图8.6
(a)未加磁场时参考信号及5CB、E7和BNHR的时域信号;(b,c)三种液晶各向同性态时的折射率和吸收系数[16]
本小节研究外磁场对随机分布液晶层光学特性的影响。实验测试原理如图8.7(a)所示,沿x轴的线偏振THz波垂直入射到液晶盒,外加磁场的方向分别垂直于THz的传播方向和偏振方向。当外磁场为0时,液晶分子处于随机分布状态,整体呈现各向同性,所以在各个方向上的折射率相等[n x(0)=n y(0)=n iso]。当外磁场不为0时,液晶分子沿着磁场方向转动,此时的液晶层可以视为具有光学各向异性的单轴晶体。随着磁场逐渐增强,液晶分子也逐渐向着外磁场方向排列。当施加足够高的磁场时,液晶分子将平行于磁场方向排列,即液晶分子指向矢与y轴平行。当磁场强度为30 mT时,液晶分子已经平行于磁场方向排列,此时测量得到的折射率n x(30 m T)是寻常光折射率。图8.7(b)显示了5CB样品的折射率随着磁场的增大而减小,在1 THz时5CB的寻常光折射率为1.565。在图8.7(c)所示的E7样品谱线中,我们也可以发现折射率逐渐减小的过程,得到1 THz时E7的寻常光折射率为1.585。然而,有趣的是如图8.7(d)所示,当施加磁场强度为5 m T时,BNHR样品的折射率出现了一个剧烈的跳变,1 THz处的折射率从1.680降到1.596。之后,随着磁场增大至30 m T,折射率仅降低至1.581。上述过程表明,处于随机分布状态的BNHR液晶分子在相同弱磁场条件下指向矢变化明显。同时,连续平滑的折射率谱线也表明了随机排列液晶层的小畴和缺陷对其在THz波段的光学特性几乎没有影响。
图8.7
(a)实验原理示意图;(b～d)不同磁场下5CB、E7和BNHR的折射率n x[16](www.xing528.com)
对于随机排列的液晶分子,其各向同性态折射率n iso可以表示为
式中,n x(B)表示x方向测量的折射率;n y(B)表示y方向测量的折射率;n o表示寻常光折射率,对应着测量的折射率n x(30 m T);n iso对应着测量得到的折射率n x(0);n e为非寻常光折射率。当B=30 m T时,液晶分子呈现同向排列,可由式(8.1)推导出非寻常光折射率n e的近似表达式：
联立式(8.1)和式(8.2),可以得到上述三种液晶在0.2~1 THz频段的光学参数,如表8.2所示。5CB、E7和BNHR样品的最高双折射系数分别为0.168、0.249和0.311。因此,相同条件下,填充BNHR的液晶盒能够增强其相位调控能力。
表8.2 THz频段液晶的光学各向异性参数
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