RU2625636C1

RU2625636C1 - Terahertz radiation modulator

Info

Publication number: RU2625636C1
Application number: RU2016137752A
Authority: RU
Inventors: Сергей Вениаминович Пасечник; Дина Владимировна Шмелева; Валентин Алексеевич Цветков; Александр Владимирович Дубцов; Людмила Федоровна Демидова
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2017-07-17

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: terahertz radiation modulator consists of a stack of liquid crystal cells, each of which is composed of two substrates separated by spacers. The inner sides of the substrates are processed to give a LC homogeneous orientation along the surface of the substrates. Each of the LC cells of the stack is provided with two sections of a porous membrane located between the substrates and along the edges of the cell. The sections of the porous membrane are separated from the substrates by spacers, forming cavities filled with LC.

EFFECT: providing modulation of terahertz radiation with low voltages inherent in LC, and short switching times.

4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области техники, оперирующей с излучением в диапазоне длин волн от дальнего инфракрасного (ИК) и до короткого миллиметрового диапазона. Излучение в этом диапазоне обладает рядом особенностей и достоинств, определяющих широкое их применение в технике. К числу особенностей относятся прозрачность большинства известных материалов в этом диапазоне волн, малые значения показателей преломления и двулучепреломления, существенно зависящие от длины волны излучения.The present invention relates to the field of technology, operating with radiation in the wavelength range from far infrared (IR) to the short millimeter range. Radiation in this range has a number of features and advantages that determine their widespread use in technology. Features include the transparency of most known materials in this wavelength range, small refractive indices and birefringence, which substantially depend on the radiation wavelength.

Терагерцевый (ТГц) диапазон частот содержит очень важные спектры, поскольку многие важные энергетические характеристики соответствуют, например, акцепторам и донорам в полупроводниках, энергии связи экситонов, оптических фотонов и т.д. Во всех этих областях необходимы изделия, управляющие этим излучением.The terahertz (THz) frequency range contains very important spectra, since many important energy characteristics correspond, for example, to acceptors and donors in semiconductors, exciton binding energies, optical photons, etc. In all these areas, products are needed to control this radiation.

Из уровня техники известен модулятор терагерцевого излучения [патент US 7940368 В2, опубл. 10.05.2011], состоящий из жидкокристаллической ячейки с системой полосчатых электродов, которые одновременно являются поляризаторами. При подаче напряжения к соседним электродам возникает поперечное электрическое поле, которое ориентирует жидкие кристаллы (ЖК), и интенсивность проходящего излучения модулируется в зависимости от приложенного напряжения.The prior art modulator terahertz radiation [patent US 7940368 B2, publ. 05/10/2011], consisting of a liquid crystal cell with a system of banded electrodes, which are simultaneously polarizers. When voltage is applied to adjacent electrodes, a transverse electric field arises, which orientes the liquid crystals (LC), and the intensity of the transmitted radiation is modulated depending on the applied voltage.

Недостатками известного модулятора являются высокие управляющие напряжения, обусловленные большими расстояниями между электродами, малое быстродействие, обусловленное большой толщиной слоя ЖК, необходимой для осуществления модуляции, особенно учитывая тот факт, что показатели преломления ЖК в терагерцевом диапазоне длин волн малы.The disadvantages of the known modulator are high control voltages due to the large distances between the electrodes, low speed, due to the large thickness of the LC layer necessary for modulation, especially given the fact that the refractive indices of the LC in the terahertz wavelength range are small.

А также известен модулятор ТГц излучения [патент US 5184253 A, опубл. 02.02.1993], состоящий из параллелепипеда, заполненного суспензией из ЖК и продолговатых частиц, придающих суспензии повышенный показатель преломления в ТГц диапазоне. ЖК ориентирован стенками вдоль длинных граней параллелепипеда. Модулируемое излучение направляется в этом же направлении, и показатель преломления в этом направлении минимален. На противоположные грани нанесены электроды, при подаче на которые управляющих напряжений, ЖК ориентируется вдоль силовых линий, а вместе с ним ориентируются продолговатые частицы. Показатель преломления суспензии становится максимальным в направлении вдоль силовых линий и минимальным в перпендикулярном направлении, т.е. наблюдается значительное двулучепреломление. Таким образом, переключение двулучепреломления в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает модуляцию излучения.And also known is a modulator of THz radiation [patent US 5184253 A, publ. 02.02.1993], consisting of a parallelepiped filled with a suspension of LC and elongated particles, giving the suspension an increased refractive index in the THz range. The LCD is oriented by walls along the long faces of the box. Modulated radiation is directed in the same direction, and the refractive index in this direction is minimal. Electrodes are deposited on opposite faces, when control voltages are applied to them, the LC is oriented along the lines of force, and elongated particles are oriented with it. The refractive index of the suspension becomes maximum in the direction along the field lines and minimum in the perpendicular direction, i.e. significant birefringence is observed. Thus, switching birefringence in two mutually perpendicular directions provides modulation of radiation.

Недостатками такого модулятора являются, как и в первом случае, высокие управляющие напряжения и низкая скорость переключения, обусловленные большой толщиной слоя ЖК, необходимой для реализации электрооптического отклика.The disadvantages of this modulator are, as in the first case, high control voltages and low switching speed due to the large thickness of the LCD layer, necessary for the implementation of the electro-optical response.

Ближайшим аналогом (прототипом) настоящего изобретения является модулятор излучения терагерцевого диапазона, описанный в [

Wilketal. Liquid crystal based electrically switchable Bragg structure for THz waves / OPTICS EXPRESS, 2009, Vol. 17, №9, pages 7377-7382]. Модулятор представляет собой стопу жидкокристаллических ячеек, состоящих из двух подложек, разделенных спейсером. Указанные жидкокристаллические ячейки прозрачны в терагерцевом диапазоне, выполнены из полимера и образуют полости, в которых содержится ЖК. Внутренние стороны подложек обработаны одним из известных способов для того, чтобы придать слою ЖК однородную ориентацию, например, вдоль одного из краев подложки. Несколько ячеек складываются в стопу с одинаковой ориентацией слоев ЖК. Число ячеек в стопе выбрано таким образом, чтобы поляризованное излучение, падающее перпендикулярно стопе, набирало разность оптического хода Δα=2π⋅Δn⋅d/λ, где Δn - величина двулучепреломления ЖК на заданной длине, d - толщина слоя ЖК, λ - длина волны излучения. В целом, стопа ячеек представляет собой четвертьволновую пластину.The closest analogue (prototype) of the present invention is a terahertz radiation modulator described in [

Wilketal. Liquid crystal based electrically switchable Bragg structure for THz waves / OPTICS EXPRESS, 2009, Vol. 17, No. 9, pages 7377-7382]. The modulator is a stack of liquid crystal cells consisting of two substrates separated by a spacer. These liquid crystal cells are transparent in the terahertz range, are made of polymer and form cavities in which the LC is contained. The inner sides of the substrates are processed using one of the known methods in order to give the LC layer a uniform orientation, for example, along one of the edges of the substrate. Several cells are stacked with the same orientation of the LCD layers. The number of cells in the foot is chosen so that the polarized radiation incident perpendicular to the foot gains the optical path difference Δα = 2π⋅Δn⋅d / λ, where Δn is the birefringence of the LC at a given length, d is the thickness of the LC layer, λ is the wavelength radiation. In general, the foot of the cells is a quarter-wave plate.

Учитывая малую величину двулучепреломления ЖК в терагерцевом диапазоне, толщины слоев ЖК должны быть значительными, например вплоть до нескольких мм, в зависимости от длины волны.Given the small birefringence of the LC in the terahertz range, the thickness of the LC layers should be significant, for example up to several mm, depending on the wavelength.

В частности, в прототипе стопа содержит 12 подложек из пропилена толщиной 161 мкм с показателем преломления 1,51, разделенных спейсерами размером 158 мкм. Полости между подложками заполнены ЖК, например СВ7. В результате общая толщина слоев ЖК составляет 158 мкм.In particular, in the prototype, the foot contains 12 substrates of propylene with a thickness of 161 μm with a refractive index of 1.51, separated by spacers with a size of 158 μm. The cavities between the substrates are filled with LCs, for example CB7. As a result, the total thickness of the LC layers is 158 μm.

Стопа ячеек помещается в прямоугольный сосуд, на внутренние стенки которых нанесены электроды. Прямоугольный сосуд вместе со стопой ячеек помещается между скрещенными поляроидами, работающими в терагерцевом диапазоне. Поляроиды направлены под углом 45° относительно оптической оси ориентированного ЖК. В исходном состоянии сквозь стопу проходит максимальная интенсивность излучения. При подаче управляющих напряжений к паре боковых стенок слои ЖК в каждой ячейке переориентируются вдоль силовых линий. Режим четверть волновой пластины нарушается, и интенсивность проходящего света уменьшается и падает практически до нуля. Таким образом осуществляется модуляция излучения.The foot of the cells is placed in a rectangular vessel, on the inner walls of which electrodes are applied. A rectangular vessel with a stack of cells is placed between crossed polaroids operating in the terahertz range. Polaroids are directed at an angle of 45 ° relative to the optical axis of the oriented LC. In the initial state, the maximum radiation intensity passes through the foot. When applying control voltages to a pair of side walls, the LC layers in each cell reorient along the lines of force. The quarter-wave plate mode is violated, and the intensity of the transmitted light decreases and drops to almost zero. Thus, radiation is modulated.

Недостатками ближайшего аналога (прототипа) являются высокие управляющие напряжения (до сотен вольт), поскольку управляющее напряжение прикладывается вдоль подложки. Кроме того, из-за большой толщины слоя ЖК, необходимой для обеспечения нужного набега фаз, времена включения-выключения элемента велики, вплоть до нескольких секунд.The disadvantages of the closest analogue (prototype) are high control voltages (up to hundreds of volts), since the control voltage is applied along the substrate. In addition, due to the large thickness of the LC layer necessary to ensure the desired phase incursion, the on-off times of the element are large, up to several seconds.

Указанные выше недостатки в значительной степени устранены в предлагаемом изобретении.The above disadvantages are largely eliminated in the present invention.

Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности модуляции излучения терагерцевого диапазона с малыми напряжениями, присущими ЖК, и малыми временами переключения.The technical result of the present invention is the ability to modulate the radiation of the terahertz range with low voltages inherent in the LCD, and short switching times.

Указанный технический результат достигается тем, что модулятор излучения терагерцевого диапазона, состоящий из стопы жидкокристаллических ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек, разделенных спейсерами и выполненных из полимера, при этом внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации вдоль поверхности подложек, характеризуется тем, что каждая из ЖК ячеек стопы снабжена двумя отрезками пористой мембраны, расположенными между подложками и по краям ячейки, на отрезки пористой мембраны нанесены электроды, отрезки пористой мембраны отделены от подложек спейсерами, образуя полости, заполненные ЖК, полости соединены между собой, направления оптических осей каждой из ЖК ячеек смещены на определенный угол Δα, величина которого определена величиной двулучепреломления двух подложек и двулучепреломлением жидкого кристалла, общее число ЖК ячеек n в стопе выбрано из условия n⋅Δα=π/2.The specified technical result is achieved in that the terahertz radiation modulator, consisting of a stack of liquid crystal cells, each of which is composed of two substrates separated by spacers and made of polymer, while the inner sides of the substrates are processed to give an LC uniform orientation along the surface of the substrates, is characterized by that each of the LCD cells of the foot is equipped with two segments of the porous membrane located between the substrates and along the edges of the cell, the segments of the porous membrane are applied electrodes, segments of the porous membrane are separated from the substrates by spacers, forming cavities filled with LCs, the cavities are interconnected, the directions of the optical axes of each of the LC cells are shifted by a certain angle Δα, the value of which is determined by the birefringence of two substrates and the birefringence of a liquid crystal, the total number of LC cells n in the foot is selected from the condition n⋅Δα = π / 2.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.The invention is illustrated in the drawings.

На фиг. 1 представлена стопа из n ЖК ячеек,In FIG. 1 shows a stack of n LCD cells,

на фиг. 2а и фиг. 2б представлена конструкция ЖК ячейки (вид сбоку и вид сверху соответственно),in FIG. 2a and FIG. 2b shows the design of the LCD cell (side view and top view, respectively),

на фиг. 3 представлена конструкция ЖК ячейки в аксонометрии,in FIG. 3 shows the design of the LCD cell in a perspective view,

на фиг. 4 представлено расположение слоев ЖК.in FIG. 4 shows the location of the layers of the LCD.

Предлагаемый модулятор состоит из стопы жидкокристаллических ячеек (фиг. 1), сложенных вплотную друг к другу способом, описанным ниже.The proposed modulator consists of a stack of liquid crystal cells (Fig. 1), folded close to each other in the manner described below.

ЖК ячейка состоит из двух подложек 1 и 2, выполненных из двулучепреломляющего полимера, например из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 100-150 мкм с показателями преломления

и n_eSub=1,883 (фиг. 2а). Длинная оптическая ось полимера направлена вдоль поверхности, например, в горизонтальном направлении.The LC cell consists of two

substrates

1 and 2 made of a birefringent polymer, for example, polyethylene terephthalate (PET) with a thickness of 100-150 microns with refractive indices

and n _eSub = _1.883 (Fig. 2a). The long optical axis of the polymer is directed along the surface, for example, in the horizontal direction.

По краям подложек расположены два отрезка пористой мембраны 3, на которые нанесены электроды 4 из металла или оксида индия-олова (ИТО). Пористая мембрана 3 отделена от подложек 1 и 2 посредством герметизирующей прокладки 5 и равных ей по толщине спейсеров 6, образуя полости A, B, C, D, E, заполненные ЖК 7. Внутренние поверхности подложек 1 и 2 обработаны для придания ЖК 7 в полости E однородной ориентации ЖК в направлении вдоль оптических осей полимера (фиг. 2б). Толщина слоя ЖК составляет несколько десятков микрон, что необходимо для осуществления модуляции.Along the edges of the substrates are two segments of the porous membrane 3, on which electrodes 4 of metal or indium tin oxide (ITO) are applied. The porous membrane 3 is separated from the substrates 1 and 2 by means of a sealing strip 5 and spacers 6 equal in thickness to form cavities A, B, C, D, E, filled with LC 7. The inner surfaces of the substrates 1 and 2 are processed to give the LC 7 in the cavity E the uniform orientation of the LC in the direction along the optical axes of the polymer (Fig. 2b). The thickness of the LC layer is several tens of microns, which is necessary for modulation.

Две полимерные подложки 1 и 2 и слой ЖК 7 между ними в исходном состоянии представляют единую оптически однородную двулучепреломляющую пластину.The two polymer substrates 1 and 2 and the LC layer 7 between them in the initial state represent a single optically uniform birefringent plate.

Все ЖК ячейки сложены в стопу, причем оптические оси каждой последующей ячейки сдвинуты на определенный угол Δα с тем, чтобы после прохождения n-й ячейки набег фазы стал равным π/2, и излучение осталось линейно поляризованным с плоскостью поляризации, перпендикулярной входному излучению 8, т.е. реализуется режим Могена, при котором вследствие согласованного по величине и направлению двулучепреломления каждой из составляющих ячеек позволяет сохранить линейную поляризацию с плоскостью поляризации, перпендикулярной первоначальной 9 (фиг. 4).All LC cells are stacked, and the optical axes of each subsequent cell are shifted by a certain angle Δα so that after passing through the nth cell the phase incursion becomes π / 2, and the radiation remains linearly polarized with a plane of polarization perpendicular to the input radiation 8, those. the Mogen mode is implemented, in which, due to the birefringence agreed in magnitude and direction of each of the constituent cells, it allows to maintain linear polarization with a plane of polarization perpendicular to the original 9 (Fig. 4).

Функционирует предлагаемый модулятор следующим образом.The proposed modulator operates as follows.

Входное поляризованное излучение 8 поступает на стопу 1 ЖК перпендикулярно стопе и с плоскостью поляризации под углом 45° к направлению ориентации ЖК. Пройдя первую ЖК ячейку, входное излучение 8 набирает некую разность хода Δφ<π/2 и в общем случае становится эллиптически поляризованным с направлением оптической оси под углом Δα к плоскости поляризации первоначального излучения 8 (фиг. 2а). Последующая ЖК ячейка расположена вплотную к первой, и направление ориентации ЖК в ней совпадает с направлением выходного излучения первой ячейки. В результате излучение набирает разность оптического хода 2Δφ, а после прохождения n ячеек разность хода становится равной π/2, проходящее излучение остается линейно поляризованным, но с плоскостью поляризации, перпендикулярной входящему излучению 8. Поскольку поляризаторы скрещены, то и на выходе модулятора наблюдается максимальная интенсивность.The input polarized radiation 8 enters the foot 1 of the LC perpendicular to the foot and with the plane of polarization at an angle of 45 ° to the direction of orientation of the LCD. After passing through the first LC cell, the input radiation 8 gains a certain path difference Δφ <π / 2 and in the general case becomes elliptically polarized with the direction of the optical axis at an angle Δα to the plane of polarization of the initial radiation 8 (Fig. 2a). The subsequent LC cell is located close to the first one, and the direction of the LC orientation in it coincides with the direction of the output radiation of the first cell. As a result, the radiation gains an optical path difference of 2Δφ, and after passing n cells, the path difference becomes π / 2, the transmitted radiation remains linearly polarized, but with a plane of polarization perpendicular to the incoming radiation 8. Since the polarizers are crossed, the maximum intensity is also observed at the modulator output .

При подаче к отрезкам пористой мембраны 4 постоянного напряжения с полярностью, показанной на фиг. 2а, в порах начинается движение ЖК. ЖК перетекает из полости A в полость B, а из полости C в полость D. Одновременно начинается движение ЖК в полости E, которое нарушает ориентацию молекул ЖК от исходной планарной к ориентации вдоль потока ЖК и в значительной степени к хаотически дезориентированной циркулярными потоками. В результате согласованный режим прохождения излучения (режим Могена) нарушается, и сквозь выходной поляроид будет проходить существенно меньшая интенсивность, вплоть до нулевой. Таким образом, регулируя величину приложенного напряжения, можно модулировать интенсивность света. Управляющие напряжения составляют характерные для ЖК десятки вольт. Времена включения выключения составляют десятки миллисекунд, поскольку толщины слоев ЖК невелики.When applying constant voltage to the segments of the porous membrane 4 with the polarity shown in FIG. 2a, the movement of the LC begins in the pores. The LC flows from cavity A to cavity B, and from cavity C to cavity D. At the same time, the movement of the LC in cavity E begins, which disrupts the orientation of the LC molecules from the initial planar to the orientation along the LC flow and, to a large extent, to chaotically disoriented circular flows. As a result, the agreed radiation transmission mode (Mogen mode) is violated, and a much lower intensity, up to zero, will pass through the output polaroid. Thus, by adjusting the magnitude of the applied voltage, the light intensity can be modulated. The control voltages are tens of volts characteristic of the LCD. The on-off times are tens of milliseconds, since the thickness of the layers of the LC is small.

Для того чтобы уменьшить времена включения-выключения и обеспечить необходимый набег фаз, используется пакет из нескольких ЖК ячеек. Их количество выбирается из условия: Δα⋅n=π/2. Направление оптической оси каждой последующей ЖК ячейки регулярно сдвигается на угол Δα с тем, чтобы после прохождения n-й ячейки набег фазы стал равным π/2, а излучение оставалось линейно поляризованным с плоскостью поляризации, перпендикулярной входному излучению 8 (то есть реализуется режим Могена, при котором вследствие согласованного по величине и направлению двулучепреломления каждой из составляющих ячеек позволяет сохранить линейную поляризацию с плоскостью поляризации, перпендикулярной первоначальной 9).In order to reduce on-off times and provide the necessary phase shift, a package of several LCD cells is used. Their number is selected from the condition: Δα⋅n = π / 2. The direction of the optical axis of each subsequent LC cell is regularly shifted by an angle Δα so that, after passing through the nth cell, the phase incursion becomes π / 2, and the radiation remains linearly polarized with a plane of polarization perpendicular to the input radiation 8 (i.e., the Mogen mode in which, due to the magnitude and direction of birefringence of each of the component cells, which is consistent, it allows one to maintain linear polarization with a plane of polarization perpendicular to the original 9).

В скрещенных поляроидах в исходном состоянии весь пакет ячеек будет пропускать излучение.In crossed polaroids in the initial state, the entire packet of cells will transmit radiation.

Изменение величины приложенного напряжения однозначно и практически линейно связано с интенсивностью проходящего излучения. Несмотря на значительное число ячеек с ЖК, обеспечивающих необходимый набег фаз, времена включения и выключения определяются короткими временами, присущими одной ЖК ячейке.The change in the magnitude of the applied voltage is unambiguously and almost linearly related to the intensity of the transmitted radiation. Despite the significant number of cells with LCDs providing the necessary phase shift, the on and off times are determined by the short times inherent in one LCD cell.

Для подтверждения работоспособности предлагаемого решения был изготовлен пассивный макет, состоящий из двулучепреломляющих слоев полиэтилентерефталата толщиной 200 мкм. Двулучепреломление ПЭТФ на используемой длине волны 2,5 мкм составляло 0,013. Стопа из 10 слоев ПЭТФ, сдвинутых на угол Δα=9°, обеспечивала поворот плоскости поляризации на угол 90°, что подтверждает правильность предложенного решения, даже при отсутствии активного управляющего слоя ЖК.To confirm the operability of the proposed solution, a passive model was made, consisting of birefringent layers of polyethylene terephthalate 200 μm thick. The birefringence of PET at a usable wavelength of 2.5 μm was 0.013. A stack of 10 layers of PET shifted by an angle Δα = 9 ° ensured a rotation of the plane of polarization by an angle of 90 °, which confirms the correctness of the proposed solution, even in the absence of an active control layer of the LC.

Claims

A terahertz radiation modulator, consisting of a stack of liquid crystal (LC) cells, each of which is composed of two substrates separated by spacers and made of polymer, while the inner sides of the substrates are processed to give the LC a uniform orientation along the surface of the substrates, characterized in that each of The LCD of the foot cells is equipped with two segments of the porous membrane located between the substrates and along the cell edges, electrodes are applied to the segments of the porous membrane, and the segments of the porous membrane are separated from spoons, forming cavities filled with LCs, the cavities are interconnected, the directions of the optical axes of each of the LC cells are shifted by a certain angle Δα, the value of which is determined by the birefringence of two substrates and the birefringence of a liquid crystal, the total number of LC cells n in the foot is selected from condition n ⋅Δα = π / 2.