CN114935843B - 一种太赫兹可调偏振波片及调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹可调偏振器及其调控方法，其中，偏振器包括：介质光栅层；封装层；衬底层，设置于所述介质光栅层和所述封装层之间；液晶层，设置于所述衬底层以及所述封装层之间；电场发生件，与所述液晶层连接，用于向所述液晶层施加电场；磁场发生件，用于向所述液晶层施加磁场。本发明公开的偏振器将大双折射的液晶材料与介质光栅结合，弥补了介质光栅相位延迟不可调谐的特性，通过外加电场和磁场实现了器件偏振特性的主动可调。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹超材料技术领域，特别涉及一种太赫兹可调偏振波片及调控方法。
背景技术
介质光栅超材料是通过人工在介质基底上经刻蚀等工艺加工制备的一种微纳结构。通过介质光栅的亚波长结构设计，可以实现太赫兹波段较大的人工双折射。本领域技术中，对于介质光栅超材料的研究已经实现了太赫兹波的宽带偏振调控并获得了较高的透射效率。然而，上述电磁超材料一旦加工设计完成，其电磁响应无法主动调控。
发明内容
为了解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明实施例提供了一种太赫兹可调偏振波片及调控方法。技术方案如下：
第一方面，提供了一种太赫兹可调偏振波片，包括：
介质光栅层；
封装层；
衬底层，设置于所述介质光栅层和所述封装层之间；
液晶层，设置于所述衬底层以及所述封装层之间；
电场发生件，与所述液晶层连接，用于向所述液晶层施加电场；
磁场发生件，用于向所述液晶层施加磁场。
进一步地，所述液晶层通过紫外光胶与所述衬底层以及所述封装层连接。
进一步地，在同一平面中，所述磁场发生件发生的磁场方向垂直于所述介质光栅层的光栅取向；所述电场发生件发生的电场方向平行于所述介质光栅层的光栅取向。
进一步地，在无外场作用时，所述液晶层的液晶取向适于呈现为各向同性；在仅外加磁场作用时，所述液晶层的液晶长轴的取向适于沿磁场方向；在外加磁场与电场联合作用时，所述液晶层的液晶长轴取向适于沿电场方向。
进一步地，所述电场发生件发生的电场强度满足0-20KV/m，与电场强度对应地，磁场发生件发生的磁场强度恒定为：0.17T。
进一步地，所述介质光栅层的刻蚀深度根据预设的偏振器工作频段以及所述介质光栅层的光栅参数确定。
进一步地，当偏振器工作频段为0.5THz和1.0THz，且所述介质光栅层的光栅周期为50μm时，所述介质光栅层的刻蚀深度为140μm；介质光栅衬底层厚度为360μm。
进一步地，所述液晶层的厚度根据预设的偏振器工作频段以及所述液晶层的双折射系数确定。
进一步地，当偏振器工作频段为0.5THz和1.0THz，且所述液晶层液晶的双折射系数为0.3时，所述液晶层的厚度为500μm。
第二方面，本发明实施例提供了一种太赫兹可调偏振器的调控方法，用于调控本发明第一方面提出的太赫兹可调偏振器，在存在入射偏振光以预设的入射角度射入偏振器的情况下：
无外场作用时，所述液晶层的液晶呈现为各向同性，所述入射偏振光在所述介质光栅层的折射作用下，实现第一状态的相位延迟；或
通过所述磁场发生件对所述液晶层外加磁场作用，所述液晶层的液晶长轴取向沿着磁场方向，所述入射偏振光在所述介质光栅层以及所述液晶层的综合折射作用下，实现第二状态的相位延迟；或
通过所述磁场发生件以及所述电场发生件对所述液晶层外加磁场和电场联合作用，所述液晶层的液晶长轴取向沿着电场方向，所述入射偏振光在所述介质光栅层以及所述液晶层的综合折射作用下，实现第三状态的相位延迟。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
1.本发明公开的技术方案巧妙地将大双折射的液晶材料与介质光栅结合，弥补了介质光栅相位延迟不可调谐的特性，实现了器件偏振特性的主动可调；
2.本发明公开的技术方案采用电场和磁场联合取向液晶的技术，其中，磁场作为液晶的初始锚定，磁场大小恒定，然后利用可变正交电场调控液晶长轴取向，无需额外液晶取向层，实现了液晶分子在两正交外场方向的自由控制，且具有响应时间快的优点；
3.本发明公开的技术方案采用亚波长介质光栅作为介质光栅层，利用在太赫兹波段的双折射特性，并且通过控制光栅刻蚀深度可获得特定频段的相位延迟，实现太赫兹波段的偏振调控，相比金属材料，介质材料不存在欧姆损耗，具有损耗低、透过性好等优势；
4.本发明公开的技术方案提出太赫兹可调偏振波片具有结构简单，单元结构尺寸在几十至几百微米之间，现有微纳工艺完全可以符合其加工要求，可满足太赫兹波段的实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片的结构示意图；
图1(b)是单独介质光栅层的结构示意图；
图2(a)是单独介质光栅层在90°、0°取向下的时域谱线；
图2(b)是单独介质光栅层在90°、0°取向下的相位差谱线；
图3(a)是单独液晶层在90°、0°取向下的时域谱线；
图3(b)是单独液晶层在90°、0°取向下的相位差谱线；
图4(a)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态1下，x、y方向的时域谱线；
图4(b)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态1下，x、y方向的相位差谱线；
图5(a)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态2下，x、y方向的时域谱线；
图5(b)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态2下，x、y方向的相位差谱线；
图6(a)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态3下，x、y方向的时域谱线；
图6(b)是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态3下，x、y方向的相位差谱线；
图7是液晶-介质光栅太赫兹偏振波片在状态1、2、3下，0.5THz和1.0THz处的出射偏振态示意图。
图中：
介质光栅层1、衬底层2、液晶层3、封装层4、液晶分子5、栅脊6、栅槽7、入射太赫兹波8。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
太赫兹(THz,1THz＝1012Hz)波,一般指频率位于0.1THz至10THz之间的电磁波，在人体安检、无损探测、生物医学以及下一代无线通讯领域展现出巨大的应用前景。若要实现上述应用，除高效的太赫兹源和探测技术外，还需要太赫兹功能器件的支撑，比如太赫兹调制器、传感器、耦合器、THz相移和偏振器件等。其中，太赫兹偏振器件在控制太赫兹偏振态方面具有不可替代的作用。然而，由于天然晶体材料在太赫兹波段的各向异性较弱并且存在较大的吸收损耗，因此需发展新材料、新结构用于新型太赫兹偏振器件的研发。
如背景技术所述，介质光栅超材料可以实现太赫兹波段较大的人工双折射，但是其电磁响应无法主动调控。
液晶是目前少有的在太赫兹波段具有较低吸收损耗和较大双折射的材料，并且其折射率可以实现在外加光场、磁场、电场和温度场下的主动调控。关于液晶在太赫兹波段的特性受到了广泛的研究。相关技术中，技术人员研发了一种新型的NJU-LDn-4液晶，在0.4-1.6THz频率的双折射系数达到了0.3，并且吸收损耗小于0.1。但是，仅仅通过液晶实现太赫兹波段的偏振波片，其厚度往往在亚毫米量级，这对液晶的锚定取向带来了困难。
综上，相关技术中，一方面，介质光栅在太赫兹波段具有较高的双折射系数，以及较小的吸收损耗，可以实现太赫兹波段的偏振波片功能，但是其偏振性能无法主动调控；另一方面，液晶可以作为发展太赫兹波段偏振波片的有力材料，但是太赫兹波段的透明电极匮乏，液晶取向技术单一。
为此，本发明所要解决的技术问题在于突破上述两点限制，提供一种太赫兹可调偏振波片及调控方法，具体技术方案如下：
如图1(a)所示，一种太赫兹可调偏振波片，包括：介质光栅层1、衬底层2、液晶层3、封装层4、电场发生件(未示出)、磁场发生件(未示出)。其中，液晶层3设置于衬底层2与封装层4之间，衬底层2设置于介质光栅层1与液晶层3之间。
上述，封装层可采用石英片，介质光栅层及衬底层可为高阻硅介质光栅片。作为一种情况地，介质光栅层和衬底层可由一片介质光栅片经过刻蚀工艺后形成。介质光栅层1在太赫兹波段具有人工双折射，根据光栅参数，可在某频段实现偏振功能，例如在0.5THz和1.0THz频段可分别实现1/4和1/2的偏振波片功能。单独的液晶层3在太赫兹波段具有双折射特性，可在某频段实现偏振功能，例如在0.5THz和1.0THz频段也可以实现1/4和1/2的偏振波片功能。电场发生件主要用于向液晶层施加电场，液晶层与电场发生件的连接形式可以是在液晶层引出导线，通过导线将液晶层与电场发生件连接。磁场发生件可以是一对烧结的环形钕铁硼(Sintered-NdFeB)环形永磁体。
在一个实施例中，偏振器中液晶层3通过紫外光胶与衬底层2、封装层4封装连接，具体地，紫外光胶沿着液晶层3的周向将液晶层3与衬底层2以及封装层4连接。
在一个实施例中，电场发生件发生的电场强度满足0-20KV/m，与电场强度对应地，磁场发生件发生的磁场强度恒定为：0.17T。
上述，对于百um厚向列相液晶来说，0-20KV/m的电场强度可实现液晶长轴的灵活取向控制，而磁场强度是为了与电场强度匹配，通过实验，0-20KV/m的强度的电场0.17T强度的磁场搭配能够更好的控制液晶分子。电场与磁场的强度参数主要与液晶层的厚度以及液晶的种类有关。
对于封装层的厚度可以根据具体对偏振器的保护需要确定，一般封装层厚度为100μm。
对于介质光栅层、液晶层的厚度，根据各层在相应可实现偏振功能的频段确定，偏振器的工作频段可在介质光栅层根据光栅参数通过相位差公式理论计算或者仿真模拟确定，不同的光栅参数对应不同的工作频段。
上述，举例说明，如图1(b)所示，介质光栅一个单元周期为50μm，由30μm介质光栅层栅脊6和20μm介质光栅层栅槽7组成。根据光栅参数确定0.5THz和1.0THz频段作为偏振器的工作频段。
在一个实施例中，介质光栅层的刻蚀深度根据预设的偏振器工作频段以及光栅层的光栅参数确定。
上述，光栅参数包括：光栅周期和占空比。举例说明，介质光栅双折射是通过人工构造出来的，在平行和垂直于光栅取向的两个维度形成等效折射率差。通过偏振光学基本理论，可得相位差其中λ为波长，Δn为双折射系数，d为等效厚度。因此，在双折射系数Δn一定时可以通过刻蚀深度来确定工作波段，即刻蚀深度决定相位延迟位置。为实现0.5THz和1.0THz频段1/4和1/2偏振波片功能，通过模拟仿真优化设计后，确定介质光栅刻蚀深度为140μm。
进一步地，衬底层可与介质光栅层通过一片高阻硅片制备而成。假设选用直径4英寸的高阻硅片的厚度为500μm、阻值>10KΩcm，介质光栅的刻蚀深度为140μm，则衬底层的厚度为360μm。上述，除去界面反射外，刻蚀深度为140μm的介质光栅层对太赫兹透过性在70％左右。
图2所示为单独介质光栅在太赫兹波段的偏振特性。模拟计算了介质光栅在90°和0°线偏振光入射下的时域谱，其中90°表示入射线偏振方向与介质光栅取向垂直，0°表示入射线偏振方向与介质光栅取向平行，分别在图中用实心连线和空心连线表示，如图2(a)所示。从图中可以看到两个谱线具有明显的相位延迟，表明介质光栅两个方向的折射率不同，即存在双折射。基于对时域谱线的傅里叶变换，可以得到其频域信息，包括透过率和相位。如图2(b)展示了90°和0°两个正交方向的相位差，可以发现相位差随频率升高单调递增，并且在0.5THz处的相位差为0.5π、1.0THz处的相位差接近π。此外，从时域谱可以看出90°和0°两个方向的振幅相差不大，说明其透过率基本一致。根据偏振光学基本理论，当入射线偏振光与光栅取向成45°时，该介质光栅在0.5THz、1.0THz处能够作为太赫兹的1/4或1/2偏振波片。
在一个实施例中，液晶层的厚度根据预设的偏振器工作频段以及液晶层的双折射系数确定。
上述，举例说明：液晶层3可采用型号为NJU-LDn-4的液晶，液晶层的折射率在1.50-1.80之间，即双折射系数为0.3，为实现单独液晶在0.5THz和1.0THz频段1/4和1/2偏振波片功能，液晶层厚度确定为500μm。
图3所示为单独液晶层在太赫兹波段的偏振特性。模拟计算了液晶在90°和0°线偏振光入射下的时域谱，其中90°表示入射线偏振方向与液晶长轴取向垂直，0°表示入射线偏振方向与液晶长轴取向平行，分别在图中用实心连线和圆形空心连线表示，如图3(a)所示。从图中可以看到两个谱线也存在一定的相位延迟，即液晶存在双折射。基于对时域谱线的傅里叶变换，可以得到其频域信息，包括透过率和相位。如图3(b)展示了90°和0°两个正交方向的相位差，可以发现相位差随频率升高也呈现单调递增，并且在0.5THz处的相位差为0.5π、1.0THz处的相位差接近π。此外，从时域谱可以看出90°和0°两个方向的振幅相差不大，说明其透过率基本一致。根据偏振光学基本理论，当入射线偏振光与光栅取向成45°时，该液晶层在0.5THz、1.0THz处也能够作为太赫兹的1/4或1/2偏振波片。
在一个实施例中，磁场发生件发生的磁场方向垂直于介质光栅层的光栅取向；电场发生件发生的电场方向平行于介质光栅层的取向，磁场方向与电场方向位于与介质光栅层平面平行的同一平面内。
上述，如图1(a)所示，取平行光栅取向为OX轴，垂直于光栅取向为OY轴，太赫兹波传播方向为-OZ轴，电场施加方向沿OX轴，磁场施加方向沿OY轴。
在一个实施例中，在无外场作用时，液晶层的液晶取向适于呈现为各向同性；在仅外加磁场作用时，液晶层的液晶长轴的取向适于沿磁场方向；在外加磁场与电场联合作用时，液晶层的液晶长轴取向适于沿电场方向。
上述，体现了液晶层三种不同的状态：一、在无外场时，液晶取向随机，呈现为各向同性；二、在外加磁场作用时，液晶长轴沿磁场方向排布；三、在磁场、电场共同作用时，电场占主导作用，液晶长轴沿电场方向排布。综上所述，如图1(b)所示，液晶可以在该外场配置下，能够实现在XY平面的自由取向控制。
基于上述本发明实施例公开的偏振器，本发明实施例还公开一种偏振器的调控方法，包括：
在存在入射偏振光以预设的入射角度射入偏振器的情况下：
无外场作用时，液晶层的液晶呈现为各向同性，入射偏振光在介质光栅层的折射作用下，实现第一状态的相位延迟；或
通过磁场发生件对液晶层外加磁场作用，液晶层的液晶长轴取向沿着磁场方向，入射偏振光在介质光栅层以及液晶层的综合折射作用下，实现第二状态的相位延迟；或
通过磁场发生件以及电场发生件对液晶层外加磁场和电场联合作用，液晶层的液晶长轴取向沿着电场方向，入射偏振光在介质光栅层以及液晶层的综合折射作用下，实现第三状态的相位延迟。
上述，对于第一状态，起初没有外场作用时，液晶为各向同性态，液晶对偏振态不会产生影响，此时入射偏振光在第一层介质光栅作用下，若取工作频段为0.5THz和1.0THz，则在0.5THz和1.0THz处分别实现了π/2和π的相位延迟，即在0.5THz和1.0THz处分别实现了太赫兹1/4和1/2偏振波片。对于第二状态，当磁场存在且电场强度为0时，液晶为各向异性态，如图1(b)所示，液晶长轴沿OY轴排列，此时由于液晶等效折射率与介质光栅的等效折射率相互补充，介质光栅对入射偏振光产生的相位延迟被液晶抵消，若取工作频段为0.5THz和1.0THz，则在0.5THz和1.0THz处的相位延迟接近于0，即所以器件对入射偏振光没有任何影响，出射光偏振态不变。对于第三状态，当磁场存在且电场强度为20KV/m时，液晶为各向异性态，如图1(b)所示，液晶长轴沿OX轴排列，此时由于液晶等效折射率与介质光栅的等效折射率相长，介质光栅对入射偏振光产生的相位延迟被液晶进一步增大，若取工作频段为0.5THz和1.0THz，则在0.5THz和1.0THz处分别实现了π和2π的相位延迟，即在0.5THz和1.0THz处分别实现了太赫兹1/2波片和全波片。
下面举例说明液晶-介质光栅太赫兹可调偏振波片的工作方法：
首先要求入射到偏振器的偏振态为45°方向的线偏振光首先要求入射到偏振器的偏振态为45°方向的线偏振光，如图1(a)所示，由于液晶在不同外场作用下的取向存在差异，这里偏振器主要工作在以下三种状态。状态1：当无外场作用时，液晶呈现各向同性态，此时偏振器中仅第一层介质光栅对入射光有偏振转换能力，如图4(a)所示，其在x和y方向的时域谱线与图2(a)类似；同样的，通过对时域谱线的傅里叶变换即可得频域信息，其相位差图4(b)与图2(b)结果一致，即此时偏振器仅介质光栅工作。状态2：当磁场存在、电场为0时，液晶长轴沿磁场方向排布，此时偏振器中介质光栅和液晶对入射光的偏振转换相互抵消，如图5(a)所示，其在x和y方向的时域谱线重叠；因此，图5(b)显示相位差在整个测试波段接近为0，即此时偏振器无偏振转换作用。状态3：当磁场存在、电场最大为20KV/m时，液晶长轴沿电场方向排布，此时偏振器中介质光栅和液晶对入射光的偏振转换相互增强，如图6(a)所示，其在x和y方向的时域谱线延迟进一步被增大；因此，图6(b)显示偏振器在0.5THz处的相位差为π、1.0THz处的相位差为2π，即此时偏振器在0.5THz、1.0THz处能够作为太赫兹的1/2波片或全波片。
为了更清楚地说明本发明液晶-介质光栅太赫兹可调偏振波片的工作效果，如图7所示，入射到器件的偏振态为斜45°的线偏振，然后给出了偏振器在三种状态下0.5THz和1.0THz处的出射偏振态：在状态1时，0.5THz处出射偏振态为圆偏振(即1/4波片)，1.0THz处出射偏振态为正交的-45°线偏振(即1/2波片)；在状态2时，0.5THz和1.0THz处出射偏振态与入射偏振态一致；在状态3时，0.5THz处出射偏振态为-45°线偏振(即1/2波片)，1.0THz处出射偏振态不变。综上所述，本发明涉及的液晶-介质光栅能够实现外场下偏振态的主动切换，即液晶-介质光栅太赫兹可调偏振器。
以上对本申请所提供技术方案，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太赫兹可调偏振器，其特征在于，包括：
介质光栅层；
封装层；
衬底层，设置于所述介质光栅层和所述封装层之间；
液晶层，设置于所述衬底层以及所述封装层之间；
电场发生件，与所述液晶层连接，用于向所述液晶层施加电场；
磁场发生件，用于向所述液晶层施加磁场；
所述电场发生件发生的电场强度满足0-20KV/m，与电场强度对应地，磁场发生件发生的磁场强度恒定为：0.17T；
所述的太赫兹可调偏振器的调控方法，在存在入射偏振光以预设的入射角度射入偏振器的情况下：
无外场作用时，所述液晶层的液晶呈现为各向同性，所述入射偏振光在所述介质光栅层的折射作用下，实现第一状态的相位延迟；或
通过所述磁场发生件对所述液晶层外加磁场作用，所述液晶层的液晶长轴取向沿着磁场方向，所述入射偏振光在所述介质光栅层以及所述液晶层的综合折射作用下，实现第二状态的相位延迟；或
通过所述磁场发生件以及所述电场发生件对所述液晶层外加磁场和电场联合作用，所述液晶层的液晶长轴取向沿着电场方向，所述入射偏振光在所述介质光栅层以及所述液晶层的综合折射作用下，实现第三状态的相位延迟；
磁场发生件发生的磁场方向垂直于介质光栅层的光栅取向；电场发生件发生的电场方向平行于介质光栅层的取向，磁场方向与电场方向位于与介质光栅层平面平行的同一平面内。
2.如权利要求1所述的偏振器，其特征在于，所述液晶层通过紫外光胶与所述衬底层以及所述封装层连接。
3.如权利要求1所述的偏振器，其特征在于，在同一平面中，所述磁场发生件发生的磁场方向垂直于所述介质光栅层的光栅取向；所述电场发生件发生的电场方向平行于所述介质光栅层的光栅取向。
4.如权利要求1所述的偏振器，其特征在于，在无外场作用时，所述液晶层的液晶取向适于呈现为各向同性；在仅外加磁场作用时，所述液晶层的液晶长轴的取向适于沿磁场方向；在外加磁场与电场联合作用时，所述液晶层的液晶长轴取向适于沿电场方向。
5.如权利要求1-4中任一所述的偏振器，其特征在于，所述介质光栅层的刻蚀深度根据预设的偏振器工作频段以及所述介质光栅层的光栅参数确定。
6.如权利要求5所述的偏振器，其特征在于，当偏振器工作频段为0.5THz和1.0THz，且所述介质光栅层的光栅周期为50μm时，所述介质光栅层的刻蚀深度为140μm；介质光栅衬底层厚度为360μm。
7.如权利要求1-4中任一所述的偏振器，其特征在于，所述液晶层的厚度根据预设的偏振器工作频段以及所述液晶层的双折射系数确定。
8.如权利要求7所述的偏振器，其特征在于，当偏振器工作频段为0.5THz和1.0THz，且所述液晶层液晶的双折射系数为0.3时，所述液晶层的厚度为500μm。
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