專利名稱：一種寬頻可調(diào)的太赫茲波片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于亞波長金屬線柵和液晶材料的寬頻可調(diào)太赫茲波片的設(shè)計(jì)和制備。
背景技術(shù)：
液晶材料兼具液體的流動性及晶體的有序性，由于其優(yōu)異的外場(電場、光場、聲場、溫場等)調(diào)諧特性，在信息顯示及可調(diào)光子器件中發(fā)揮著重要的應(yīng)用。向列相液晶是最常用的一種相態(tài)，在所有向列相液晶應(yīng)用中，取向是首要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的取向方式以摩擦取向應(yīng)用最為廣泛，其存在易對表面造成機(jī)械損傷、靜電荷殘留及顆粒污染物，不易實(shí)現(xiàn)多疇結(jié)構(gòu)取向等缺陷。而新興的光取向技術(shù)則可以完全克服上述不足，被視為最有競爭力的下一代液晶取向技術(shù)。 近年來，人們對太赫茲頻段的研究日益增多，但適用于太赫茲頻段的光子學(xué)器件，尤其是可調(diào)控器件十分稀少。液晶作為常用的可調(diào)控電光材料，在可見及紅外波段的光子學(xué)器件已得到廣泛開發(fā)和應(yīng)用。但應(yīng)用于太赫茲頻段時(shí)，一方面，通常采用的透明導(dǎo)電薄膜氧化銦錫將不再適用，而單純的金屬層也無法滿足要求，因此需要尋求新的電極設(shè)計(jì)如采用亞波長金屬線柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的薄膜。另一方面大多數(shù)液晶材料的雙折射在太赫茲頻段會比較小，因此可調(diào)控量也較小，在一般的設(shè)計(jì)中很難達(dá)到實(shí)用的要求。而一些用以增加調(diào)制量的特殊手段如疊層結(jié)構(gòu)等則會顯著增加器件的制造難度和成本。最可行的方案則是設(shè)計(jì)和應(yīng)用在太赫茲頻段仍具有大雙折射的特殊液晶材料，以真正實(shí)現(xiàn)聞效實(shí)用的器件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種寬頻可調(diào)的太赫茲波片器件及制備。本發(fā)明利用亞波長金屬線柵結(jié)合液晶材料來實(shí)現(xiàn)寬頻可調(diào)太赫茲波片的制備。開拓簡便、高效、穩(wěn)定、廉價(jià)、可批量生產(chǎn)的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)寬頻段、自偏振、透過率高、調(diào)制量大、響應(yīng)快速的電控波片的制備。以滿足其在太赫茲領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種寬頻可調(diào)的太赫茲波片器件，包括二片石英基板，石英基板內(nèi)側(cè)均設(shè)置有金屬線柵，且兩側(cè)金屬線柵相互平行，二片石英基板內(nèi)設(shè)有液晶盒，液晶盒包括光控取向?qū)?的液晶4材料；液晶盒是電控大雙折射率液晶材料，液晶材料在
O.5-2THz時(shí)的雙折射率為O. 27 O. 32。液晶盒光控取向?qū)?和液晶4材料通過光控取向的方式實(shí)現(xiàn)液晶的平行取向，且光控取向?qū)尤∠蚍较蚺c金屬線柵方向成45°。使該液晶盒在太赫茲頻段均達(dá)到可調(diào)四分之一或半波片(當(dāng)然向下兼容八分之一波片等等)。電控大雙折射率液晶材料是二苯乙炔類大雙折射率液晶材料。金屬線柵的參數(shù)是金屬線柵的周期遠(yuǎn)小于波長，為1-80微米，材料為金、銀、鋁、鉬等金屬，同一基板上的線柵作為同一電極。金屬線柵尤其是周期為10-30 μ m，線條寬度為5-15 μ m的光柵。利用金屬線柵作為對特定偏振波透明的電極，沿電極斜45°方向進(jìn)行液晶取向，設(shè)計(jì)控制盒厚并制成平行取向盒，利用液晶的電控雙折射特性，通過電壓調(diào)節(jié)尋常光與非常光的相位延遲來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)不同頻率的波片。所采用的取向技術(shù)為光控取向技術(shù)，以紫外光或藍(lán)光的線偏振方向調(diào)節(jié)來精確控制取向方向與線柵電極方向呈45°。液晶盒厚與所選液晶材料參數(shù)相匹配，并通過恰當(dāng)選取襯墊膜厚度控制實(shí)現(xiàn)，獲取高效快速的調(diào)制效果。光控取向?qū)訛槿∠蛟诠饷羧∠騽┑谋∧ど汐@得，光敏取向劑為偶氮苯染料、聚酰亞胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在線偏光照射下發(fā)生異構(gòu)化、定向光交聯(lián)或光裂解反應(yīng)而引發(fā)分子排布的各向異性，并可進(jìn)一步通過分子間相互作用將這種有序性傳遞給液晶分子。本發(fā)明的有益效果是
(I)利用亞波長金屬線柵作為對特定偏振波透明的電極，保證全太赫茲頻段范圍內(nèi)的自偏振和高透過率，以及良好的電場分布和控制；(2)利用光控取向技術(shù)實(shí)現(xiàn)較厚盒厚下的均勻有效取向，及取向方向和對準(zhǔn)方向的精確控制，確保了裝置獲得最大調(diào)制量和最快調(diào)制速度；(3)選用在太赫茲頻段低吸收損耗、大雙折射率的液晶材料，有效減小盒厚，降低施加電壓的同時(shí)大大提高了調(diào)制速度；(4)制備方案簡便、高效、廉價(jià)、可批量生產(chǎn)，器件性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到太赫茲光子器件的實(shí)用要求。
圖I寬頻可調(diào)太赫茲波片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2中圖2a 10 μ m+10 μ m金屬線柵顯微鏡照片、圖2b光控取向亮態(tài)效果圖、圖2c光控取向暗態(tài)效果圖；圖3使用液晶NJU-LDn-2的四分之一波片調(diào)制結(jié)果曲線；圖4使用液晶NJU-LDn-4的四分之一波片調(diào)制結(jié)果曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步闡明本發(fā)明方法及應(yīng)用，而不是要用這些實(shí)施例來限制本發(fā)明。如圖I所示，石英基板I、金屬線柵2、光控取向?qū)?、液晶4，圖中只是示意，取向方向以斜線標(biāo)出。本發(fā)明結(jié)合亞波長金屬線柵與液晶來實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段適用的電控可調(diào)諧波片的制備。具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案為①設(shè)計(jì)金屬光柵參數(shù)，周期為1-80微米，材料為金、銀、鋁、鉬等金屬，光柵金屬厚度20-500納米；在兩片熔融石英基板上通過光刻及鍍膜工藝實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的金屬線柵電極；②在設(shè)置有金屬線柵的表面涂敷光控取向劑薄膜，并以偏振方向與金屬線柵成45°夾角的線偏振紫外或藍(lán)光垂直曝光賦予取向劑分子均勻指向；③根據(jù)所選取液晶材料的折射率參數(shù)及目標(biāo)波片類型計(jì)算出需要的盒厚，例如，對于四分之一波片，盒厚d略大于λ/4Δη,對于二分之一波片,盒厚d略大于λ/2Δη,并選擇膜厚對應(yīng)該厚度值的襯墊膜材料；④選取兩片設(shè)置完金屬光柵與光控取向劑的表面的石英片，其中一片放置襯墊膜細(xì)條，另一片并相對放置，并確保金屬光柵方向平行，取向方向也平行，然后封裝成液晶盒;⑤將選取的液晶材料在清売點(diǎn)以上注入液晶盒，最終利用液晶的電控雙折射特性，通過電壓調(diào)節(jié)尋常光與非常光的相位延遲來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)不同頻率的波片。以下為更具體的實(shí)施例。實(shí)施例I :本實(shí)施例為選取大雙折射液晶NJU-LDn-2制作可調(diào)四分之一波片的實(shí)例。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如附圖I所示，二片石英基板I內(nèi)側(cè)均設(shè)置有金屬線柵2，且兩側(cè) 金屬線柵相互平行，液晶盒光控取向?qū)?的液晶4材料，通過光控取向的方式實(shí)現(xiàn)液晶的平行取向，且光控取向?qū)尤∠蚍较蚺c金屬線柵方向成45°。本例中選取的液晶材料為NJU-LDn-2,該液晶在O. 5-2THz時(shí)的雙折射率為O. 279±0. 03，計(jì)算得知，要使該液晶盒在上述太赫茲頻段均達(dá)到可調(diào)四分之一波片的效果，所需的最小液晶盒厚為450 μ m。為實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)，可以一體化的制備本發(fā)明(包括偶氮液晶盒)首先在二片非晶的石英基片上分別進(jìn)行光刻并顯影，選用的光刻模板為10 μ m+10 μ m。之后用電子束蒸發(fā)物理氣相沉積法沉積厚度約為50nm的金膜至光刻后的基片表面，并通過超聲清洗將殘余光刻膠洗脫，得到周期20 μ m，線條寬度為IOym的金光柵。光柵形貌的顯微鏡圖片如圖2a所不。此后,在制備有金光柵的表面制備光控取向?qū)?在金光柵的表面旋涂濃度為O. 5%的偶氮苯基材料SDl溶液，并在405土 IOnm的線偏振光下曝光，賦予兩個(gè)基片金光柵的表面相同的均勻水平取向方向，且取向方向與金光柵方向成45°得到光控取向?qū)?。用薄膜厚度?50μπι的襯墊膜將2片石英基片隔開制成液晶盒，注意需保持兩側(cè)金光柵方向平行，然后將液晶NJU-LDn-2在120°C熱臺上灌入液晶盒，就制成了一個(gè)可調(diào)諧四分之一波片。通過改變施加電壓，可對于不同頻率實(shí)現(xiàn)不同的位相調(diào)制，以O(shè). 6THz, I. 2THz和I. 8THz這三個(gè)頻率為例，則分別通過外加125V，30V和18V的電壓即可分別實(shí)現(xiàn)四分之一波片的效果，如圖3所示。在太赫茲(THz)頻段具有大雙折射的液晶混晶材料雙折射液晶NJU-LDn-2由本申請人提出了專利申請?jiān)谔掌濐l段具有大雙折射的液晶混晶材料，由81%的具有氟代二苯乙炔苯骨架結(jié)構(gòu)的系列衍生物Rl-PPT(2，6-F)P-R2作為a組分、12%的具有氟代二苯吡啶骨架結(jié)構(gòu)的系列衍生物Rl-P’ (3-F)PP-F作為b組分、5%的具有二苯乙炔骨架結(jié)構(gòu)的系列衍生物R1-PTP-R2作為c組分、2%的具有氟代二苯乙炔骨架結(jié)構(gòu)的系列衍生物Rl-PT (2，6-F)P-R2作為d組分按總量100%熔融混合形成的液晶混晶。a組分分子結(jié)構(gòu)上是二苯乙炔與2、6號位氟取代的苯連接的骨架，兩端基Rl為含I到5個(gè)碳的烷基，R2為含I到5個(gè)碳的烷基或烷氧基，a組分由上述取代衍生物中的任意一種或多種以任意比例混合而成。b組分分子結(jié)構(gòu)上是(3-F) 二苯基吡啶骨架，端基Rl為含I到5個(gè)碳的烷基，b組分由上述取代衍生物中的任意一種或多種以任意比例混合而成。所述c組分分子結(jié)構(gòu)上是二苯基乙炔骨架，兩端基Rl為含I到5個(gè)碳的烷基，R2為含I到5個(gè)碳的烷基或烷氧基，c組分由上述取代衍生物中的任意一種或多種以任意比例混合而成。
所述d組分分子結(jié)構(gòu)上是苯乙炔與2、6號位氟取代的苯連接的骨架，兩端基Rl為含I到5個(gè)碳的烷基，R2為含I到5個(gè)碳的烷基或烷氧基，d組分由上述取代衍生物中的任意一種或多種以任意比例混合而成。實(shí)施例2 本實(shí)施例為選取大雙折射液晶NJU-LDn-4制作可調(diào)四分之一波片的實(shí)例。具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方式與實(shí)施例I相同，但金屬電極材料為鋁，選取的材料為液晶NJU-LDn-4，在O. 5-2THz時(shí)的雙折射率為O. 306 ± O. 03，因此所需的最小盒厚為405 μ m。因此選用410 μ m的襯墊膜材料。 通過改變施加電壓，可對于不同頻率實(shí)現(xiàn)不同的位相調(diào)制，以O(shè). 6THz, I. 2THz和I. 8THz這三個(gè)頻率為例，則分別通過外加100V，27V和15V的電壓即可分別實(shí)現(xiàn)四分之一波片的效果，如圖4所示。液晶混晶材料雙折射液晶NJU-LDn-4是由81%的a組分、12%的b組分、5%的c組分、2%的d組分按總量100%熔融混合形成的液晶混晶。實(shí)施例3 本實(shí)施例為選取大雙折射液晶NJU-LDn-4制作可調(diào)二分之一波片的實(shí)例。具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方式與實(shí)施例1，2相同，因?yàn)閿M實(shí)現(xiàn)二分之一波片，計(jì)算所需的最小盒厚為800 μ m。因此選用800 μ m的襯墊膜材料。通過改變施加電壓,可對于不同頻率實(shí)現(xiàn)不同的位相調(diào)制，以O(shè). 6THz, I. 2THz和
I.8THz這三個(gè)頻率為例，則分別通過外加180V，59V和37V的電壓即可分別實(shí)現(xiàn)二分之一波片的效果。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種寬頻可調(diào)的太赫茲波片器件，其特征是包括二片石英基板，石英基板內(nèi)側(cè)均設(shè)置有金屬線柵，且兩側(cè)金屬線柵相互平行，二片石英基板通過框膠結(jié)合構(gòu)成液晶盒，液晶盒包括光控取向?qū)雍鸵壕Р牧?；液晶為電控大雙折射率液晶材料；液晶盒的光控取向?qū)雍鸵壕Р牧贤ㄟ^光控取向的方式實(shí)現(xiàn)液晶的平行取向，且光控取向?qū)尤∠蚍较蚺c金屬線柵方向成45°，使該液晶盒在太赫茲頻段均達(dá)到可調(diào)四分之一或半波片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻 可調(diào)的太赫茲波片器件，其特征是金屬線柵的參數(shù)是金屬線柵的周期遠(yuǎn)小于波長，為1-80微米，金屬線柵尤其是周期為10-30 μ m，金屬線柵的線條寬度為5-15 μ m的光柵。金屬線柵通過在兩片熔融石英基板上進(jìn)行光刻及鍍膜工藝實(shí)現(xiàn)，材料為金、銀、鋁、鉬等金屬或合金，同一基板上的線柵作為同一電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻可調(diào)的太赫茲波片器件，其特征是液晶材料為二苯乙炔類電控大雙折射率液晶材料，在O. 5-2THz時(shí)的雙折射率為O. 27 O. 32。
4.一種寬頻可調(diào)太赫茲波片的制備方法，其特征在于由下述步驟實(shí)現(xiàn)光控取向?qū)訛槿∠蛟诠饷羧∠騽┑谋∧ど汐@得，在設(shè)置有金屬線柵的表面涂敷光控取向劑薄膜，并以偏振方向與金屬線柵成45°夾角的線偏振紫外或藍(lán)光垂直曝光賦予取向劑分子均勻指向；根據(jù)所選取液晶材料的折射率參數(shù)及目標(biāo)波片類型計(jì)算出需要的盒厚，對于四分之一波片，盒厚d略大于λ/4 Λ n，對于二分之一波片，盒厚d略大于λ/2 Λ n，并選擇膜厚對應(yīng)該厚度值的襯墊膜材料；選取兩片設(shè)置完金屬光柵與光控取向劑的表面的石英片，其中一片放置襯墊膜細(xì)條，另一片并相對放置，并確保金屬光柵方向平行，取向方向也平行，然后封裝成液晶盒；將選取的液晶材料注入液晶盒，最終利用液晶的電控雙折射特性，通過電壓調(diào)節(jié)尋常光與非常光的相位延遲來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)不同頻率的波片；液晶材料在O. 5-2THz時(shí)的雙折射率為O. 27 O. 32。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)太赫茲波片的制備方法，其特征在于，液晶盒厚與所選液晶材料參數(shù)相匹配，并通過恰當(dāng)選取襯墊膜厚度控制實(shí)現(xiàn)，獲取高效快速的調(diào)制效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頻可調(diào)太赫茲波片的制備方法，光控取向技術(shù)，其特征在于，光控取向?qū)訛槿∠蛟诠饷羧∠騽┑谋∧ど汐@得，光敏取向劑為偶氮苯染料、聚酰亞胺、聚乙烯醇、肉桂酸酯等在線偏光照射下發(fā)生異構(gòu)化、定向光交聯(lián)或光裂解反應(yīng)而引發(fā)分子排布的各向異性，并進(jìn)一步通過分子間相互作用將這種有序性傳遞給液晶分子。
7.權(quán)利要求1-6之一所述的寬頻可調(diào)的太赫茲波片器件在太赫茲通信、太赫茲傳感探測領(lǐng)域的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了寬頻可調(diào)的太赫茲波片器件，包括二片石英基板，石英基板內(nèi)側(cè)均設(shè)置有金屬線柵，且兩側(cè)金屬線柵相互平行，二片石英基板通過框膠結(jié)合構(gòu)成液晶盒，液晶盒包括光控取向?qū)雍鸵壕Р牧?；液晶為電控大雙折射率液晶材料；液晶盒的光控取向?qū)雍鸵壕Р牧贤ㄟ^光控取向的方式實(shí)現(xiàn)液晶的平行取向，且光控取向?qū)尤∠蚍较蚺c金屬線柵方向成45°，使該液晶盒在太赫茲頻段均達(dá)到可調(diào)四分之一或半波片。本發(fā)明具有寬頻段、自偏振、透過率高、調(diào)制量大、響應(yīng)快速等特性；另外，制備成本低、效率高、可批量生產(chǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。
文檔編號G02F1/139GK102866554SQ201210380410
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者胡偉, 林曉雯, 陸延青, 徐飛 申請人:南京大學(xué)