[发明专利]反射式太赫兹可调谐偏振控制器

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹波可调谐偏振控制装置及其控制方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm-30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。太赫兹功能器件如滤波器、开关、分束器、起偏器、相位延迟器等是太赫兹应用系统中重要组成部分，其中太赫兹偏振控制器是太赫兹光谱和成像系统的重要器件。它不但可以得到不同偏振状态的太赫兹波，而且可以获得不同的相位延迟，从而获得物体的复介电常数。

目前，常见的太赫兹偏振控制器主要有：(1)透射式磁场控制可调相移器。该方法利用了磁场控制下液晶的双折射特性，在1THz附近实现0～2π相移，但是该方法需要机械上转动磁场方向，不易操作。(2)透射式电场控制可调相移器。该方法利用电场控制下的双折射特性，结构简单，但是电压较高。另外，上述器件均为透射式器件，无法满足反射式太赫兹光谱和成像系统的要求，因此研制反射式准相位控制器件具有非常重要的应用价值。

发明内容

针对以上太赫兹偏振控制器的不足，本发明的目的在于提供一种反射式太赫兹连续可调谐偏振控制装置及其控制方法。

太赫兹可调谐偏振控制器的装置如下：金属栅起偏器、增透膜、电极、金属反射镜、液晶，太赫兹源。液晶封装于增透膜、电极和金属反射镜组成的密封空间内。金属栅起偏器是在高纯硅基底上经过紫外光刻、金属蒸镀和金属剥离形成的，金属栅周期10μm，占空比小于0.4，厚度小于5μm。增透膜在太赫兹波段反射率和吸收系数均很小的双层膜，它由硅层和锗层构成，硅层厚度22μm，锗层厚度18.75μm，太赫兹波段反射率小于1％。电极之间距离3mm。液晶选择5CB、E7等在太赫兹波段具有高双折射低损耗向列相液晶，双折射系数大于0.15。所使用的太赫兹源为太赫兹光电导天线产生的宽带太赫兹源，谱成分0.1-3THz。

太赫兹可调谐偏振控制器的工作方法是：通过外加电场改变金属栅起偏器与金属反射镜之间液晶分子的指向角度，从而改变两束正交偏振光的相位差，1THz频段实现0～2π范围内可调的相位延迟；当电压为零时，液晶平行于金属栅；当电压逐渐增大，液晶指向角度逐渐转向垂直于金属栅，这一过程中液晶在太赫兹波段的折射率逐渐变大，两束正交偏振光的相位差随液晶折射率变化而变化，实现可调谐偏振控制功能。

本发明的有益效果是：(1)采用了反射式结构来调节相位差。由于两束正交偏振光的相位差受到液晶厚度的影响，反射式结构比透射式结构在相同液晶厚度下调节范围更大。(2)采用金属栅起偏器使TM波和TE波分离，避免了由于液晶对两种偏振光吸收系数不同产生的误差，并采用增透膜结构，使两种偏振光振幅相近，实现对太赫兹波偏振态的连续调控。

本发明的优点是：采用反射式结构，扩展了太赫兹系统的应用范畴，并且具有消光比高，损耗小，结构简单，便于小型化和集成化的特点，满足太赫兹通信、光谱与成像系统的要求。

附图说明

图1是反射式太赫兹可调谐偏振控制器装置的二维示意图；

图2是电极施加不同电压时液晶双折射的变化曲线；

图3(a)是金属栅起偏特性与金属栅厚度的关系曲线；

图3(b)是金属栅起偏特性与金属栅占空比的关系曲线；

图4是TM波反射率随液晶折射率的变化曲线；

图5(a)TE和TM波相位差随折射率变化曲线；

图5(b)TE和TM波相位差随电压变化曲线；

图中：金属栅起偏器1、增透膜2、正负电极3、金属反射镜4、液晶5、宽带太赫兹波源6。

具体实施方式

本发明的工作过程由工作在1THz附近的反射式太赫兹可调谐偏振控制器实例说明：

金属栅起偏器间距10μm，占空比0.3，厚度4μm，器件整体尺寸3mm×2mm，高1mm。由光电导天线发出的太赫兹信号入射到金属栅起偏器上，如图1，TE波反射，TM波透射，透射偏振消光比22.86dB。当电极电压低于阈值电压3.75V时，器件中液晶指向平行于金属栅起偏器。此时，液晶在太赫兹波段的折射率为1.62，TM波和TE波相位差为-242.6865°。当电极施加电压时，器件中的液晶指向向垂直于金属栅起偏器方向转动。液晶的折射率可由以下公式得出：其中n_e＝1.79，n₀＝1.62，n_z即为实际折射率。因此，随着电压增大，液晶折射率增大，TM和TE波的相位差随着TM波在器件中光程的变化而变化。当电压达到80V时，液晶指向与金属栅起偏器夹角达到90度，同时液晶的折射率为1.79，TM波和TE波的相位差达到116.1389°。同时，在液晶折射率变化范围内，TM波的反射率接近100％，意味着在器件的前表面TE波与TM波的振幅近似相等，如图4所示。这样，TE波和TM波的相位差从-242.6865°变化到116.1389°，如图5(a)和5(b)所示，变化范围358.8254°，并且振幅相同，显示了器件良好的偏振控制功能。因此，此太赫兹可调谐偏振控制器可以实现相位差从0°到360°的连续调谐，其调谐范围0～2π。并且由于采用了反射式结构，弥补了该类器件不能应用于反射式太赫兹光谱与成像系统的不足。