液晶E7在THz波段的电场驱动特性分析

液晶是一种非线性介电材料,整体的折射率能够随着偏置电场的变化而变化。这里使用的液晶型号为E7,是一种常见的商用液晶混合物,具有正介电各向异性(Δε＞0)。下面讨论一下E7液晶在THz波段的光电特性。如图8.18(a)所示,把待测液晶注入参考样品盒中,参考样品盒与图8.17(b)所示的器件的尺寸完全相同,只是硅基底上没有金属结构。当入射THz波偏振方向平行于样品偏置电场时,得到THz时域信号如图8.18(b)所示,其中使用空的液晶盒信号作为参考信号。样品信号的延迟时间对应着液晶折射率的大小,而样品信号的振幅大小对应着液晶在THz段的吸收系数。

图8.17　

(a)超材料谐振单元结构示意图;(b)谐振单元侧视图;(c)超材料的显微照片;(d)集成液晶层的超材料器件照片;(e)实验所用THz TDS系统照片[18]

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图8.18　

(a)电场驱动下E7液晶光学参数测量的示意图;(b)不同电场强度下的时域信号;(c)不同电场强度下的折射率;(d)不同电场强度下的吸收系数[18]

利用式(8.4)和式(8.5),经计算分别得到不同电场强度下的液晶折射率和吸收系数的谱线,如图8.18(c)和图8.18(d)所示。由图8.18(c)可知,在电场强度从0升高至7 k V/m的过程中,E7液晶在1 THz的折射率从1.61增加到1.70,并且伴随着液晶材料较小的色散。这是因为在未施加偏压时,液晶分子随机排列,液晶层整体呈现光学各向同性,此时液晶的折射率(n iso)为1.61。当器件施加直流偏压后,液晶分子逐渐沿外电场方向排列,此时的液晶层成为一个光学各向异性的介质。当电场强度大于7 k V/m时,液晶分子均一同向排列,液晶材料的折射率出现一个极大值,即非寻常光折射率(n e=1.70)。由公式n 2o=(-)/2计算可得E7液晶在1 THz的寻常光折射率为1.56。上述测量结果与Yang等报道[4]的实验数值相符,从而证明了本实验数据的正确性。

图8.18(d)给出了E7液晶的吸收系数谱线。随着电场强度的增加(由3 k V/m提高至7 k V/m),材料的吸收系数呈现逐渐降低的趋势,在1 THz频率处从最初的13.0 cm-1降至4.60 cm-1,这也意味着E7材料在THz频段具有较小的吸收损耗。因此,E7液晶可以作为一种低损耗和低色散的功能材料,并且其折射率能够在驱动电场的作用下实现连续调控。