CN109407420A - 一种太赫兹蓝相液晶光栅及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹蓝相液晶光栅结构及其制作方法，该结构包括：上基板、下基板、上电极层、下电极层以及蓝相液晶；下基板与上基板相对错位设置；上电极层置于上基板之下；下电极层置于下基板之上；蓝相液晶置于上电极层与下电极层之间；其中，上电极层与下电极层相对错位设置，上电极层与下电极层之间形成电场驱动蓝相液晶。本发明的上电极层和下电极层是透明导电聚合物材料，下电极层为周期性条纹结构，上电极层为均匀平面，上电极层与下电极层之间形成周期性电场驱动蓝相液晶，以使蓝相液晶产生周期性折射率分布。本发明填补了太赫兹波段蓝相液晶光栅的空白，为调制太赫兹波提供途径，对太赫兹器件的实用化发展具有重要的意义。

Description

一种太赫兹蓝相液晶光栅及其制作方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波调制器件的技术领域，特别涉及一种太赫兹蓝相液晶光栅及其制作方法，其主要针对太赫兹波进行调制，解决太赫兹波段调制器件少且性能不佳的问题。
背景技术
在过去的几十年中，太赫兹光子学的发展取得了长足的进步，太赫兹技术在材料动力学、高速通信、生物成像和环境监测中的应用得以实现。太赫兹技术的蓬勃发展也使太赫兹准光学元件的需求，尤其是太赫兹光栅的需求大大增加。然而，目前关于太赫兹波段光栅的报道却寥寥无几，仍有待开发。
液晶材料因其在太赫兹波段具有较大的双折射和较低的吸收而格外适合用于太赫兹设备中，更重要的是，液晶还具有可调控性，一些基于液晶的太赫兹光栅也已报道。
有文献报道了一种磁控太赫兹液晶相位光栅，该装置采用向列相液晶(nematicliquid crystals)，可在0.3THz频率下，将偏振方向垂直于光栅槽方向上的零级衍射光和一级衍射光的比例从4：1调节至1：2。但是，该装置为磁控调节，装置成本高、体积大、响应慢，且对入射光的偏振态有特殊的要求，衍射效率低。
还有文献公开了一种太赫兹电控液晶相位光栅，该装置采用向列相液晶，可将零级衍射光和一级衍射光的比例从10：1调节至1：1。虽然电控液晶光栅相比于磁控液晶光栅，重量有所减轻，能量损耗也相对降低，但由于没有采用透明电极材料，只能并列排布多个基板、电极层和液晶层来获得蓝相液晶折射率的周期性分布，进而产生衍射效应，这就导致整个器件体积偏大，制作工艺复杂，制作成本高，响应速度慢，也不满足器件的实用化要求。
针对向列相液晶太赫兹光栅响应速度慢、结构复杂等问题，研究者们提出采用具有亚波长周期性排列的超材料来制作太赫兹光栅。
文献“全介质光栅在太赫兹波段的光调控特性，物理学报，2016，65(7):074209”中采用激光直写技术在100μm厚的硅衬底上制备了全介质光栅结构，在光栅与太赫兹波偏振垂直的情况下，该光栅在0～1.0THz范围内有3个典型的米谐振峰且谐振模式各不相同；随着调控光功率的增加，3个谐振峰的谐振强度出现了不同程度的减弱。该光栅为光调控，调控响应时间短，但光调控需要在系统里设置额外光源，且对入射太赫兹波偏振态有特殊要求。
专利申请CN106125176A公开了一种一维相位光栅，是一种栅距可变、槽深顺次变化，适用于太赫兹波段的立体、反射式相位光栅。该发明基于电磁波的衍射理论，通过控制凹槽的深度变化，引入附加光程，对反射太赫兹波前的不同区域内具有不同的相位信息，对反射太赫兹波实现相位调制。但该光栅的立体反射结构需要采用刻蚀金属方法制作，加工过程复杂、耗时长，且该光栅槽长度为80cm，器件体积过大，不满足器件实用化、小型化标准。
因此，提出新型偏振无关、响应快速、低成本、制作工艺简单的太赫兹光栅是十分必要的。调制材料需要尽可能兼具液晶、电介质和金属材料的优点，考虑采用蓝相液晶作为调制材料。
蓝相液晶相比于向列相液晶有一些独特的优势：向列相液晶通过液晶分子转向来改变光路，但蓝相液晶是通过自身形变来改变光路，因此响应速度比传统向列相液晶快很多，具有亚毫秒量级的响应速度；与向列相液晶相比，蓝相液晶不需要取向层来进行取向，这简化了设备结构，降低了制造成本。尽管蓝相液晶具有诸多优势，但它仍没有广泛应用在太赫兹调制器件领域，原因是蓝相液晶在实际应用中仍面临一些技术挑战，比如：蓝相温宽窄、驱动电压过高等。
专利CN105116639A提供了一种蓝相液晶显示模组、蓝相液晶显示器及其制作方法，该蓝相液晶显示模组包括上基板、下基板以及蓝相液晶，下基板与上基板相对设置，蓝相液晶设于上基板与下基板之间。其中，上基板和下基板表面均间隔设置有公共电极，上基板上的公共电极与下基板上的公共电极相对设置，同时在下基板上设置绝缘凸起，并将像素电极设置在绝缘凸起顶部，以使像素电极位于两基板之间，降低了像素电极与上、下基板的公共电极之间的距离，像素电极和公共电极之间形成电场驱动所述蓝相液晶，可降低蓝相液晶的驱动电压。但该像素电极制作工艺复杂，包括光刻技术，制作步骤多、周期长、制作费用高。
专利CN106842753A提供了一种蓝相液晶器件及其制作方法，该发明所述的聚合物稳定蓝相液晶的前聚体材料由母体液晶、手性剂、单体、交联剂以及光敏引发剂组成，通过降低母体液晶中离子浓度方法提高液晶前聚体的电阻率可以有效降低蓝相液晶器件的驱动电压。
但目前公布的蓝相液晶器件专利的主要应用波段为可见光，并不适合用于调制太赫兹波。此外，蓝相液晶通常采用IPS(In-Plane Switching，平面转换)电极结构进行驱动，但IPS电极所产生的侧向电场穿透深度有限，需要更高的驱动电压，因此关于太赫兹波段蓝相液晶器件的研究，包括材料特性、驱动技术和器件结构等还有待改进。
发明内容
本发明提出一种太赫兹蓝相液晶光栅及其制作方法，用来对太赫兹波分布和强度进行调制，以解决太赫兹波段缺乏高性能调制器件问题和蓝相液晶在太赫兹波段应用困难的技术问题。
为解决上述问题，本发明提出了一种蓝相液晶光栅，其结构包括：上基板、下基板、上电极层、下电极层以及蓝相液晶；下基板与所述上基板相对错位设置；上电极层置于所述上基板之下；下电极层置于所述下基板之上；蓝相液晶置于所述上电极层与所述下电极层之间；其中，所述上电极层与所述下电极层相对错位设置，所述上电极层与所述下电极层之间形成电场驱动所述蓝相液晶。
优选地，所述上基板和所述下基板为熔融石英。
优选地，所述上电极层和所述下电极层是透明导电聚合物材料。
优选地，所述透明导电聚合物材料是掺杂有机物二甲基亚砜的PEDOT:PSS。
优选地，所述下电极层为周期性条纹结构，所述上电极层为均匀平面。本发明采用单面条纹结构电极(下电极层)即可实现电场周期性分部，不需要将上下电极层均刻蚀成条形结构，从而可以减少制作步骤和制作成本。
本发明所述的“周期性条纹结构”是指电极层呈矩形均匀间隔铺设。
优选地，所述上电极层和所述下电极层边缘处设置有条形金属电极，以使电压信号通过金属电极对所述上、下电极层之间产生电场。
本发明还提供了一种太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，包括下列步骤：
步骤一：清洗上基板和下基板；
步骤二：在上基板和下基板上分别设置上电极层和下电极层；
步骤三：在上电极层和下电极层错位边缘处设置有条形金属电极；
步骤四：将步骤三处置后的上基板和下基板相对错位放置，中间放置垫片隔开；其中，放置过程中保证上电极层与下电极层相对放置；
步骤五：将垫片与上基板和下基板在侧面固定住，将三面封住；
步骤六：在上基板和下基板中间填充蓝相液晶前聚体并整体加热保持一段时间；
步骤七：降温至聚合温度；
步骤八：在紫外线照射下聚合；
步骤九：得到太赫兹蓝相液晶光栅。
优选地，所述蓝相液晶前聚体由以下质量分数的组分配置而成：
优选地，在步骤六中，所述加热时间为15～20min。
优选地，在步骤七中，所述降温的速度为0.4～0.6℃/min。
优选地，在步骤八中，所述紫外线强度为18～22mW/cm2。
相比于现有太赫兹光栅器件，本发明提供的太赫兹蓝相液晶光栅，采用VFS电极结构，器件结构简单、体积减小、成本低。基于蓝相液晶的克尔效应，使条纹电极有电极和无电极区域产生折射率梯度分布，从而产生衍生效应。电压通过有机聚合物掺杂二甲基亚砜的PEDOT:PSS电极层施加在蓝相液晶上，该电极为太赫兹波段透明电极材料，相比于传统IPS电极结构驱动蓝相液晶，本发明中的电极结构可以有效降低蓝相液晶的驱动电压，且有效解决蓝相温宽窄的问题，将蓝相温宽提高至室温以上40℃左右。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构和产生的技术效果做进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明太赫兹蓝相液晶光栅一个较佳实施例的立体结构图；
图2为图1实施例中太赫兹蓝相液晶光栅未通电状态下的截面剖视图；
图3为图1实施例中太赫兹蓝相液晶光栅通电状态下的截面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
请参阅图1，图1是本发明太赫兹蓝相液晶光栅一个较佳实施例的立体结构图；该太赫兹蓝相液晶光栅包括但不限于以下元件：上基板1、下基板2、上电极层3、下电极层4、上电极层边缘下底面的金属电极5、下电极层远离金属电极5的边缘的上底面的金属电极6和蓝相液晶7。
具体而言，下基板2与上基板1相对错位设置，上电极层3置于所述上基板1之下；下电极层4置于所述下基板2之上；蓝相液晶置7于所述上电极层3与所述下电极层4之间。所述下电极层4为周期性条纹结构，在本实施例中，优选地，电极条纹宽度为100μm，电极条纹之间的距离为100μm，当然电极条纹宽度和电极条纹之间的距离还可以为其他长度，所述上电极层3为均匀平面。上电极层3和下电极层4错位边缘处分别设置有条形金属电极(上电极层边缘的金属电极5、下电极边缘的金属电极6)。上电极层3和下电极层4之间形成电场驱动蓝相液晶7。本实施例中上基板1和下基板2优选采用熔融石英，本实施例中上电极层3和下电极层4优选采用透明导电聚合物材料掺杂有机物二甲基亚砜的PEDOT:PSS。其中，PEDOT是EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。其中，图1中实线箭头表示太赫兹波传播方向。
本发明的上电极层和下电极层是透明导电聚合物材料，下电极层为周期性条纹结构，上电极层为均匀平面，上电极层与下电极层之间形成周期性电场驱动所述蓝相液晶，以使蓝相液晶产生周期性折射率分布。
请一并参阅图1、图2和图3，图2为图1实施例中太赫兹蓝相液晶光栅未通电状态下的截面剖视图，图3为图1实施例中太赫兹蓝相液晶光栅通电状态下的截面剖视图。其中，图2和图3中实线箭头表示太赫兹波传播方向。
当电极之间不施加电压时，蓝相液晶为光学各向同性的，各区域间不存在折射率差异，如图2所示。此时从该太赫兹蓝相液晶光栅透射的太赫兹波在各区域间也不会存在相位差，因而不会产生衍射效应。此时的状态为太赫兹蓝相液晶光栅的关态，此时蓝相液晶的折射率niso可表示为
其中，no(E)为垂直于电场方向上的折射率，ne(E)为平行于电场方向上的折射率。
当给蓝相液晶施加足够大的外加电场时，根据克尔效应，蓝相液晶会产生双折射，条纹电极4上有电极区域内的蓝相液晶折射率就会产生变化，此时太赫兹蓝相液晶光栅的状态为开态，如图3所示。此时有电极区域折射率的变化可分别表示为
其中，δno(E)为垂直与电场方向上的折射率变化，δne(E)为平行于电场方向上的折射率变化。此时有电极区域的双折射δn(E)可以根据扩展克尔效应来表示为
其中，δnsat为饱和双折射，Es为饱和电场，E代表电场。
由于有电极区域内的蓝相液晶折射率发生了改变，但没有电极的区域内蓝相液晶的折射率几乎无变化，依旧为niso，这样一来，蓝相液晶上就产生了周期性的折射率变化，当太赫兹波通过蓝相液晶时就会发生衍射效应。
本实施例提供的太赫兹蓝相液晶光栅，通过采用VFS(vertical fieldswitching,垂直电场转换)电极结构，器件结构简单、体积减小、成本低。基于蓝相液晶的克尔效应，当条纹电极有电极和无电极区域产生折射率梯度分布时，可以产生衍射效应，形成光栅。电压通过透明电极材料有机聚合物掺杂二甲基亚砜的PEDOT:PSS电极层施加在蓝相液晶上，相比于传统IPS电极结构驱动蓝相液晶，本发明中的电极结构可以有效降低蓝相液晶的驱动电压。
本发明还提供了一种太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，该方法包括但不限于以下步骤：
步骤一：清洗上基板和下基板；
步骤二：在上基板和下基板上分别设置上电极层和下电极层，具体包括：旋涂工艺、成膜工艺，而该步骤中的具体细节，在本领域技术人员理解范围内，此处不再赘述；
步骤三：在上电极层和下电极层错位边缘处设置有条形金属电极；
步骤四：将步骤三处置后的上基板和下基板相对错位放置，中间放置垫片隔开；其中，放置过程中保证上电极层与下电极层相对放置；
步骤五：将垫片与上基板和下基板在侧面固定住，将三面封住，为填充蓝相液晶提供容器；
步骤六：在上基板和下基板中间填充蓝相液晶前聚体并整体加热保持一段时间，以使得整个蓝相液晶前聚体混合均匀；其中，优选采用加热时间为15～20min，加热至液晶呈透明液体状态；
步骤七：降温至聚合温度，其中，优选采用降温速度为0.4～0.6℃/min；
步骤八：在紫外线照射下聚合，其中，优选采用紫外线强度为18～22mW/cm2；
步骤九：得到太赫兹蓝相液晶光栅。
所述蓝相液晶前聚体优选采用以下质量分数的组分配置而成：
其中，n代表折射率，no及ne的含义分别为寻常光和非常光对应的折射率。
本实施例提供的太赫兹蓝相液晶光栅制作方法，流程简单且容易操作，用该方法制成的太赫兹蓝相液晶光栅，通过采用VFS电极结构，器件结构简单、体积减小、成本低。基于蓝相液晶的克尔效应，使条纹电极有电极和无电极区域产生折射率梯度分布，从而产生衍生效应。电压通过太赫兹波段透明电极材料有机聚合物掺杂二甲基亚砜的PEDOT:PSS电极层施加在蓝相液晶上，相比于传统IPS电极结构驱动蓝相液晶，本发明中的电极结构可以有效降低蓝相液晶的驱动电压，且有效解决蓝相温宽窄的问题，将蓝相温宽提高至室温以上40℃左右。
以上所述仅为本发明的部分实施例,并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种太赫兹蓝相液晶光栅，其特征在于，所述太赫兹蓝相液晶光栅包含：上基板；
下基板，其与所述上基板相对错位设置；
上电极层，其置于所述上基板之下；
下电极层，其置于所述下基板之上；
蓝相液晶，其置于所述上电极层与所述下电极层之间；
其中，所述上电极层与所述下电极层相对错位设置，所述上电极层和所述下电极层边缘处均设置有条形金属电极，以使电压信号通过金属电极对所述上、下电极层之间产生电场驱动所述蓝相液晶。
2.如权利要求1所述的太赫兹蓝相液晶光栅，其特征在于，所述上基板和所述下基板的材料为熔融石英。
3.如权利要求1所述的太赫兹蓝相液晶光栅，其特征在于，所述上电极层和所述下电极层均采用透明导电聚合物材料制成。
4.如权利要求3所述的太赫兹蓝相液晶光栅，其特征在于，所述透明导电聚合物材料是掺杂二甲基亚砜的PEDOT:PSS。
5.如权利要求1所述的太赫兹蓝相液晶光栅，其特征在于，所述下电极层为周期性条纹结构，所述上电极层为均匀平面，所述上电极层与所述下电极层之间能形成周期性电场驱动所述蓝相液晶。
6.一种根据权利要求1-5中任意一项所述的太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤；
步骤一：清洗上基板和下基板；
步骤二：在上基板和下基板上分别设置上电极层和下电极层；
步骤三：分别在上电极层和下电极层错位边缘处设置条形金属电极；
步骤四：将步骤三处置后的上基板和下基板相对错位放置，中间放置垫片隔开；其中，放置过程中保证上电极层与下电极层相对放置；
步骤五：将垫片与上基板和下基板在侧面固定住，将三面封住；
步骤六：在上基板和下基板中间填充蓝相液晶前聚体并整体加热保持一段时间；
步骤七：降温至聚合温度；
步骤八：在紫外线照射下聚合；
步骤九：得到太赫兹蓝相液晶光栅。
7.如权利要求6所述的太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，其特征在于，所述蓝相液晶前聚体由以下质量分数的组分配置而成：
其中，向列相液晶BPH006-01中，no＝1.498,ne＝1.656；二丙烯酸酯单体中，no＝1.514,ne＝1.704；丙烯酸月桂酯的n＝1.445。
8.如权利要求6所述的太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，其特征在于，在步骤六中，所述加热时间为15～20min。
9.如权利要求6所述的太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，其特征在于，在步骤七中，所述降温的速度为0.4～0.6℃/min。
10.如权利要求6所述的太赫兹蓝相液晶光栅的制作方法，其特征在于，在步骤八中，所述紫外线强度为18～22mW/cm2。
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