МОДУЛЯТОР ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
TERAHERTZ RADIATION MODULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области техники, оперирующей излучением от дальнего инфракрасного (ИК) до короткого миллиметрового диапазонов длин волн. Излучение в этом диапазоне обладает рядом особенностей и достоинств, определяющих широкое его применение в технике.
К числу особенностей относятся: сравнительно большое затухание электромагнитного излучения в ряде материалов (например, стеклах), обладающих высокой прозрачностью в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн; относительно малое затухание во многих полимерных материалах, что позволяет изготавливать из них волноводы для терагерцового излучения; большие потери энергии в нанометровых проводящих покрытиях, обычно используемых в дисплейной индустрии; а также наличие в спектрах поглощения и отражения характерных полос, позволяющих идентифицировать химическое строение исследуемого вещества).
Терагерцовое (ТГц) излучение широко применяется в современной науке и технике, в частности, в системах дистанционного контроля наличия предметов, запрещенных к авиаперевозкам, в медицинских аппаратах для ранней диагностики онкологических заболеваний, в устройствах производственного экспресс контроля качества лекарственных препаратов в системах дальней космической связи и т.д.
В связи с этим актуальной является задача разработки устройств, позволяющих управлять параметрами данного излучения, решенная в существенно меньшей степени по сравнению с задачей управления электромагнитным излучением видимого и ближнего ИК диапазонов.
Уровень техники
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является известное из уровня техники [патент RU 2625636 С1, опубл. 17.07.2017] устройство, представляющее собой модулятор излучения терагерцового диапазона, состоящий из N сложенных в стопу жидкокристаллических (ЖК) ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек и двух отрезков пористых мембран, разделенных спейсерами и герметизирующими прокладками по периметру ячейки, двух пар электродов, размещенных по двум противоположным краям ячейки, при этом внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации.
Недостатками известного устройства являются: пространственная неоднородность ориентации ЖК в полостях ячеек, вызванная неоднородностью поля скоростей электроиндуцированного течения жидкого кристалла, низкая чувствительность планарно ориентированного образца ЖК к воздействию сдвигового течения, что требует применения достаточно высоких управляющих напряжений, а также необходимость использования в качестве подложек ЖК ячеек двулучепреломляющего полимера, что уменьшает эффективность работы модулятора.
Раскрытие сущности изобретения
Указанные выше недостатки в значительной степени устранены в предлагаемом изобретении.
Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности модуляции излучения терагерцевого диапазона относительно малыми управляющими напряжениями, обеспечение достаточно высокой однородности электроуправляемого ЖК элемента в плоскости, перпендикулярной направлению распространения ТГц излучения, что обеспечивает снижение пространственных искажений ТГц волны, а также обеспечивает возможности широкого выбора для изготовления ограничивающих ЖК подложек полимерных материалов с малыми потерями в области ТГц диапазона частот.
max
max
Технический результат настоящего изобретения достигается тем, что в модуляторе излучения терагерцового диапазона, состоящем из N сложенных в стопу жидкокристаллических (ЖК) ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек и двух отрезков пористых мембран, разделенных спейсерами и герметизирующими прокладками по периметру ячейки, двух пар электродов, размещенных по двум противоположным краям ячейки, при этом внутренние стороны подложек обработаны для придания ЖК однородной ориентации, каждая из ЖК ячеек снабжена разделительной пластиной, которая установлена в центральной части ячейки, герметично соединена с отрезками пористых мембран и образует два плоских канала в ячейке, причем поверхности указанной разделительной пластины, наряду с внутренними поверхностями подложек, обработаны для создания гомеотропной ориентации ЖК в каналах ячейки, электроды установлены на внутренних поверхностях подложек в областях, соответствующих расположению отрезков пористых мембран, каналы ячейки, заполненные жидким кристаллом, последовательно соединены друг с другом и краевыми отрезками пористых мембран в замкнутый контур, а общее количество ячеек в стопе N выбрано из условия N=λ/(4⋅Δn⋅d), где λ - верхний предел заданного диапазона длин волн, Δn - анизотропия показателя преломления жидкого кристалла, d - толщина слоя ЖК в каждом из двух каналов ячейки.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения подложки, разделительная пластина и пористые мембраны выполнены из полимера.
Осуществление изобретения
Сущность заявленного изобретения поясняется фиг. 1.
max
max
Предлагаемый модулятор состоит из N сложенных в стопу жидкокристаллических (ЖК) ячеек 1…2, каждая из которых составлена из двух подложек 3, 4 и двух отрезков пористых мембран 5, 6, разделенных спейсерами 7 и герметизирующими прокладками 8 по периметру ячейки, двух пар электродов 9, 10, размещенных на двух противоположным краях ячейки, внутренние поверхности подложек 3, 4 обработаны для придания ЖК однородной ориентации. При этом каждая из ЖК ячеек снабжена разделительной пластиной 11, которая установлена в центральной части ячейки, герметично соединена с отрезками пористых мембран 5, 6 и образует два плоских канала 12, 13 в ячейке. Поверхности разделительной пластины 11, наряду с внутренними поверхностями подложек, обработаны для создания гомеотропной ориентации ЖК в каналах ячейки. Электроды 9, 10 установлены на внутренних поверхностях подложек в областях, соответствующих расположению отрезков пористых мембран. Каналы ячейки, заполненные жидким кристаллом, последовательно соединены друг с другом и с краевыми отрезками пористых мембран в замкнутый контур. Общее количество ячеек в стопе N выбрано из условия N=λ(4⋅Δn⋅d), где λ - верхний предел заданного диапазона длин волн, Δn - анизотропия показателя преломления жидкого кристалла, d - толщина слоя ЖК в каждом из двух каналов ячейки. Позицией 14 обозначено направление падающего на модулятор терагерцевого излучения.
Предлагаемый в настоящем изобретении модулятор работает следующим образом.
В исходном состоянии центральная часть ЖК ячейки (см. фиг. 1) представляет собой слоистую структуру, состоящую из изотропных слоев полимера, из которого выполнены подложки 3, 4 и разделительная пластина 11, и анизотропных слоев жидкого кристалла, размещенного в плоских каналах 12, 13 с оптической осью, параллельной направлению 14 распространения терагерцового излучения, что соответствует отсутствию разности фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами, прошедшими ЖК ячейку. При этом интенсивность излучения, прошедшего ячейку или стопу ячеек, помещенную между скрещенными поляроидами (на фиг. 1 не показаны), будет равна нулю. Приложение к электродам 9, 10 управляющего напряжения приводит к возникновению электроосмотического потока в заполненных жидким кристаллом порах 15, что, в свою очередь, вызывает появление течения жидкого кристалла Пуазейлевского типа в плоских каналах 12, 13, соединенных с периферийными участками ячейки. Возникающий поток ЖК (стрелки 16) в каждом из плоских каналов 12, 13 шириной d отклоняет ориентацию жидкого кристалла от исходной гомеотропной ориентации на угол θ, что при прохождении терагерцовым излучением с длиной волны λ двух плоских капилляров приводит к появлению разности фаз Δα между необыкновенной (е) и обыкновенной (о) волнами, определяемой выражением:
e
o
e
где<Δn(θ)>=<n(θ)> - n - усредненное по толщине каждого из плоских каналов 12, 13 значение анизотропии показателей преломления между необыкновенной и обыкновенной волнами, <n(θ)> - усредненное по толщине слоя ЖК значение показателя преломления необыкновенной волны, определяемого соотношением:
e
o
где n - предельное значение показателя преломления необыкновенной волны, соответствующее полной переориентации ЖК (θ=π/2), n - значение показателя преломления обыкновенной волны.
N
Суммарная разность фаз Δα, возникающая при прохождении излучением стопы из N идентичных ячеек 1…2 определяется выражением:
При помещении стопы ячеек 1…2 между скрещенными поляроидами (на фиг. 1 не показаны), ориентированными под углом 45° относительно направления 16 потока ЖК, будет наблюдаться изменение интенсивности прошедшего света от нуля до значения 1, определяемого соотношением:
0
где I - интенсивность входящего излучения.
Таким образом, изменяя величину управляющего напряжения и количество ЖК ячеек 1…2 в стопе можно добиться заданной величины глубины модуляции для данной длины волны терагерцового излучения. При этом максимальная глубина модуляции будет иметь место при условии:
max
Реализация данного условия при фиксированном числе N ячеек 1…2 в стопе может быть достигнута за счет соответствующего выбора величины управляющего напряжения. Это позволяет подстраивать режим работы модулятора для заданной длины волны излучения за счет изменения величины управляющего напряжения. При этом верхняя граница диапазона длин волн λ, при которой достигается максимально возможная глубина модуляции, определяется соотношением:
ƒ
e
o
где Δn - максимальная анизотропия показателей преломления в потоке ЖК, близкая для большинства нематических жидких кристаллов, ориентируемых потоком, к предельному значению Δn=n-n.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого решения был изготовлен макет жидкокристаллической ячейки, состоящий из двух подложек, выполненных из листового полипропилена толщиной 1 мм с напыленным токопроводящим покрытием (ITO) на периферийных участках внутренних поверхностей подложек и с нанесенным слоем ориентанта (хромолан), обеспечивающим исходную гомеотропную ориентацию ЖК на внутренних поверхностях подложек 3, 4. В центральной области ячеек 1…2 на одинаковом расстоянии от подложек (60 мкм) располагалась разделительная пластина 11, представляющая собой полимерную пленку, выполненную из полипропилена, толщиной 180 мкм, с предварительно нанесенным на обе поверхности пленки слоем хромолана. Указанная пленка была соединена (с помощью клея) с двумя периферийными участками пористых мембран 5, 6, выполненных из пористой полимерной пленки полиэтилентерафталата (ПЭТФ) толщиной 23 мкм с диаметром пор 0,5 мкм. Ячейка вакуумировалась и затем заполнялась нематическим жидким кристаллом пентил-цианобифенилом (5ЦБ), находящимся в изотропной фазе. После охлаждения ячейки она помещалась между скрещенными поляроидами, ориентированными под углом 45° относительно направления осмотического потока 16, вызываемого приложением к участкам с токопроводящим покрытием (электроды 9, 10) постоянного электрического напряжения U. Через ячейку, расположенную между скрещенными поляроидами, пропускался луч полупроводникового лазера с длиной волны 0,635 мкм. При подаче на ячейку управляющего напряжения наблюдалось возникновение электроосмотического потока и изменения интенсивности прошедшего света. В частности, при подаче управляющего напряжения со значениями U=5,0 В и 10 В определенные из эксперимента значения фазовой задержки составляли 8,0 и 25,5 рад. соответственно, что подтверждает возможность эффективного управления двулучепреломлением жидкого кристалла с использованием низких управляющих напряжений.
max
При этом, не наблюдались специфические гидродинамические неустойчивости, возникавшие при дальнейшем увеличении напряжения до 20 В. Экстраполяция полученных результатов на терагерцовый диапазон длин волн, выполненная с учетом слабой зависимости анизотропии показателя преломления от длины волны, показала, что стопка ячеек, состоящая из 20 единиц, способна обеспечить эффективную модуляцию терагерцового излучения в области длин волн, меньших λ=100 мкм при значениях управляющего напряжения в диапазоне 0…10 В. Приведенные экспериментальные данные и выполненные оценки подтверждают возможность осуществления предложенного изобретения и демонстрируют достижение технического результата.