CN109298555B - 太赫兹磁纳米液晶相移器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹磁纳米液晶相移器及其制备方法。本发明所述器件是通过将Fe3O4磁纳米颗粒分散液磁流体在常温下分散到液晶5CB溶剂中形成铁磁液晶，其中Fe3O4磁纳米颗粒分散液磁流体和液晶5CB溶剂的浓度比为0.05wt％，并将该铁磁液晶用紫外胶封装进间隔为1mm的无取向的液晶盒中。该器件利用Fe3O4磁纳米颗粒在外磁场作用下形成的磁链与液晶之间的磁相互作用，实现在厚液晶盒中对随机排布的液晶分子的初始锚定取向，仅通过改变磁场大小就可将液晶分子的光轴实现90°的偏转控制。相比于传统的磁控液晶相移器件，该器件无需改变磁场方向且无需对液晶分子进行预取向，大大提高了器件的实用性和稳定性。因此，该器件可用于太赫兹相位和偏振控制等器件中。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹磁纳米液晶相移器及其制备方法。
背景技术
太赫兹(THz，1THz＝1012THz)波是指振荡频率在0.1-10THz范围的电磁波，其对应的波长范围为3mm～30μm，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。THz波因其在电磁波谱中的特殊地位，具有低光子能量，高穿透性，指纹谱和高信噪比等优点，在安全检测，无损检测，材料光谱等领域具有广阔的应用前景。随着太赫兹源和探测器的迅速发展，高性能功能器件的需求日益增长，如波导，开关，滤波器，隔离器，调制器，偏振器和相移器。其中，相位和偏振控制器件是非常重要的，不仅可以携带有价值的电磁信息，还可以操控THz波的传播和偏振。传统的相位和偏振控制器件主要依赖于天然晶体材料的双折射效应[J.Infrared Millim.Te.，2013，34：663-681]，通过调节两个正交偏振分量之间的相位延迟来实现偏振转换的功能。然而，这些天然晶体材料往往存在双折射系数低、带宽窄、损耗大、体积大、价格高等缺点，不利于器件的小型集成化，因此其在THz波段的应用是非常受限的。如单晶石英晶体的双折射系数仅为0.05[Opt.Lett.，2006，31：265-267]，并且相位延迟是与波长相关的，因此该石英晶体器件只能在很窄波段工作。可见，需要探索新型的THz双折射材料来解决THz波片目前存在的问题和缺陷。
在可见光与近红外波段，液晶已成为最重要的可调控相位和偏振控制器件的解决方案之一，可通过外加热，光，电以及磁场的方式灵活地操控，其在THz波段的光学性质已得到了广泛的研究。与可见光和近红外波段的液晶器件相比，已有的液晶材料的双折射系数决定了其在THz波段要想获得足够大的相移或调制范围(π/2或π相位延迟)所需要的器件厚度应为几百微米至几毫米，导致THz液晶相位器件往往存在预取向较弱、工作电压高以及响应慢等缺点。例如，Tsai等利用两个交叉的金属线作为电极来对液晶施加偏置电场，但其具有低调制效率和高驱动电压等缺点[IEEE Microw.Wirel.Co.，2004，14：77-79]。Hsieh等则是利用横向电场来实现了高达π/2的调制范围，为了避免影响THz信号的透射率，但是这种施加偏置电场的方式使得器件具有非常慢的响应速度[Opt.Lett.，2006，31：1112-1114]。Lin等提出了一种自偏振的相移器，其采用两个亚波长金属光栅作为透明电极[AIPAdv.，2011，1：032133]。然而，其驱动电压仍然很高，并且这类器件是偏振选择性的。最近，基于ITO纳米晶须[Appl.Phys.Lett.，2014，104：141106]和石墨烯[Light Sci.Appl.，2015，4：e253]等高透明电极的THz液晶相移器已被报道出来。但是，高相位延迟的THz器件仍需要引入厚的液晶盒，不管是摩擦取向还是光控取向，在厚液晶盒中对液晶分子预取向的能力都比较弱，使得中间层的液晶分子不能很好地排列。因此，以上这些瓶颈严重阻碍了电控THz液晶器件的发展。
除了电控方式之外，液晶的磁响应使得可以通过磁控方式来调控它们的光学性质而无需必要的透明电极，并且这些器件可以实现良好的可调谐特性。利用在三明治结构的5CB液晶盒(厚度为3mm)中实现了磁控双折射的特性，其在1THz位置的最大相移可达360°[Opt.Express，2004，12：2625-2630]。Yang等在厚为3mm的随机分布的BNHR液晶盒中也实现了半波片的功能，其具有更大的相位调制深度和更低的驱动磁场[Opt.Mater.Express，2016，6：272217]。然而，这些器件中仍然存在弱取向、慢响应以及操控方式复杂等缺点，因此，磁控THz液晶器件仍有待进一步探索和改进。
综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹液晶相移器的研制有着迫切的需求，另一方面国内外报道的太赫兹液晶相移器在双折射系数、外加场、预取向响应速度和操控方式等方面还无法满足应用系统的实际需求，急需发展大双折射、低外加场、预取向整齐、响应速度快、操控方式简便的太赫兹液晶相移器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹磁纳米液晶相移器及其制备方法，解决背景技术中太赫兹液晶相移器的预取向能力弱和操控方式复杂等关键技术问题。
本发明的技术方案为：将Fe3O4磁纳米颗粒的分散液磁流体在常温下分散到液晶5CB溶剂中，搅拌均匀形成铁磁液晶，其中Fe3O4磁纳米颗粒的分散液磁流体和液晶5CB溶剂的浓度比为0.05wt％，并将该铁磁液晶用紫外胶封装进间隔为1mm的无取向的液晶盒中。其中，液晶盒是将两个厚为1mm的玻璃片用石英粉烧接封装而成。利用Fe3O4磁纳米颗粒在可变外磁场的作用下形成的磁链与液晶5CB溶剂之间的磁相互作用，实现在厚液晶盒中对随机分布的液晶分子的初始锚定取向，使得液晶分子沿着垂直于外磁场的方向排布，继续增大外磁场，磁链的锚定取向作用力就会小于外磁场对液晶分子磁矩的作用力，相应地，液晶分子的光轴也就会慢慢地转向外磁场的方向。因此，仅通过改变外磁场的大小而无需改变外磁场的方向就可将液晶分子的光轴实现90°的偏转控制，从而实现THz液晶相移器和可调THz波片的功能。
太赫兹磁纳米液晶相移器的工作方法是：将待测样品放置于太赫兹光路中，并且在垂直于传播方向的平面内施加一个可变的外磁场，入射线偏振光的偏振方向(y轴)与可变外磁场的方向成90°角。在待测样品的后面放置一个检偏器，当只检测与y轴平行的分量，通过改变可变外磁场的大小，出射线偏振光则会发生相位延迟，实现相移的功能。通过检测与y轴成±45°角的两个正交偏振分量的时域信号，我们可以得到出射光的偏振态，即可在特定频率点实现偏振转换或可调谐波片的功能。
本发明的有益效果和优点是：
1.本发明将Fe3O4磁纳米颗粒分散液磁流体在常温下分散到液晶5CB溶剂中形成铁磁液晶，将该铁磁液晶用作THz相移器的可调谐材料，并将其封装进液晶盒中，该液晶盒是由玻璃片用石英粉烧接封装而成。因此，其制备方法简单可靠，材料成本低廉，适合大规模的低成本制作；
2.该器件巧妙地利用Fe3O4磁纳米颗粒在极弱外磁场(10mT)的作用下形成的磁链与液晶之间的磁相互作用，实现在厚液晶盒中对随机分布的液晶分子的初始锚定取向。与传统的摩擦取向和光控取向相比，该取向方式可在更厚的液晶盒中起作用，满足太赫兹液晶相移器的需求；
3.该器件仅通过改变磁场大小就可将液晶分子的光轴实现90°的偏转控制。相比于传统的磁控液晶相移器件，该器件无需改变磁场方向且无需对液晶分子进行预取向，大大提高了器件的实用性和稳定性；
4.合理设计磁纳米颗粒分散液磁流体和液晶5CB溶剂的浓度比为0.05wt％，可获得最大的相移调谐范围，且器件所需要的最大外磁场仅为67.5mT，该器件在0.78THz和1.45THz位置可实现的最大相移范围分别为π/2和π，通过改变外磁场的大小就可实现偏振转换或可调谐波片的功能；
附图说明
图1是太赫兹磁纳米液晶相移器在实验系统中的结构示意图；
图2是太赫兹磁纳米液晶相移器在实验系统中的俯视图；
图3是铁磁液晶在不同方向的外磁场下的光学显微镜照片；
图4(a)是该器件实验测得的第一个过程的时域曲线；
图4(b)是该器件实验测得的第二个过程的时域曲线；
图5(a)是该器件实验测得的第一个过程的折射率曲线；
图5(b)是该器件实验测得的第二个过程的折射率曲线；
图6是该器件实验测得的1.45THz频率位置的随外磁场变化的相移和折射率曲线；
图7(a)是铁磁液晶在0mT外磁场下的液晶分子与磁链的分布示意图；
图7(b)是铁磁液晶在10mT外磁场下的液晶分子与磁链的分布示意图；
图7(c)是铁磁液晶在70mT外磁场下的液晶分子与磁链的分布示意图；
图8(a)是铁磁液晶中液晶分子的导向角随外磁场变化的曲线图；
图8(b)是该器件工作在1.45THz和0.78THz频率位置处的不同外磁场下的出射偏振态的示意图；
图中：铁磁液晶1、液晶盒2、可变外磁场3、磁链7、液晶分子8、检偏器10、入射线偏振光11。
具体实施方式
本发明的工作原理和方法由下面实例说明：
将Fe3O4磁纳米颗粒分散液磁流体在常温下分散到液晶5CB溶剂中形成铁磁液晶，其中磁纳米颗粒分散液磁流体和液晶5CB溶剂的浓度比为0.05wt％，随后将该铁磁液晶封装进间隔为1mm的无取向的液晶盒中作为待测样品，液晶盒是将两个1mm厚的玻璃片用石英粉烧接封装而成。图1和图2分别为实验测试的三维示意图和俯视图，一束y偏振的线偏振光正入射进待测样品中，并对待测样品施加一个x方向的可变外磁场，该可变外磁场是由两个线圈组成，通过对其施加一个直流电压源并改变电压的大小，从而改变外磁场的大小，在待测样品之后放置一个检偏器用来检测出射光的偏振态。当对铁磁液晶施加一个极弱的外磁场时，Fe3O4磁纳米颗粒会发生团簇形成磁链并沿着外磁场的方向排布，如图3所示为在不同外磁场方向下的光学显微镜照片，其放大倍数为100×，从这些图中可以看出，具有微米尺寸的磁链会随着外磁场的方向改变而发生旋转。此外，磁化的Fe3O4磁纳米颗粒形成的磁链稳定分布。
该器件的基本工作原理如下：该器件的相移变化可分为两个过程，如图4(a)所示为第一个过程，当施加的外磁场从0mT增大到10mT时，出射y分量的线偏振的时域信号逐渐向右移动。当外磁场B＝10-30mT时，该时域信号的时间延迟保持稳定，记为稳态1。当外磁场继续增大时，如图4(b)所示，该时域信号开始向左移动，当外磁场B＞67.5mT时达到第二个稳定状态，记为稳态2。对实验测得的时域曲线进行傅里叶变换，我们得出0.2-1.6THz频率范围内的折射率曲线，如图5所示，可以看出，随着外磁场的增大，样品的折射率也出现了先增大后减小的过程，与上述结果相吻合。此外，我们计算了1.45THz频率位置处的相移和有效折射率谱，如图6所示，其中阴影区域为稳态的范围，随着外磁场增加，相移和折射率从随机中间状态迅速增加，并在极弱外磁场Bs1＝10mT下达到饱和状态，其中折射率达到最大值(非常光折射率ne)并保持稳定，此时液晶分子趋向于均匀且指向矢沿y轴。当外磁场进一步增大到临界磁场Bc(即为Frederiks转变磁场)以上时，相移和折射率均开始减小，直到外磁场大于Bs2时，折射率达到最小值(寻常光折射率no)并保持稳定，表明液晶分子的指向矢从y轴逐渐旋转至x轴。因此，对于浓度为0.05wt％的铁磁液晶，它可以在极弱外磁场的作用下从随机排布状态变为均匀排布状态，起到初始锚定的作用。并且仅通过改变外磁场的大小而无需旋转外磁场的方向，就可在ne到no两个极值之间实现主动可调谐的功能。
接下来，我们结合铁磁液晶中的液晶分子排布从理论上解释上述实验现象。铁磁液晶在THz波段的特殊磁光双折射特性主要是由于Fe3O4磁纳米颗粒团簇形成的磁链与液晶分子之间在外磁场作用下发生磁相互作用。如图7(a)所示，在没有外磁场的情况下，液晶分子和磁性纳米颗粒都是无规则排布的。当施加一个非常弱的外磁场(10mT)时，Fe3O4磁性纳米颗粒将会发生团簇形成μm尺寸的磁链，并且该磁链沿着外磁场的方向排布。液晶分子的取向排布不仅受到外磁场的影响，还会受到磁链的影响，即为由液晶分子和磁性纳米颗粒之间的磁相互作用所导致的锚定取向作用。当浓度为0.05wt％时，磁链对液晶分子的锚定力远大于极弱外磁场在液晶分子的磁矩上的作用力，因此液晶分子总是沿着垂直于外磁场的方向排布，如图7(b)所示。在图7(a)到图7(b)的过程中，在极弱外磁场下通过磁链的作用可使液晶分子在整个液晶盒中实现均匀的锚定排布。因此，通过添加适量的磁性纳米颗粒可使普通的液晶转变为铁磁液晶，从而在mm厚的液晶盒中实现均匀锚定排布。
当外磁场增大到临界磁场Bc时，外磁场对液晶分子的作用力开始大于磁链对液晶分子的锚定力，液晶分子就会发生Frederiks转变，其液晶分子的指向矢将会从垂直于外磁场方向排布的状态逐渐变为平行于外磁场方向排布的状态，如图7(c)所示。因此，铁磁液晶的折射率从ne(10mT)变为no(70mT)。因此，在图7(b)到图7(c)的过程中，仅通过改变外磁场的大小而无需旋转外磁场的方向，就可以使液晶分子的光轴实现90°的旋转控制，从而实现偏振转换和可调谐THz波片的功能。
最后，我们对基于铁磁液晶的THz偏振转换器和可调谐波片的性能加以研究和验证。当B＝10-67.5mT时，我们进一步计算得出铁磁液晶中液晶分子的导向角与外磁场之间的关系，如图8(a)所示。此外，我们也给出了在1.45THz和0.78THz频率位置处出射光的偏振态与液晶分子的导向角或对应的外磁场的关系曲线图，如图8(b)所示。当频率位于1.45THz时，其对应的相位差为π，该器件可以用作可调谐的半波片：出射光保持为线偏振光，且随着液晶分子的导向角的增大，该出射光的偏振态从y轴逐渐变为成x轴，随后又回到y轴，实现了偏振转换的功能。当频率为0.78THz时，其对应的相位差为π/2时，该器件可以用作可调谐的四分之一波片：随着液晶分子的导向角的增大，出射偏振态从线偏振变为椭圆偏振，当液晶分子的导向角与入射光的偏振态(即y轴)的方向成45°时，出射偏振态则变为圆偏振，随后再变为椭圆偏振，最后变回线偏振且其偏振态的方向与y轴平行，即实现了THz可调谐波片的功能。
利用Fe3O4磁纳米颗粒在极弱外磁场(10mT)的作用下形成的磁链与液晶之间的磁相互作用，实现在厚液晶盒中对随机分布的液晶分子的初始锚定取向，与传统的摩擦取向和光控取向相比，该取向方式可在更厚的液晶盒中起作用，满足太赫兹液晶相移器的需求。仅通过改变磁场大小就可将液晶分子的光轴实现90°的偏转控制，相比于传统的磁控液晶相移器件，该器件无需改变磁场方向且无需对液晶分子进行预取向，大大提高了器件的稳定性和实用性。此外，该器件所涉及到的铁磁液晶材料的制备方法简单且成本低廉，适合大规模的低成本制作。因此，该器件可广泛地应用于太赫兹相位和偏振控制等器件中。
Claims (4)
1.一种太赫兹磁纳米液晶相移器，其特征在于，包括铁磁液晶(1)、液晶盒(2)和可变外磁场(3)；所述铁磁液晶(1)包括磁流体(4)和液晶5CB溶剂(5)，所述磁流体(4)是Fe3O4磁纳米颗粒(6)的分散液；所述Fe3O4磁纳米颗粒(6)在10mT的可变外磁场(3)的作用下会形成沿着可变外磁场(3)方向排布的磁链(7)，所述磁链(7)在液晶盒(2)中对随机分布的液晶分子(8)具有锚定取向作用，使得液晶分子(8)沿着垂直于可变外磁场(3)的方向排布；当可变外磁场(3)达到30mT后，液晶分子(8)的角度就会随磁场增大而逐渐地旋转至可变外磁场(3)的方向；仅通过改变可变外磁场(3)的大小而无需改变可变外磁场(3)的方向就可将液晶分子(8)的光轴实现90°的偏转控制，从而实现太赫兹液晶相移器和可调太赫兹波片的功能。
2.根据权利要求1所述的太赫兹磁纳米液晶相移器，其特征在于，所述磁流体(4)和液晶5CB溶剂(5)的浓度比为0.05wt％。
3.根据权利要求1所述的太赫兹磁纳米液晶相移器，其特征在于，所述液晶盒(2)未做预取向处理。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的太赫兹磁纳米液晶相移器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按浓度比称取磁流体(4)和液晶5CB溶剂(5)；
(2)将磁流体(4)在常温下分散到液晶5CB溶剂(5)中，搅拌均匀形成铁磁液晶(1)；
(3)将铁磁液晶(1)用紫外胶封装进所述液晶盒(2)中，即得待测样品(9)；
(4)将待测样品(9)放置于可变外磁场(3)的中心位置，即得所述的太赫兹磁纳米液晶相移器。
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