基于电控液晶-石墨烯光栅的高效可调谐QWP设计优化

图9.17所示为基于液晶-石墨烯光栅的宽带可调谐QWP结构,其中图9.17(a)为液晶-等周期石墨烯光栅(EPGLC)结构,图9.17(b)为液晶-周期梯度渐变石墨烯光栅(PGGLC)结构。在双层石墨烯光栅和SiO2基底之间填充厚度t 2=250μm的液晶,本小节我们采用NJU-LDn-4液晶(NLC),因为室温下它在0.4~1.6 THz均具有强烈的光学各向异性,其寻常光的折射率n o和非寻常光的折射率n e分别为1.5和1.8。当没有施加偏置电压时,用一个薄的取向层锚定液晶分子,使之沿x轴方向排布,此时我们把液晶分子的取向和x轴的夹角定义为ϕ=0°,然后对液晶分子施加y轴方向的偏置电压,液晶分子将沿偏置电压的方向发生扭转。在这里,液晶分子被看作一个单轴模型,其折射率可以表示为一个张量形式：

式中,x和y方向上的有效折射率为

式中,n o为寻常光的折射率;n e为非寻常光的折射率。

图9.17　基于液晶-石墨烯光栅的宽带可调谐QWP结构[18]

(a)EPGLC结构;(b)PGGLC结构

需要说明的是,取向角ϕ是整个液晶层中液晶分子的平均取向角。两个正交偏振分量的相位差可用下式描述：

式中,c是真空中的光速;f是频率;t 2是液晶分子的厚度;φ0是THz波透过双层石墨烯光栅之后的相位差。

为了研究宽带QWP的可调谐特性,模拟计算了两个正交偏振分量的相位差随液晶分子取向角和频率的变化关系,发现相位差随着液相分子取向角和频率的增大而增大,如图9.18所示。在宽频率范围内,通过电控液晶分子的取向来实现0.5πrad和1.5πrad的相位延迟,实现QWP的功能,如图9.18(a)和图9.18(b)中的红色实线和蓝色虚线所示。由该图可以看到,对于基于EPGLC结构的宽带QWP,其工作频率范围的下限是0.9 THz,而基于PGGLC结构的宽带QWP的工作频率范围下限是0.7 THz。另外,考虑到当频率大于1.6 THz时,两个正交偏振分量的透过率T xx≠T yx,出射光就不再是一个圆偏振光,而是一个椭偏光。因此,两种宽带QWP的工作频率范围上限是1.6 THz。为了更好地比较两种宽带QWP的工作性能,我们将它们的工作曲线放在了同一幅图中,如图9.18(c)所示。从图中可以看出,基于EPGLC结构的宽带QWP的工作频率为0.9~1.6 THz(0.7 THz),而基于PGGLC结构的宽带QWP的工作频率为0.7~1.6 THz(0.9 THz),后者的工作频率带宽大于前者;且在相同的条件下,基于PGGLC结构的宽带QWP在相同频率点工作时所需的液晶分子取向角比基于EPGLC结构的宽带QWP的更小。因此,扭转液晶分子所需要的偏置电压较低,器件的工作性能得到了提高。另外,基于PGGLC结构的宽带QWP还可在1.45~1.6 THz实现1.5πrad的相位延迟,使入射的LP光经该宽带QWP之后转变为RCP光。

(www.xing528.com)

图9.18　宽带QWP的两个正交偏振分量的相位差随液晶分子取向角和频率的变化关系[18]

(a,b)分别对应于EPGLC和PGGLC,其中红色实线表示相位差为0.5πrad,蓝色虚线表示相位差为1.5πrad;(c)工作曲线对比图

下面进一步研究了宽带QWP在ON态上的偏振转换性能,选取并分析了两种宽带QWP在工作频率范围的两个端点位置的工作性能,包括出射的两个正交偏振分量的透过率、相位差、归一化的椭偏度及所需的液晶分子取向角,如图9.19所示。对于基于EPGLC结构的宽带QWP,其工作在下限0.9 THz位置所需的液晶分子取向角ϕ=58°,两个正交偏振分量的透过率T xx=0.487、T yx=0.488,相位差为0.5πrad,归一化的椭偏度接近1,这表明入射的LP光穿过器件之后变为LCP光,如图9.19(a)所示;当其工作在上限1.6 THz位置时,液晶分子取向角ϕ=43°,同样实现了从LP光到LCP光的转变,此时,两个正交偏振分量的相位差为0.5πrad,归一化的椭偏度接近1,对应的透过率T xx=0.424、T yx=0.487,如图9.19(b)所示。对于基于PGGLC结构的宽带QWP,其工作在下限0.7 THz位置时所需的液晶分子取向角ϕ=63°,出射的两个正交偏振分量的透过率T xx=0.439、T yx=0.483,相位差为0.5πrad,归一化的椭偏度接近1,同样是将入射的LP光转变为LCP光,如图9.19(c)所示;当其工作在上限1.6 THz位置时,所需的液晶分子取向角ϕ=29°,此时,两个正交偏振分量的透过率T xx=0.4、T yx=0.362,相位差为0.5πrad,归一化的椭偏度接近1,同样实现了LP光转变为LCP光,如图9.19(d)所示。结果表明,两种宽带QWP分别在0.9~1.6 THz(EPGLC)和0.7~1.6 THz(PGGLC)可以实现将LP光转变为LCP光的功能。另外,我们也可以将双层石墨烯光栅的方向绕着z轴旋转90°,这种情况下两种宽带QWP可在相同频率范围内实现将LP光转变为RCP光。

图9.19　两种宽带QWP在ON态上的偏振转换性能[18]

(a)EPGLC,f=0.9 THz;(b)EPGLC,f=1.6 THz;(c)PGGLC,f=0.7 THz;(d)PGGLC,f=1.6 THz

在1.45~1.6 THz,基于PGGLC结构的宽带QWP也可以实现偏振态从LP转变为RCP的功能,对应的χ≈-1,图9.20所示为其工作在1.45 THz和1.6 THz位置时ON态上的偏振转换性能,包括出射的两个正交偏振分量的透过率、相位差、归一化的椭偏度及所需的液晶分子取向角。

综上所述,基于液晶-石墨烯光栅的宽带可调谐QWP有两个功能：一是开关功能,即通过电控石墨烯光栅可使该QWP工作在OFF态或ON态,在OFF态上入射的LP光穿过器件出射时仍为LP光,而在ON态上可将入射的LP光转变为LCP(或RCP)光;二是可调谐功能,即在ON态上,通过电控液晶分子的取向使得两种宽带QWP分别工作于0.9~1.6 THz和0.7~1.6 THz,实现LP光到LCP(或RCP)光的转变。

图9.20　基于PGGLC结构的宽带QWP在ON态上的偏振转换性能[18]

(a)f=1.45 THz;(b)f=1.6 THz

本节首先介绍了两种基于不同空间排布的双层石墨烯光栅结构的窄带QWP,在结构单元的空间非对称性基础上,通过引入附加波矢差,基于石墨烯PGG结构的窄带QWP可以有效地增大两个正交偏振分量的波矢差,使器件的中心工作频率移至低频。为了解决器件工作频率带宽窄的缺点,引入了可调谐相移材料——液晶,形成基于电控液晶-石墨烯光栅的宽带可调谐QWP,将石墨烯光栅的开关特性和液晶材料的可调谐特性相结合,在宽频率范围内实现了LP到LCP(或RCP)的偏振转换,且在相同的条件下,基于PGGLC结构的宽带QWP在相同频率点工作时所需的液晶分子取向角较小,即所需的偏置电压较低。