[发明专利]一种太赫兹蓝相液晶光栅及其制作方法

说明书

本发明公开了一种太赫兹蓝相液晶光栅结构及其制作方法，该结构包括：上基板、下基板、上电极层、下电极层以及蓝相液晶；下基板与上基板相对错位设置；上电极层置于上基板之下；下电极层置于下基板之上；蓝相液晶置于上电极层与下电极层之间；其中，上电极层与下电极层相对错位设置，上电极层与下电极层之间形成电场驱动蓝相液晶。本发明的上电极层和下电极层是透明导电聚合物材料，下电极层为周期性条纹结构，上电极层为均匀平面，上电极层与下电极层之间形成周期性电场驱动蓝相液晶，以使蓝相液晶产生周期性折射率分布。本发明填补了太赫兹波段蓝相液晶光栅的空白，为调制太赫兹波提供途径，对太赫兹器件的实用化发展具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及太赫兹波调制器件的技术领域，特别涉及一种太赫兹蓝相液晶光栅及其制作方法，其主要针对太赫兹波进行调制，解决太赫兹波段调制器件少且性能不佳的问题。

背景技术

在过去的几十年中，太赫兹光子学的发展取得了长足的进步，太赫兹技术在材料动力学、高速通信、生物成像和环境监测中的应用得以实现。太赫兹技术的蓬勃发展也使太赫兹准光学元件的需求，尤其是太赫兹光栅的需求大大增加。然而，目前关于太赫兹波段光栅的报道却寥寥无几，仍有待开发。

液晶材料因其在太赫兹波段具有较大的双折射和较低的吸收而格外适合用于太赫兹设备中，更重要的是，液晶还具有可调控性，一些基于液晶的太赫兹光栅也已报道。

有文献报道了一种磁控太赫兹液晶相位光栅，该装置采用向列相液晶(nematicliquid crystals)，可在0.3THz频率下，将偏振方向垂直于光栅槽方向上的零级衍射光和一级衍射光的比例从4：1调节至1：2。但是，该装置为磁控调节，装置成本高、体积大、响应慢，且对入射光的偏振态有特殊的要求，衍射效率低。

还有文献公开了一种太赫兹电控液晶相位光栅，该装置采用向列相液晶，可将零级衍射光和一级衍射光的比例从10：1调节至1：1。虽然电控液晶光栅相比于磁控液晶光栅，重量有所减轻，能量损耗也相对降低，但由于没有采用透明电极材料，只能并列排布多个基板、电极层和液晶层来获得蓝相液晶折射率的周期性分布，进而产生衍射效应，这就导致整个器件体积偏大，制作工艺复杂，制作成本高，响应速度慢，也不满足器件的实用化要求。

针对向列相液晶太赫兹光栅响应速度慢、结构复杂等问题，研究者们提出采用具有亚波长周期性排列的超材料来制作太赫兹光栅。

文献“全介质光栅在太赫兹波段的光调控特性，物理学报，2016，65(7):074209”中采用激光直写技术在100μm厚的硅衬底上制备了全介质光栅结构，在光栅与太赫兹波偏振垂直的情况下，该光栅在0～1.0THz范围内有3个典型的米谐振峰且谐振模式各不相同；随着调控光功率的增加，3个谐振峰的谐振强度出现了不同程度的减弱。该光栅为光调控，调控响应时间短，但光调控需要在系统里设置额外光源，且对入射太赫兹波偏振态有特殊要求。

专利申请CN106125176A公开了一种一维相位光栅，是一种栅距可变、槽深顺次变化，适用于太赫兹波段的立体、反射式相位光栅。该发明基于电磁波的衍射理论，通过控制凹槽的深度变化，引入附加光程，对反射太赫兹波前的不同区域内具有不同的相位信息，对反射太赫兹波实现相位调制。但该光栅的立体反射结构需要采用刻蚀金属方法制作，加工过程复杂、耗时长，且该光栅槽长度为80cm，器件体积过大，不满足器件实用化、小型化标准。

因此，提出新型偏振无关、响应快速、低成本、制作工艺简单的太赫兹光栅是十分必要的。调制材料需要尽可能兼具液晶、电介质和金属材料的优点，考虑采用蓝相液晶作为调制材料。

蓝相液晶相比于向列相液晶有一些独特的优势：向列相液晶通过液晶分子转向来改变光路，但蓝相液晶是通过自身形变来改变光路，因此响应速度比传统向列相液晶快很多，具有亚毫秒量级的响应速度；与向列相液晶相比，蓝相液晶不需要取向层来进行取向，这简化了设备结构，降低了制造成本。尽管蓝相液晶具有诸多优势，但它仍没有广泛应用在太赫兹调制器件领域，原因是蓝相液晶在实际应用中仍面临一些技术挑战，比如：蓝相温宽窄、驱动电压过高等。