振态。

图4d是在22 V时2.2 THz波转变成与原0 V时相垂直的线偏振态。

图5是电控可调太赫兹液晶波片特性随入射角变化的关系。

图6是不同液晶盒厚对应的相位差。

图7是不同液晶折射率对应的相位差。

图中的附图标记解释为：1-石英基板，2-亚波长金属线栅，3-金属反射镜，4-光控取向层，5-液晶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，石英基板1、亚波长金属线栅2、金属反射镜3、光控取向层4、液晶5，图中只是示意，太赫兹波的偏振方向以两端箭头短线标出。

本发明结合亚波长金属线栅和金属平板这两种电极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设计金属线栅参数，周期为1-100 μm，材料为金、银、铝、铂等金属，金属线栅金属厚度20-500 nm；在一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金属反射镜，材料为金、银、铝、铂等金属，厚度100-500 nm；在一片熔融石英基板上通过镀膜工艺实现；

③两片石英基板分别设置亚波长金属线栅和金属平板，其中一片放置衬垫膜细条，另一片并相对放置，在封装成液晶盒之前，在金属线栅和金属平板的表面涂敷光控取向剂薄膜之后，先以偏振方向与金属线栅成0°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，然后再做成液晶盒。

④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/(8n)，对于二分之一波片，盒厚d略大于λ/(4n)，并选择膜厚对应盒厚度值的衬垫膜材料，n是液晶折射率；

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，通过电压调节两束太赫兹光的相位延迟来实现对应不同频率的波片；

⑥利用改变太赫兹波的入射角来同时实现偏振转换和光束扫描。

利用金属线栅作为对特定偏振波透明的电极，沿电极平行方向进行液晶取向，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，通过电压调节被分开的两束太赫兹波的相位延迟来实现对应不同频率的波片。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。

实施例1：

本实施例为一盒宽带可调太赫兹波片的实例。

具体结构设计如附图1所示，二片石英基板1内侧分别设置有亚波长金属线栅2和金属反射镜3，液晶盒光控取向层4和液晶材料5，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90°。本例中选取的液晶材料为室温大双折射率液晶NJU-LDn-4（专利号：2012103780326），该液晶在0.5-2.5 THz时的双折射率约为0.30，计算得知，要使该液晶盒在1THz达到可调四分之一波片的效果，所需的最小液晶盒厚为25 μm。

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）：首先在一片熔融石英基片上分别进行光刻并显影，选用的光刻模板为10 μm + 10 μm。之后用电子束蒸发物理气相沉积法沉积厚度约为100 nm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20 μm，线条宽度为10 μm的金光栅。光栅形貌的显微镜图片如图2a中插图所示。用电子束蒸发物理气相沉积法在另一片熔融石英基片上沉积厚度约为200 nm的金膜。此后，分别在制备有电极的表面制备光控取向层，旋涂浓度为0.5%的偶氮苯基材料SD1溶液，并在405 ± 10 nm的线偏振光下曝光，赋予两个基片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0°得到光控取向层，用薄膜厚度为125 μm的衬垫膜将2片石英基片隔开制成液晶盒，然后将液晶NJU-LDn-4在120℃热台上灌入液晶盒，就制成了一个宽带可调谐太赫兹波片。

如图2a所示，亚波长金属线栅在0.5-2.5THz宽带范围内，TM波反射率接近0 %，几乎完全透过线栅进入液晶层，然后从反射面再返回；TE波的反射率接近100 %，直接被反射，因此这两束光即形成光程差。如图2b所示，通过改变施加电压，TE波的相位延迟几乎没有变化，TM波的相位延迟随着电压的增大而减小，从而对于不同频率实现不同的位相调制。电控可调太赫兹波片特性如图3所示，在给定电压差下，相位差随频率的增大而增大。寻常光与异常光之间的相位差随电压差的增大而增大。通过控制所加电压，在2.2 -2.5THz可实现半波片功能，在1.1-2.5THz之间可实现四分之一波片功能。在2.1 和1.1THz时的偏振演化过程如4a、图4b、图4c、图4d所示，图4a是在0 V时1.1 THz波线偏振态，图4b是在22 V时1.1THz波转变成圆偏振态，图4c是在0 V时2.2 THz波线偏振态，图4d是在22 V时2.2 THz波转变成与原0 V时相垂直的线偏振态，输出太赫兹波的偏振态在不同的电压下由线偏振转变为圆偏振、线偏振垂直于原线偏振方向。当太赫兹波入射角发生变化时，如图5所示，入射角越大，相位差越小；在35°时，0V和22V两条曲线有个交叉，从0°到35°，结合降低电压可以同时实现偏振转换和光束扫描，当入射角在35°到50°之间时，升高电压可以同时实现偏振转换和光束扫描。

实施例2：

本实施例为在液晶折射率为1.8时，不同厚度的液晶层与相位差的关系。具体的结构设计如附图1所示，制备方式与实施例1相同。通过改变液晶层厚度，可对于不同波长的太赫兹波实现不同的位相调制。如图6所示，波长越小，相位差越大。对应400 μm的太赫兹波，液晶层厚度仅需50 μm即可实现半波片的效果。

实施例3：

在液晶层厚度为125 μm时，不同液晶折射率与相位差的关系。具体的结构设计如附图1所示，制备方式与实施例1相同。通过电控改变液晶的折射率，可对于不同波长的太赫兹波实现不同的位相调制。如图7所示，液晶折射率变化越大，波长越小，相位差越大。对于200 μm的太赫兹波，当液晶折射率从1.5改变到2.0时，其相位差动态可调范围为0到π，即可实现从线偏振态到圆偏振，再到垂直于原线偏振方向线偏振态的偏振变化。

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 (8)

1.一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，其特征在于，包括两片熔融石英基板，其中，一片熔融石英基板的内侧设置有亚波长金属线栅，另一片熔融石英基板的内侧设置有金属反射镜，两片熔融石英基板通过框胶结合构成液晶盒；液晶盒中的亚波长金属线栅与金属反射镜上分别设有两层光控取向层，两层光控取向层中间夹设有液晶材料，液晶材料为太赫兹电控大双折射率液晶材料；所述液晶盒通过光控取向的方式实现液晶的平行取向，且取向方向与金属线栅方向成90°。

2.根据权利要求1所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，其特征在于，所述亚波长金属线栅的周期小于入射光的波长，亚波长金属线栅周期为1-100 μm，亚波长金属线栅的线条宽度为0.5-50 μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，其特征在于，所述金属反射镜为金属平板，厚度为100-500 μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，其特征在于，金属反射镜的厚度为200-300 μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，其特征在于，所述液晶材料在0.5-2.5 THz时的双折射率为0.25-0.4。

6.根据权利要求1所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片，其特征在于，所述液晶材料在0.5-2.5 THz时的双折射率为0.30。

7.一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）取两片熔融石英基板，在一片熔融石英基板上设置亚波长金属线栅，在另一片熔融石英基板上设置金属反射镜，其中，亚波长金属线栅通过在熔融石英基板上进行光刻及镀膜工艺实现，金属反射镜直接在熔融石英基板上通过镀膜工艺实现；

（2）光控取向层为取向在光敏取向剂的薄膜上获得，在亚波长金属线栅和金属反射镜的表面分别涂敷光控取向剂薄膜；

（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所需要的盒厚，对于四分之一波片，盒厚d大于λ/(8n)，对于二分之一波片，盒厚d大于λ/(4n)，并选择膜厚对应盒厚度值的衬垫膜材料，λ是波长 ，n是液晶折射率；

（4）将其中一片熔融石英基板上放置衬垫膜细条，另一片熔融石英基板与之相对放置，曝光赋予光控取向剂薄膜分子均匀指向，然后使用框胶封装成液晶盒；

（5）将选取的液晶材料注入液晶盒，最终利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节两束太赫兹波的相位延迟来实现对应不同频率的波片；

（6）利用改变太赫兹波的入射角来同时实现偏振转换和光束扫描。

8.根据权利要求7所述的一种基于亚波长金属线栅电极的反射式宽带可调液晶太赫兹波片的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，曝光赋予光控取向剂薄膜分子均匀指向的步骤设置在封装成液晶盒之前，即在亚波长金属线栅和金属反射镜的表面涂敷光控取向剂薄膜之后，先以偏振方向与亚波长金属线栅成0°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，然后再做成液晶盒。