基于栅-格复合介质超表面的液晶相移器研究

上一小节讨论并分析了栅-格复合介质超表面的偏振相关的EIT效应和人工高双折射效应,本小节将进一步研究该复合介质超表面与液晶相结合后的可调谐相移功能。将液晶填充到栅-格复合介质超表面(称为下基板)和二氧化硅基底(称为上基板)之间,形成电控液晶相移器,如图8.27(a)所示。用两根直径为1 mm的细金属线将上下基板隔开,上下基板的厚度均为500μm,这两根金属线也同时作为一对导电电极,两根导电电极之间的距离为10 mm,利用光敏紫外胶对其进行密封形成液晶盒。因此,液晶层的厚度为1 mm,器件的总厚度为2 mm,如图8.27(b)所示。实验中采用的液晶材料是E7,它是一种具有正介电各向异性(Δε＞0)的液晶混合物,在没有施加外电压的情况下,液晶分子是随机分布的,而当施加外电压时,液晶分子的取向将发生改变,进而对THz波的相位实现主动调控。

图8.27　

(a)栅格复合介质超表面结构的液晶盒的照片;(b)液晶盒的横向截面示意图[19]

为了对比分析,制备和测量了三种不同介质下基板的电控液晶相移器,这三种基板是裸硅片基板、θ=90°的复合介质超表面基板和θ=0°的复合介质超表面基板(上基板均为石英)。实验配置中的3D结构示意图以及通过THz-TDS系统测量得到的折射率谱如图8.28所示。一束y偏振的THz波沿着z方向正入射器件,其偏振方向与外加电场的方向相互垂直。对于裸硅片基板的液晶相移器,当偏置电场从0增加到11 k V/m时,其在0.7 THz频率处的折射率从2.192降低到2.166,折射率的最大可调范围为-0.026,如图8.28(a)所示。对于θ=90°的复合介质超表面基板的液晶相移器,其在同一频率点的折射率从2.180降低到2.135,折射率的最大可调范围为-0.045,远远大于同一偏置电场下的裸硅片基板的液晶相移器,如图8.28(b)所示。结果表明当液晶与该复合介质超表面相结合时,可有效地增加折射率的调谐范围。此外,由于该复合介质超表面本身具有偏振相关特性,因此这种基于复合介质超表面的THz液晶相移器也具有偏振相关特性。在相同的条件下,θ=0°的复合介质超表面基板的液晶相移器在0.7 THz处的折射率从2.039增加到2.062,折射率的最大可调范围仅为+0.023,与裸硅片基板的液晶相移器相比没有得到增强,如图8.28(c)所示。

图8.28　器件的3D结构示意图和随外电场变化的有效折射率谱[19](www.xing528.com)

(a)裸硅片基板;(b)θ=90°的复合介质超表面基板;(c)θ=0°的复合介质超表面基板

这种现象在相移图中也能得到验证,如图8.29所示为三种不同介质基板的电控液晶相移器随偏置电场变化的相移曲线。相移Δδ可通过式(8.13)计算：

式中,δ(0)是未施加偏置电场下被测样品的相位;δ(E)是施加偏置电场下被测样品的相位。在0.7 THz处,θ=90°的复合介质超表面基板的液晶相移器的相移为+0.332πrad,该相移大小是裸硅片基板的液晶相移器(相移+0.185πrad)的1.8倍。类似地,θ=0°的复合介质超表面基板的液晶相移器的相移为-0.162πrad。结果表明,只有θ=90°的复合介质超表面基板的液晶相移器可以有效地增加液晶的相移,这也证实了在有限的偏置电场下,液晶与复合介质超表面相结合可以有效地增强对THz波的相位调控。

图8.29　电控液晶相移器随偏置电场变化的相移图(在0.7 THz处)[19]

下面进一步分析这种现象产生的原因,在外电场的作用下,复合介质超表面的栅-格复合晶格强烈影响液晶分子的分布和取向。当没有偏置电场时,液晶分子是随机排列的,对其施加电场后,液晶分子开始沿着栅脊的方向旋转。有两个力对液晶分子的取向起作用：电场力(使液晶分子旋转到电场方向)和表面锚定力(使液晶分子向栅脊的方向旋转)。当电场较小时,表面锚定力大于电场力,因此对于裸硅片基板和θ=90°的复合介质超表面基板的液晶相移器,液晶分子旋转到x轴方向(即栅脊的方向),且器件的相位随电场的增大而不断地减小,而且当θ=90°时,液晶相移器中的两个力沿相同的方向,所以与裸硅片基板的液晶相移器相比,相同电场下的相移效应得到增强。而对于θ=0°的复合介质超表面基板的液晶相移器,液晶分子同样旋转到栅脊的方向,即y轴方向,且器件的相位随电场的增大而不断地增加,原因是这两个力是相互正交的,并且表面锚定力起主导作用,所以相移向反方向变化,在相同的电场下液晶的相移效应变弱。