液晶BNHR的动态响应研究

本小节对BNHR液晶层相位突变的动态过程进行研究。图8.9(a)和图8.9(b)为BNHR样品盒的驱动磁场分别为5 m T和15 m T时,在0.35 THz频率处相移和吸收系数与时间关系的曲线图,黑色点画线对应着相移的变化情况,蓝色点画线对应着吸收系数的变化情况。如图8.9(a)所示,当初始磁场为5 m T时,液晶层的相移在起初的4 min内缓慢变化,在随后的4~6 min内出现了大幅变化,从0.06πrad增至1.2πrad,在之后的时间里相移逐渐达到饱和值1.5πrad。这意味着驱动磁场为5 m T时,BNHR液晶需要10 min才能达到稳定状态。这个较长的弛豫过程取决于三个因素,分别为BNHR液晶的高黏滞系数γ、低驱动磁场B和液晶层的厚度d。在相移突变的过程中,对应的吸收系数也出现了一个极大值,从2.9 cm-1增至6.5 cm-1。这种吸收峰源于随机分布的液晶分子发生剧烈的排列变化。当液晶层达到稳定态时,分子排列趋于稳定,对应的吸收系数也逐渐回归到低值。

图8.9　在不同磁场强度下,BNHR液晶相移与吸收系数随时间的变化曲线[16](www.xing528.com)

(a)5 mT;(b)15 mT

当初始的磁场强度为15 m T时,相移和吸收系数随时间的变化规律与低磁场时现象类似,如图8.9(b)所示。当驱动磁场增强时,弛豫时间明显缩短。同时由于高驱动磁场,稳定态的相位延迟达到1.73πrad,与图8.8(d)曲线中对应的相移相符。所以与传统液晶材料5CB和E7相比,BNHR样品具有调制深度大、驱动磁场低和工作频带宽的优点。基于这种液晶材料的THz器件能够实现可调滤波器、相位延迟器、可控分束器、可控吸收体等,在对调制速率要求不高的领域广泛应用。

在本小节中,制备了一组3 mm厚的随机排列液晶盒,并利用THz-TDS系统测量了三种不同的液晶(5CB、E7、BNHR)在THz波段的磁响应特性。实验结果表明,在0.2~1 THz频段,毫米厚随机排列液晶层在低驱动磁场作用下表现出明显的双折射效应。通过对比实验发现,相比于传统5CB和E7液晶,BNHR样品具有较大的相位调制深度,所需的驱动磁场也较低。此外,还研究了BNHR在弱磁场下的动态响应过程,结果表明,当施加初始磁场时,BNHR的折射率和吸收系数随着时间发生规律性变化直至稳定状态,且可以通过增强磁场大幅缩短弛豫时间。这类无预取向的随机排列液晶为制备可调控THz相位控制器提供了一种有效的方案,除了具有工艺简单和成本低廉的优点外,还具备驱动磁场低、相位调制深度大和宽工作带宽的特点。