МОДУЛЯТОР ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G02B5/30 G02F1/13 

Настоящее изобретение относится к области техники, оперирующей с излучением в диапазоне длин волн от дальнего инфракрасного (ИК) и до короткого миллиметрового диапазона. Излучение в этом диапазоне обладает рядом особенностей и достоинств, определяющих широкое их применение в технике. К числу особенностей относятся прозрачность большинства известных материалов в этом диапазоне волн, малые значения показателей преломления и двулучепреломления, существенно зависящие от длины волны излучения.

Терагерцевый (ТГц) диапазон частот содержит очень важные спектры, поскольку многие важные энергетические характеристики соответствуют, например, акцепторам и донорам в полупроводниках, энергии связи экситонов, оптических фотонов и т.д. Во всех этих областях необходимы изделия, управляющие этим излучением.

Из уровня техники известен модулятор терагерцевого излучения [патент US 7940368 В2, опубл. 10.05.2011], состоящий из жидкокристаллической ячейки с системой полосчатых электродов, которые одновременно являются поляризаторами. При подаче напряжения к соседним электродам возникает поперечное электрическое поле, которое ориентирует жидкие кристаллы (ЖК), и интенсивность проходящего излучения модулируется в зависимости от приложенного напряжения.

Недостатками известного модулятора являются высокие управляющие напряжения, обусловленные большими расстояниями между электродами, малое быстродействие, обусловленное большой толщиной слоя ЖК, необходимой для осуществления модуляции, особенно учитывая тот факт, что показатели преломления ЖК в терагерцевом диапазоне длин волн малы.

А также известен модулятор ТГц излучения [патент US 5184253 A, опубл. 02.02.1993], состоящий из параллелепипеда, заполненного суспензией из ЖК и продолговатых частиц, придающих суспензии повышенный показатель преломления в ТГц диапазоне. ЖК ориентирован стенками вдоль длинных граней параллелепипеда. Модулируемое излучение направляется в этом же направлении, и показатель преломления в этом направлении минимален. На противоположные грани нанесены электроды, при подаче на которые управляющих напряжений, ЖК ориентируется вдоль силовых линий, а вместе с ним ориентируются продолговатые частицы. Показатель преломления суспензии становится максимальным в направлении вдоль силовых линий и минимальным в перпендикулярном направлении, т.е. наблюдается значительное двулучепреломление. Таким образом, переключение двулучепреломления в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает модуляцию излучения.

Недостатками такого модулятора являются, как и в первом случае, высокие управляющие напряжения и низкая скорость переключения, обусловленные большой толщиной слоя ЖК, необходимой для реализации электрооптического отклика.

Ближайшим аналогом (прототипом) настоящего изобретения является модулятор излучения терагерцевого диапазона, описанный в [ Wilketal. Liquid crystal based electrically switchable Bragg structure for THz waves / OPTICS EXPRESS, 2009, Vol. 17, №9, pages 7377-7382]. Модулятор представляет собой стопу жидкокристаллических ячеек, состоящих из двух подложек, разделенных спейсером. Указанные жидкокристаллические ячейки прозрачны в терагерцевом диапазоне, выполнены из полимера и образуют полости, в которых содержится ЖК. Внутренние стороны подложек обработаны одним из известных способов для того, чтобы придать слою ЖК однородную ориентацию, например, вдоль одного из краев подложки. Несколько ячеек складываются в стопу с одинаковой ориентацией слоев ЖК. Число ячеек в стопе выбрано таким образом, чтобы поляризованное излучение, падающее перпендикулярно стопе, набирало разность оптического хода Δα=2π⋅Δn⋅d/λ, где Δn - величина двулучепреломления ЖК на заданной длине, d - толщина слоя ЖК, λ - длина волны излучения. В целом, стопа ячеек представляет собой четвертьволновую пластину.

Учитывая малую величину двулучепреломления ЖК в терагерцевом диапазоне, толщины слоев ЖК должны быть значительными, например вплоть до нескольких мм, в зависимости от длины волны.

В частности, в прототипе стопа содержит 12 подложек из пропилена толщиной 161 мкм с показателем преломления 1,51, разделенных спейсерами размером 158 мкм. Полости между подложками заполнены ЖК, например СВ7. В результате общая толщина слоев ЖК составляет 158 мкм.

Стопа ячеек помещается в прямоугольный сосуд, на внутренние стенки которых нанесены электроды. Прямоугольный сосуд вместе со стопой ячеек помещается между скрещенными поляроидами, работающими в терагерцевом диапазоне. Поляроиды направлены под углом 45° относительно оптической оси ориентированного ЖК. В исходном состоянии сквозь стопу проходит максимальная интенсивность излучения. При подаче управляющих напряжений к паре боковых стенок слои ЖК в каждой ячейке переориентируются вдоль силовых линий. Режим четверть волновой пластины нарушается, и интенсивность проходящего света уменьшается и падает практически до нуля. Таким образом осуществляется модуляция излучения.

Недостатками ближайшего аналога (прототипа) являются высокие управляющие напряжения (до сотен вольт), поскольку управляющее напряжение прикладывается вдоль подложки. Кроме того, из-за большой толщины слоя ЖК, необходимой для обеспечения нужного набега фаз, времена включения-выключения элемента велики, вплоть до нескольких секунд.

Указанные выше недостатки в значительной степени устранены в предлагаемом изобретении.

Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности модуляции излучения терагерцевого диапазона с малыми напряжениями, присущими ЖК, и малыми временами переключения.

Указанный технический результат достигается тем, что модулятор излучения терагерцевого диапазона, состоящий из стопы жидкокристаллических ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек, разделенных спейсерами и выполненных из полимера, при этом внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации вдоль поверхности подложек, характеризуется тем, что каждая из ЖК ячеек стопы снабжена двумя отрезками пористой мембраны, расположенными между подложками и по краям ячейки, на отрезки пористой мембраны нанесены электроды, отрезки пористой мембраны отделены от подложек спейсерами, образуя полости, заполненные ЖК, полости соединены между собой, направления оптических осей каждой из ЖК ячеек смещены на определенный угол Δα, величина которого определена величиной двулучепреломления двух подложек и двулучепреломлением жидкого кристалла, общее число ЖК ячеек n в стопе выбрано из условия n⋅Δα=π/2.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.

На фиг. 1 представлена стопа из n ЖК ячеек,

на фиг. 2а и фиг. 2б представлена конструкция ЖК ячейки (вид сбоку и вид сверху соответственно),

на фиг. 3 представлена конструкция ЖК ячейки в аксонометрии,

на фиг. 4 представлено расположение слоев ЖК.

Предлагаемый модулятор состоит из стопы жидкокристаллических ячеек (фиг. 1), сложенных вплотную друг к другу способом, описанным ниже.

ЖК ячейка состоит из двух подложек 1 и 2, выполненных из двулучепреломляющего полимера, например из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 100-150 мкм с показателями преломления и n_eSub=1,883 (фиг. 2а). Длинная оптическая ось полимера направлена вдоль поверхности, например, в горизонтальном направлении.

По краям подложек расположены два отрезка пористой мембраны 3, на которые нанесены электроды 4 из металла или оксида индия-олова (ИТО). Пористая мембрана 3 отделена от подложек 1 и 2 посредством герметизирующей прокладки 5 и равных ей по толщине спейсеров 6, образуя полости A, B, C, D, E, заполненные ЖК 7. Внутренние поверхности подложек 1 и 2 обработаны для придания ЖК 7 в полости E однородной ориентации ЖК в направлении вдоль оптических осей полимера (фиг. 2б). Толщина слоя ЖК составляет несколько десятков микрон, что необходимо для осуществления модуляции.

Две полимерные подложки 1 и 2 и слой ЖК 7 между ними в исходном состоянии представляют единую оптически однородную двулучепреломляющую пластину.

Все ЖК ячейки сложены в стопу, причем оптические оси каждой последующей ячейки сдвинуты на определенный угол Δα с тем, чтобы после прохождения n-й ячейки набег фазы стал равным π/2, и излучение осталось линейно поляризованным с плоскостью поляризации, перпендикулярной входному излучению 8, т.е. реализуется режим Могена, при котором вследствие согласованного по величине и направлению двулучепреломления каждой из составляющих ячеек позволяет сохранить линейную поляризацию с плоскостью поляризации, перпендикулярной первоначальной 9 (фиг. 4).

Функционирует предлагаемый модулятор следующим образом.

Входное поляризованное излучение 8 поступает на стопу 1 ЖК перпендикулярно стопе и с плоскостью поляризации под углом 45° к направлению ориентации ЖК. Пройдя первую ЖК ячейку, входное излучение 8 набирает некую разность хода Δφ<π/2 и в общем случае становится эллиптически поляризованным с направлением оптической оси под углом Δα к плоскости поляризации первоначального излучения 8 (фиг. 2а). Последующая ЖК ячейка расположена вплотную к первой, и направление ориентации ЖК в ней совпадает с направлением выходного излучения первой ячейки. В результате излучение набирает разность оптического хода 2Δφ, а после прохождения n ячеек разность хода становится равной π/2, проходящее излучение остается линейно поляризованным, но с плоскостью поляризации, перпендикулярной входящему излучению 8. Поскольку поляризаторы скрещены, то и на выходе модулятора наблюдается максимальная интенсивность.

При подаче к отрезкам пористой мембраны 4 постоянного напряжения с полярностью, показанной на фиг. 2а, в порах начинается движение ЖК. ЖК перетекает из полости A в полость B, а из полости C в полость D. Одновременно начинается движение ЖК в полости E, которое нарушает ориентацию молекул ЖК от исходной планарной к ориентации вдоль потока ЖК и в значительной степени к хаотически дезориентированной циркулярными потоками. В результате согласованный режим прохождения излучения (режим Могена) нарушается, и сквозь выходной поляроид будет проходить существенно меньшая интенсивность, вплоть до нулевой. Таким образом, регулируя величину приложенного напряжения, можно модулировать интенсивность света. Управляющие напряжения составляют характерные для ЖК десятки вольт. Времена включения выключения составляют десятки миллисекунд, поскольку толщины слоев ЖК невелики.

Для того чтобы уменьшить времена включения-выключения и обеспечить необходимый набег фаз, используется пакет из нескольких ЖК ячеек. Их количество выбирается из условия: Δα⋅n=π/2. Направление оптической оси каждой последующей ЖК ячейки регулярно сдвигается на угол Δα с тем, чтобы после прохождения n-й ячейки набег фазы стал равным π/2, а излучение оставалось линейно поляризованным с плоскостью поляризации, перпендикулярной входному излучению 8 (то есть реализуется режим Могена, при котором вследствие согласованного по величине и направлению двулучепреломления каждой из составляющих ячеек позволяет сохранить линейную поляризацию с плоскостью поляризации, перпендикулярной первоначальной 9).

В скрещенных поляроидах в исходном состоянии весь пакет ячеек будет пропускать излучение.

Изменение величины приложенного напряжения однозначно и практически линейно связано с интенсивностью проходящего излучения. Несмотря на значительное число ячеек с ЖК, обеспечивающих необходимый набег фаз, времена включения и выключения определяются короткими временами, присущими одной ЖК ячейке.

Для подтверждения работоспособности предлагаемого решения был изготовлен пассивный макет, состоящий из двулучепреломляющих слоев полиэтилентерефталата толщиной 200 мкм. Двулучепреломление ПЭТФ на используемой длине волны 2,5 мкм составляло 0,013. Стопа из 10 слоев ПЭТФ, сдвинутых на угол Δα=9°, обеспечивала поворот плоскости поляризации на угол 90°, что подтверждает правильность предложенного решения, даже при отсутствии активного управляющего слоя ЖК.

Модулятор излучения терагерцевого диапазона состоит из стопы жидкокристаллических ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек, разделенных спейсерами. Внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации вдоль поверхности подложек. Каждая из ЖК ячеек стопы снабжена двумя отрезками пористой мембраны, расположенными между подложками и по краям ячейки. Отрезки пористой мембраны отделены от подложек спейсерами, образуя полости, заполненные ЖК. Технический результат – обеспечение модуляции излучения терагерцевого диапазона с малыми напряжениями, присущими ЖК, и малыми временами переключения. 4 ил.

Модулятор излучения терагерцевого диапазона, состоящий из стопы жидкокристаллических (ЖК) ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек, разделенных спейсерами и выполненных из полимера, при этом внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации вдоль поверхности подложек, отличающийся тем, что каждая из ЖК ячеек стопы снабжена двумя отрезками пористой мембраны, расположенными между подложками и по краям ячейки, на отрезки пористой мембраны нанесены электроды, отрезки пористой мембраны отделены от подложек спейсерами, образуя полости, заполненные ЖК, полости соединены между собой, направления оптических осей каждой из ЖК ячеек смещены на определенный угол Δα, величина которого определена величиной двулучепреломления двух подложек и двулучепреломлением жидкого кристалла, общее число ЖК ячеек n в стопе выбрано из условия n⋅Δα=π/2.