一种可调太赫兹信号偏折器及其制备方法与流程

本发明涉及光电计量技术领域，尤其涉及一种可调太赫兹信号偏折器及其制备方法。

背景技术：

太赫兹信号的频率处于0.1-10thz(对应波长为30-3000μm)之间，因其独特的性质，使得太赫兹技术在安全检查、生物医学和高速无线通信等诸多领域具有广阔的应用前景。相对于太赫兹源和探测器，用以传输和控制太赫兹信号的高性能光学器件仍处于初级发展阶段。太赫兹信号偏折器是调制太赫兹信号的基础元件之一，在太赫兹通信系统中有着广泛的应用。它通常是由棱镜或是倾斜相位板制成，原理是光程差在传播方向上的累积。这些器件体积大，难以实现小型化、集成化的系统设计。虽然后来逐渐发展出了用超构表面设计制备的太赫兹信号偏折器，能实现轻薄的结构设计，但是它的缺点是效率较低，调制波段范围较窄，且缺乏可调谐性。因此，有待于研发一种可调谐的太赫兹信号偏折器，实现动态、高效、宽波段的太赫兹信号偏折，以满足实际应用的需要。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种可调太赫兹信号偏折器及其制备方法，以解决现有太赫兹信号偏折器效率较低、调制波段范围较窄、且缺乏可调谐性的问题，实现动态、高效、宽波段的太赫兹信号偏折，满足实际应用的需要。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种可调太赫兹信号偏折器，包括：

相对设置的第一透明基板和第二透明基板，以及位于所述第一透明基板和所述第二透明基板之间的液晶层；

所述第一透明基板和所述第二透明基板邻近所述液晶层的一侧分别设置有第一透明电极层和第二透明电极层；

所述第一透明电极层和所述第二透明电极层邻近所述液晶层的一侧分别设置有第一光控取向层和第二光控取向层；

所述第一透明电极层和所述第二透明电极层为在太赫兹波段具有高透过率和良好电导率的材料；所述光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形；所述控制图形用于控制液晶层中的液晶分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布，形成基于几何相位的闪耀光栅相位分布，当入射圆偏振太赫兹信号时，可以将其偏折到特定角度。

优选地，所述信号偏折器还包括位于第一透明基板和第二透明基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑第一透明基板和第二透明基板以形成液晶层的填充空间。

优选地，所述液晶层的厚度为200～700μm。

优选地，所述第一透明电极层和所述第二透明电极层所采用的材料包括石墨烯、pedot或金属线栅。

优选地，所述液晶层采用具有双折射率的介质材料。

优选地，所述液晶层的双折射率大于等于0.2且小于等于0.4。

本发明实施例还提供一种可调太赫兹信号偏折器的制备方法，其特征在于，包括：

在透明基板的一侧涂覆具有高透过率和良好电导率的材料形成透明电极层，获得导电基板；

在所述导电基板涂覆有透明电极层的一侧涂覆取向剂形成光控取向层，获得偏折基板；

取两块所述偏折基板，作为第一偏折基板和第二偏折基板；

第一偏折基板和第二偏折基板平行设置，且第一偏折基板的光控取向层与第二偏折基板的光控取向层相对设置，用间隔粒子将第一偏折基板和第二偏折基板相对固定，获得基板空盒；

对所述基板空盒进行多步重叠曝光，以使所述光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形；

在所述基板空盒的所述第一偏折基板和所述第二偏折基板之间灌注具有双折射率的介质材料形成液晶层，所述液晶层中的液晶分子受所述光控取向层的所述控制图形影响，所述液晶分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布。

优选地，在所述导电基板涂覆有透明电极层的一侧涂覆取向剂形成光控取向层，获得偏折基板之前，还包括：

将所述透明基板用洗液超声清洗20-40分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8-10分钟，然后在100℃-120℃烘箱中烘干40-60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30-45分钟。其中，所述洗液使用的是无水乙醇。

优选地，所述透明基板为在太赫兹段具有高透过率和低损耗率的材料，包括石英玻璃或硅片。

优选地，在所述第一偏折基板和所述第二偏折基板之间灌注具有双折射率的介质材料时所述介质材料的温度为170℃-190℃。

本发明的实施例，具有如下有益效果：

本发明提供了一种可调太赫兹信号偏折器，包括：相对设置的第一透明基板和第二透明基板，以及位于所述第一透明基板和所述第二透明基板之间的液晶层；所述第一透明基板和所述第二透明基板邻近所述液晶层的一侧分别设置有第一透明电极层和第二透明电极层；所述第一透明电极层和所述第二透明电极层邻近所述液晶层的一侧分别设置有第一光控取向层和第二光控取向层；所述第一透明电极层和所述第二透明电极层为在太赫兹波段具有高透过率和良好电导率的材料；所述光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形；所述控制图形用于控制液晶层中的液晶分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布，形成基于几何相位的闪耀光栅相位分布，当入射圆偏振太赫兹信号时，可以将其偏折到特定角度。本实施例提供的基于电调液晶的宽波段适用的太赫兹信号偏折器，具有宽波段适用、小型化易集成的特点。相较于现有技术中的石英晶体和超构表面制备的太赫兹信号偏折器具有明显的优势，通过灵活的曝光图案设计，可以制备出不同偏折角度的太赫兹信号偏折器，在太赫兹通讯等领域有很大的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器中液晶分子指向矢分布模拟示意图；

图3是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的相位分布模拟示意图；

图4是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的正交偏光显微镜照片；

图5是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的表征系统的光路示意图；

图6是在左旋圆偏振太赫兹信号入射下，在1thz频率处的归一化太赫兹远场强度分布示意图，xy面为太赫兹信号传输截面，xz面为太赫兹信号传输面；

图7是在右旋圆偏振太赫兹信号入射下，在1thz频率处的归一化太赫兹远场强度分布示意图，xy面为太赫兹信号传输截面，xz面为太赫兹信号传输面；

图8是在对透明电极加上200v电压下，在线偏振太赫兹信号入射下，在1thz频率处的归一化太赫兹远场强度分布示意图；

图9是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器在不同太赫兹频率处的理论调制效率和偏折角度曲线图；

图10是本发明某一实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的制备方法的流程示意图；

图11是本发明另一实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1。

本发明实施例提供一种可调太赫兹信号偏折器，包括相对设置的第一透明基板1和第二透明基板6，以及位于所述第一透明基板1和所述第二透明基板6之间的液晶层8；所述第一透明基板1和所述第二透明基板6邻近所述液晶层8的一侧分别设置有第一透明电极层2和第二透明电极层5；所述第一透明电极层2和所述第二透明电极层5邻近所述液晶层8的一侧分别设置有第一光控取向层3和第二光控取向层4；所述第一透明电极层2和所述第二透明电极层5为在太赫兹信号段具有高透过率和良好电导率的材料，包括石墨烯、金属线栅或pedot(pedot是edot(3,4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，pedot具有分子结构简单、能隙小、电导率高等特点，被广泛用作有机薄膜太阳能电池材料、oled材料、电致变色材料、透明电极材料等领域的研究)，作为示例，第一透明电极层2和第二透明电极层5选用在太赫兹信号段具有高透过率和良好电导率的材料石墨烯；所述光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形，作为示例，所述光控取向层的材料为偶氮染料类材料，偶氮染料类材料对线偏振紫外光敏感，当线偏振紫外光照射时，取向方向会沿着垂直于偏振方向排列；光控取向层的控制图形控制液晶层8中的液晶分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布，形成基于几何相位的闪耀光栅相位分布，当入射圆偏振太赫兹信号时，可以将其偏折到特定角度。

几何相位是一种只与液晶晶轴偏转方向相关的相位，当左(右)旋圆偏振光入射到几何相位光学元件中时，出射的右(左)旋圆偏振光会携带一个附加的相位，此相位在数值上等于液晶晶轴偏转方位角的两倍。如图2所示是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器中液晶分子指向矢分布模拟示意图，液晶指向矢在x方向呈现周期性的0-180°变化，由此产生的几何相位在x方向呈现周期性的0-360°变化，产生闪耀光栅的倾斜相位，能够实现特定角度的信号偏折。对于不同的偏折角度，可以改变光栅周期p，从而得到不同的信号偏折角度。光栅周期p与偏转角度θ以及入射光频率f存在如下关系：p·sinθ＝c/f，其中，c是真空中光速。作为示例，本发明实施例中设计了在1thz偏折角度为14°的信号偏折器，经过上式计算得到光栅周期p为1240μm。

所述第一透明电极层2和所述第二透明电极层5为在太赫兹信号段具有高透过率和良好电导率的材料；所述光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形；所述控制图形用于控制液晶层8中的液晶分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布，形成基于几何相位的闪耀光栅相位分布，当入射圆偏振太赫兹信号时，可以将其偏折到特定角度。

所述信号偏折器还包括位于第一透明基板1和第二透明基板6之间的间隔粒子7，所述间隔粒子7用于支撑第一透明基板1和第二透明基板6以形成液晶层8的填充空间，为了使得所述液晶层8的厚度满足入射至所述太赫兹透镜的入射光频率范围为0.6～1.4thz，液晶层的厚度设计为500μm，以实现在1thz处的最优调制效率。

为了使得所述液晶层8的厚度满足入射太赫兹信号的半波条件，即入射光频率范围为0.6～1.4thz，所述液晶层8的厚度为200～700μm。

优选地，所述液晶层8采用具有双折射率的介质材料。所述液晶层8的液晶采用在太赫兹信号段具有双折射率的材料，双折射率即非均质体中两个或三个主折射率之间的最大差值；为了使得所述液晶层8的厚度满足入射太赫兹信号的半波条件，即入射光频率范围为0.6～1.4thz，所述液晶层8的双折射率大于等于0.2且小于等于0.4；作为最优示例，为了使得所述液晶层8的厚度满足入射至所述太赫兹透镜的入射光频率范围为0.6～1.4thz，所述液晶层8的双折射率为0.3。

请参阅图2-图4。

图3是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的相位分布模拟示意图，可以看到0-360°的相位在x方向连续周期性变化，与图2所示的设计的液晶指向矢分布图相吻合。图4是利用基于数字微镜阵列的紫外偏振曝光取向系统制备的一种可调太赫兹信号偏折器的正交偏光显微镜照片。在本实施例中，照片亮度在x方向随着方位在360°内呈现连续的亮度变化。这种强度变化是液晶指向矢连续周期性变化的结果，图4中由暗到亮再到暗表示液晶指向矢的方向从0°渐变为90°。整个强度的变化和图2中的理论液晶指向矢分布相吻合。

在一个具体实施例中，通过使液晶分子指向矢沿着x方向呈周期性0°-180°渐变分布，入射的圆偏振太赫兹信号经过该器件后，出射的正交圆偏振太赫兹信号会产生闪耀光栅型相位调制，将太赫兹信号偏折一个角度，并且该调制效果可以覆盖较宽的太赫兹频率范围。若改变正交圆偏振态入射，偏折角度会沿着传播方向发生对称改变。

在上述实施例的基础上，可选地，液晶层的厚度d满足：200μm≤d≤700μm。可以理解的是，由于相位延迟条件δφ＝2πδnd/λ，其中δn表示液晶分子的双折射率差，d表示液晶层的厚度，在特定波长λ处，需要满足半波条件才能使几何相位光学元件的工作效率达到最大。对于本实施例中的太赫兹信号偏折器，厚度d的理论优选值为500μm，如果d小于这个值，调制效率会逐渐降低。然而在大于700μm厚度下液晶层的取向效果会变得较差，因此在本实施例中，液晶聚合物膜的厚度可设计在200μm-700μm，当d小于200μm时，由于经过该器件的太赫兹信号的相位累积远远未达到太赫兹信号段的半波条件，器件的效率很低；当d大于700μm时，厚度太大会导致中间层液晶的取向效果较差，影响器件使用。进一步的，液晶聚合物膜厚度d的优选值500μm，在该厚度下取向效果较好，并且在1thz处有较高的调制效率。

请参阅图5。

图5是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的表征系统的光路示意图，包括上述实施例提供的太赫兹信号偏折器13，还包括：光导天线9，用于产生线偏振太赫兹信号；金属抛物面镜10，镜面位于光导天线9的出射光路上，用于对线偏振太赫兹信号进行汇聚和准直；斩波器11，用于将线偏振太赫兹信号转换为脉冲光；第一四分之一波片12，用于将线偏振太赫兹信号转换成圆偏振太赫兹信号；太赫兹信号偏折器13用于将圆偏振太赫兹信号偏折一定的角度；第二四分之一波片14，用于将圆偏振太赫兹信号转换为线偏振太赫兹信号；光导天线探针15，用于探测太赫兹涡旋波束；其中，斩波器11、第一四分之一波片12、太赫兹信号偏折器13、第二四分之一波片14以及光导天线探针15与金属抛物面镜10共光轴，且沿金属抛物面镜10出射光方向依次排列。

请参阅图6-图7。

图6是在左旋圆偏振太赫兹信号入射下，在1thz频率处的归一化太赫兹远场强度分布示意图，xy面为太赫兹信号传输截面，xz面为太赫兹信号传输面。可以发现，此时太赫兹信号被偏折向左侧，偏折角度-14°与设计的偏折角度相吻合。图7是在右旋圆偏振太赫兹信号入射下，在1thz频率处的归一化太赫兹远场强度分布示意图，xy面为太赫兹信号传输截面，xz面为太赫兹信号传输面。可以发现，此时太赫兹信号被偏折向右侧，与图6中的情况互为共轭，偏折角度14°与设计的偏折角度相吻合。因此，通过切换左右旋圆偏振态，可以实现太赫兹信号在左侧和右侧偏折的动态切换。

请参阅图8。

为了实现动态调谐的功能，采用交流电压对第一透明基板1和第二透明基板6的第一透明电极层2和第二透明电极层5(即石墨烯透明电极)进行加电，直到饱和状态，在实验中需要200v的电压，使液晶分子在电场下的指向方向偏转至z轴方向。此时，由于所有的液晶分子均偏转至z轴方向，几何相位的调制效果消失，信号偏折的功能消失，太赫兹信号入射时会直接通过样品而不产生任何的调制效果。如图8所示，是在对透明电极加上200v电压下，在线偏振太赫兹信号入射下，在1thz频率处的归一化太赫兹远场强度分布示意图。可以看到光斑出现在了正中间，而不是左右，说明此时不存在对入射太赫兹信号的偏折效果。上述结果充分验证了该实施例中太赫兹信号偏折器的动态调谐效果，可以实现偏折和非偏折功能的动态切换。

请参阅图9。

图9是本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器在不同太赫兹频率处的理论调制效率和偏折角度曲线图。偏折角度θ随着频率f存在如下关系：sinθ＝c/(f·p)。偏折角度θ随着频率f的增大会逐渐减小。调制效率η随着频率f存在如下关系：η＝sin(πfδnd/c)^2，其中，δn表示液晶分子的双折射率差，d表示液晶层的厚度，c为真空中光速。由于在1thz处优化了厚度d，因此可以看到1thz处的理论效率最高，达到100％，由1thz向两边效率逐渐递减。

本实施例提供的基于电调液晶的宽波段适用的太赫兹信号偏折器，具有宽波段适用、小型化易集成的特点。相比于现有的石英晶体和超构表面制备的太赫兹信号偏折器具有明显的优势。通过灵活的曝光图案设计，可以制备出不同偏折角度的太赫兹信号偏折器，在太赫兹通讯等领域有很大的应用潜力。

请参阅图10和图11。

图10为本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的制备方法的流程示意图，图11为本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器的制备方法的结构流程示意图。本发明实施例提供的可调太赫兹信号偏折器的制备方法包括：

步骤s100，在透明基板的一侧涂覆具有高透过率和良好电导率的材料形成透明电极层，获得导电基板。作为示例，所述透明基板为在太赫兹段具有高透过率和低损耗率的材料，包括石英玻璃或硅片，所述高透过率和良好电导率的材料，包括石墨烯、pedot或金属线栅。

步骤s200，在所述导电基板涂覆有透明电极层的一侧涂覆取向剂形成光控取向层，获得偏折基板。在所述导电基板涂覆有透明电极层的一侧涂覆取向剂形成光控取向层，所述取向剂是偶氮染料类材料，偶氮染料类材料对线偏振紫外光敏感，当线偏振紫外光照射时，取向方向会沿着垂直于偏振方向排列。在实验中每次让紫外光照射不同的取向区域，每个区域使用不同的线偏振方向的紫外光，就可以实现所设计的任意的取向方向控制。对所述基板空盒进行多步重叠曝光中，“多步”指的就是曝光若干次，每次紫外照射区域不同，同时偏振方向也不同；“重叠”指的是每两次照射区域之间有一定的重叠，使取向的边界区域更加连续。每次照射的区域连续周期性地改变，同时偏振方向同步地进行旋转，就能实现光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形。

步骤s300，取两块所述偏折基板，作为第一偏折基板和第二偏折基板。

步骤s400，第一偏折基板和第二偏折基板平行设置，且第一偏折基板的光控取向层与第二偏折基板的光控取向层相对设置，用间隔粒子7将第一偏折基板和第二偏折基板相对固定，获得基板空盒。

步骤s500，对所述基板空盒进行多步重叠曝光，以使所述光控取向层具有分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布的控制图形。

步骤s600，在所述基板空盒的所述第一偏折基板和所述第二偏折基板之间灌注具有双折射率的介质材料形成液晶层8，所述液晶层8中的液晶分子受所述光控取向层的所述控制图形影响，所述液晶分子指向矢沿着某一方向周期性渐变分布。作为示例，在所述第一偏折基板和所述第二偏折基板之间灌注具有双折射率的介质材料时所述介质材料的温度为170℃-190℃。

在步骤s200之前，还包括：

步骤s101，将所述透明基板用洗液超声清洗20-40分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8-10分钟，然后在100℃-120℃烘箱中烘干40-60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30-45分钟。

本发明实施例提供的一种可调太赫兹信号偏折器可以应用在太赫兹通信系统中。在太赫兹通信中，需要利用调制器对太赫兹信号进行波束赋形，从而发射向不同的方向，因此需要一种低成本、大带宽的动态可调的信号偏折器实现上述功能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。