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[2015][note]基于薄向列液晶层的可调谐THz fishnet超材料快速开关——

前言

类型
太赫兹 + 超材料 太赫兹 + 超材料 太赫兹+超材料
期刊
S C I E N T I F I C    R E P O R T S SCIENTIFIC \; REPORTS SCIENTIFICREPORTS
作者
D i m i t r i o s C . Z o g r a f o p o u l o s , R o m e o B e c c h e r e l l i Dimitrios C. Zografopoulos,Romeo Beccherelli DimitriosC.Zografopoulos,RomeoBeccherelli
时间
2015 2015 2015


目录

    • 前言
    • 研究目的
      • 动态调制的方法——向列相液晶
    • 研究方法
    • LC-THz-超材料
      • LC材料
      • 两种极限情况的开关分析
    • 动态控制LC-THz-fishnet超材料
    • 结论
    • 问题

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研究目的

超材料具有亚波长尺度的特征,人们可以设计它们的 介电常数和磁导率,可能产生负折射率、反平行相速度、亚波长聚焦相关现象

被用在光束控制、透镜、电磁波调制器、吸收器、化学生物传感器、电磁隐身等应用的核心元件

fishnet超材料结构:由两个相同的周期性互连金属片阵列之间形成的介电片腔组成

fishnet超材料优点:易于制造,可在宽光谱范围内扩展其性能?,这已经从微波到近红外NIR到可见光谱进行了证明

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动态调制的方法——向列相液晶

超材料作为THz科学功能组件的潜力,还需要一种动态调整其特性的方法,这是调制、开关、转向、过滤设备的一个关键方面

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nematic向列相液晶(LC)材料提供了一种很有前景的解决方案,因为它们长期以来一直被用作电场或光场驱动光子器件、fishnet超材料的有源元件

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基于LC的可调谐器件优点:

  • 大的固有各向异性
  • 大的固有电容性
  • 极低的功耗
  • 大的折射率调制
  • 大的偏振控制特性

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在THz光谱中,超材料共振结构与向列相材料的渗透提供了一个显著的优势,即由于LC层与共振电磁场的相互作用较大,因此LC层厚度减小到几微米

这些尺寸与光子学或显示行业中使用的标准LC技术兼容,它们消除了迄今为止THz相位调制器和滤波器中使用的较厚非谐振电池中可能出现的对准问题,需要较低的驱动电压,最重要的是,允许数量级更快的开关速度,因为向列相液晶盒的响应时间与其厚度的平方成比例

t o n ∝ t m 2 t_{on}\propto tm^2 tontm2

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研究方法

该论文研究了一种LC可调谐fishnet超材料,设计用于1MHz附近的工作。

电磁共振 ⟹ 产生负折射率材料 N I M 特性 电磁共振 \Longrightarrow 产生负折射率材料NIM特性 电磁共振产生负折射率材料NIM特性

金属层 ⟹ 用作控制电压的电极,来调节透射率、 有效介电常数、渗透能力 金属层 \Longrightarrow 用作控制电压的电极,来调节透射率、\\有效介电常数、渗透能力 金属层用作控制电压的电极,来调节透射率、有效介电常数、渗透能力

该论文利用有限元工具,对LC-THz-超材料的开关特性和电磁特性进行研究
——通过在THz下,切换有高各向异性的向列相混合物,超材料的磁共振可以在150GHz内调谐。该器件的设计使得超材料的电磁响应动力学比LC开关还快?

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LC-THz-超材料

在这里插入图片描述

fishnet周期结构是GOLD,金属层厚度 L m L_m Lm
晶格常数 L x = L y = 150 μ m L_x=L_y=150\mu m Lx=Ly=150μm,方形贴片尺寸 W W W,条纹宽 w w w

图案位于低损耗THz聚合物的无限基底上?(比如折射率 n p = 1.51842 n_p=1.51842 np=1.51842的Zeonor)

LC层厚度 L s L_s Ls通过在边缘放绝缘垫片来控制,垫片远离中心区域,就不会影响电磁特性

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GOLD的相对介电常数用Drude模型描述:

ε A u = 1 − ω p 2 ω 2 − j ω γ \varepsilon_{Au} = 1 - \frac{\omega_p^2}{ \omega^2 - j\omega \gamma } εAu=1ω2jωγωp2
其中 ω p = 1.37 × 1 0 16 s − 1 \omega_p=1.37\times 10^{16} s^{-1} ωp=1.37×1016s1为等离子体频率, γ = 4.05 × 1 0 13 s − 1 \gamma=4.05\times 10^{13}s^{-1} γ=4.05×1013s1为散射频率(吸收损耗的金属损耗因子)

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LC材料

LC材料是高 Δ \Delta Δ混合物

1 THz复合普通折射率 n o = 1.554 − j 0.018 n_o = 1.554 - j0.018 no=1.554j0.018
1 THz复合特殊折射率 n e = 1.941 − j 0.22 n_e=1.941 - j 0.22 ne=1.941j0.22

1.5kHz的介电常数 ε o = 4.7    ,    ε e = 21.7 \varepsilon_o = 4.7 \; , \; \varepsilon_e = 21.7 εo=4.7,εe=21.7

弹性常数 K 11 = 12.5 p N , K 22 = 7.4 p N , K 33 = 32.1 p N K_{11} = 12.5 pN, K_{22}=7.4pN, K_{33} = 32.1pN K11=12.5pN,K22=7.4pN,K33=32.1pN

旋转粘度 γ 1 = 311.55    m P a ⋅ s \gamma_1 = 311.55 \; m Pa \cdot s γ1=311.55mPas

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不施加电压时,LC分子沿X轴均匀对齐,由薄的对齐层推动,

这层薄层由摩擦聚合物形成(比如聚酰亚胺、光对准材料)

光对准材料:几个纳米的单分子层,不会影响器件的电磁特性

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在两个fishnet膜之间施加电压后,诱导LC分子重新定向,使得各向异性轴沿Z方向重新定向

局部分子取向通过单位矢量 n ⃗ \vec{n} n 描述,称为导向器

该论文定义了两种极限情况:

  1. LC分子无偏 n ⃗ ∣ ∣ x \vec{n}||x n ∣∣x
  2. 完全开关 n ⃗ ∣ ∣ z \vec{n}||z n ∣∣z

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两种极限情况的开关分析

下图是垂直撞击平面波,在 W = 110 μ m 和 W = 40 μ m W=110\mu m 和 W = 40\mu m W=110μmW=40μm两种极限开关情况下,计算的fishnet LC-THz-超材料的透射光谱、反射率、吸收光谱

对于偏振和LC方向,都可以观察到以约0.95THz为中心的宽带传输窗口

?这对应于通过fishnet金属结构之间形成的瑞士十字孔支持的电磁模式

在这里插入图片描述
吸收峰在高透过率窗口移动,说明存在共振电磁间隙等离子激元模式

该模式与超材料效应有关

  • 下图所示,在接近共振频率时,电磁场几乎完全限制在金属贴片之间,形成一个电流环,从而诱发磁共振

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下图是在z=0平面上计算出相应场廓线,在 0.95 T H z 0.95THz 0.95THz时电场局限于光阑中,类似 T E 10 TE_{10} TE10模式

由于瑞士十字的长度足以提供高透过率 T E 10 TE_{10} TE10模式被激发

尽管结构是对称的,但是由于LC材料的存在,一些情况下的电磁响应有一定程度的各向异性
在完全开关的情况下,响应是偏振无关的(因为平面波的两个偏振都感知普通的LC指数?)

在这里插入图片描述

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动态控制LC-THz-fishnet超材料

该论文利用Q张量公式,研究受限几何中的LC取向

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结论

理论上研究了向列相LC层增强太赫兹渔网超材料的可调谐特性

LC的电寻址可使其磁共振位移150GHz,并可调节超材料的性能 ⋯ \cdots

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问题

LC分子沿X轴均匀对齐是什么?怎么被对齐层推动的?

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