为了研究上述液晶层的相移特性,定义其等效双折射系数表达式为Δn eff=n e(B)-n o(B)=n y(B)-n x(B)。施加外加磁场后,液晶层的相移Δδ(B)表达式为
当没有外磁场时,液晶层处于光学各向同性,不会产生相位延迟,此时液晶层不能视为相位延迟器。然而,当施加外磁场时,由式(8.3)可得,相位延迟将正比于THz波段频率、液晶的等效双折射系数Δn eff和液晶盒的厚度d。
根据式(8.3),我们可以得到图8.8(a)所示的三种液晶材料在30 m T时的相移与频率的关系图。由图可知,5CB、E7和BNHR三种样品分别在0.34 THz、0.23 THz和0.2 THz处能够实现π的相位延迟,甚至分别在0.61 THz、0.45 THz和0.35 THz实现2π以上的相位延迟。因此,3 mm厚的BNHR样品盒可以在整个测试频段(0.2~1 THz)起到半波片的作用。通过研究5CB和E7的相移与磁场强度间的关系,得到图8.8(b)和图8.8(c)所示的曲线。正如预期的那样,相移能够随着磁场强度的增加而连续升高。所以,THz波入射5CB样品或E7样品时,利用磁场调控的方式可以分别在0.61 THz或0.45 THz以上的频段得到任意偏振态的透射光束。(www.xing528.com)
有趣的是,BNHR样品的相移变化规律与其他两种材料明显不同,如图8.8(d)所示。当磁场由0增加到5 m T的过程中,相移曲线出现了一个明显的跳变,在5 m T时的相移比同条件下其他两种材料的相移变化大很多,并且在磁场从5 m T增至30 m T的过程中,相移仅出现缓慢的增长。上述过程意味着,当磁场强度仅为5 m T时,大部分液晶分子能近似均匀地一致排列。当施加低于5 m T的弱磁场时,BNHR液晶层发生了从各向同性介质到单轴晶体的转变。此外,通过图8.8(d)发现,当BNHR样品的驱动磁场为5 m T时,该样品在0.35 THz就能够实现一个1.5πrad的相位延迟。这些结果表明毫米厚随机排列的液晶层在低磁场时也能够实现对相位进行有效宽谱调控,并且对于相同层厚的情况,BNHR液晶材料能够实现更大的相位调控,同时所需的驱动磁场却更低。
图8.8
(a)三种液晶材料在30 mT时的相移与频率的关系;(b)5CB在0.34 THz和0.61 THz时的磁场强度与相移的关系曲线;(c)E7在0.23 THz和0.45 THz时的磁场强度和相移的关系曲线;(d)BNHR在0.2 THz和0.35 THz时的磁场强度和相移的关系曲线[16]
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