CN112099247A - 基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器及其滤波方法 - Google Patents

基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器及其滤波方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器及其滤波方法，该滤波器包括由圆柱型介质柱周期性晶格排列构成的二维光子晶体，二维光子晶体的中部贯穿设置有波导区，波导区的中间位置设置有点缺陷谐振腔，点缺陷谐振腔由点缺陷柱与圆柱型介质柱间隔排列构成，波导区的两端分别为太赫兹信号输入端和太赫兹信号输出端，控制激光沿着垂直于二维光子晶体平面的方向入射到点缺陷谐振腔和点缺陷柱上。该滤波器能够快速高效地调谐输出激光的频率，响应速度很快，线宽可以低至10GHz，太赫兹波透过率达到90％以上，该滤波方法采用光控的方法，改变光子晶体缺陷模的折射率，可以获得中心频率在1THz附近波长可调谐的双波长窄带滤波器。

Description

基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器 及其滤波方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器及其滤波方法，属于太赫兹波滤波器技术领域。
背景技术
太赫兹(THz，或者叫做T-射线)波是一种电磁辐射，其频率位于0.1THz(1THz＝1012Hz)到10THz之间，相对应的波长范围在3000μm到30μm之间。该范围的电磁波介于微波和红外光之间，由于缺少高效的太赫兹光源和探测器，使得太赫兹波段成为电磁波波谱中最后一个未被全面研究的频率范围，被称作“太赫兹空隙”。随着太赫兹辐射和探测方式的逐步成熟，太赫兹波的应用引起了广泛的关注并得到了较大的发展。太赫兹技术可以应用在基础物理科学和材料科学、宇宙学和射电天文学、生物医学、高速通信、高分辨率成像、安全监测、大气遥感、等离子体融合诊断和加热、军事等领域等。除了太赫兹源和探测器之外，太赫兹技术的发展还需要器件对太赫兹波进行传导以及操控。因此，需要使用高性能的太赫兹器件，包括频率滤波器、吸收器、分束器以及偏振器等。
太赫兹波滤波器是一种关键的太赫兹波功能器件，并且随着太赫兹技术的发展，太赫兹滤波器的研究已成为焦点。高分辨率太赫兹波成像***需要高效的窄带太赫兹波滤波器，因为如果使用高质量滤波器可以显著降低噪声带宽，可以增加现有太赫兹波探测器的动态范围，从而提高提高成像质量。随着无线移动通信逐渐向着移动化、高速传播以及超宽带传输方向发展，对无线通信***的带宽需求也在迅速增加，未来无线通信的主要发展方向之一是对太赫兹波频带的拓展；带宽的需求越大，则对载波频率的要求也就越高，太赫兹波能够使得无线通信领域能够使用的网络频带得到展宽，为未来的高速无线移动网络的实现奠定基础。在未来的太赫兹波无线通信***中，随着无线传输速率的迅速增加，太赫兹波滤波器是太赫兹波通信***的关键功能器件之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题，就是针对当前太赫兹波在无线通信***、成像***、雷达以及国防安全等领域对双波长窄带滤波器的应用需求，而提供一种基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器及其滤波方法，该滤波器能够快速高效地调谐输出激光的频率，且响应速度很快，该滤波器的线宽可以低至10GHz，太赫兹波透过率达到90％以上，该滤波方法采用光控的方法，改变光子晶体缺陷模的折射率，可以获得中心频率在1THz附近波长可调谐的双波长窄带滤波器，并且能够大大降低滤波器的***损耗。
本方案是通过如下技术措施来实现的：该基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器包括由圆柱型介质柱周期性晶格排列构成的二维光子晶体，所述二维光子晶体的中部贯穿设置有波导区，所述波导区的中间位置设置有点缺陷谐振腔，所述点缺陷谐振腔由点缺陷柱与圆柱型介质柱间隔排列构成，所述波导区的两端分别为太赫兹信号输入端和太赫兹信号输出端，太赫兹波从太赫兹信号输入端输入，依次经过波导区、点缺陷谐振腔、波导区后，由太赫兹信号输出端输出；控制激光沿着垂直于二维光子晶体平面的方向入射到点缺陷谐振腔和点缺陷柱上。
优选的，所述圆柱型介质柱为高阻硅介质柱。
优选的，所述二维光子晶体的晶格常数为100μm，所述高阻硅介质柱在太赫兹波段的折射率为3.42，所述高阻硅介质柱的半径为15-20μm、长度为1.6-1.8mm。
优选的，所述点缺陷柱的半径为15-20μm、长度为1.6-1.8mm。
优选的，所述点缺陷柱中填充有液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物。
优选的，所述液晶材料为E7液晶。
优选的，所述太赫兹波为中心频率为0.8-1.2THz的宽带太赫兹波，所述太赫兹波为连续太赫兹波或脉冲太赫兹波。
优选的，所述控制激光为线偏振泵浦光，所述控制激光的波长为365nm-422nm，所述控制激光的入射强度为>0.7mW/cm2，所述控制激光由连续激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器提供。
优选的，所述二维光子晶体为长方形、正方形、圆型或多边形结构。
本发明还提供了一种基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的滤波方法，它包括具有至少一种上述技术特征的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，所述滤波器利用点缺陷谐振腔6中谐振频率的动态变化来实现滤波功能；通过改变控制激光的偏振方向，使得在点缺陷柱中填充的液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物的折射率快速改变，进一步改变由点和线缺陷构成的谐振腔的频率，最终控制滤波器的滤波频率。
本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器可同时实现1THz附近的两个波长太赫兹波滤波，该滤波器在二维周期性晶格硅介质柱型二维光子晶体中，将线缺陷波导区和点缺陷谐振腔相结合，其中波导区提供太赫兹波在二维光子晶体中的有效传输路径，使用线性偏振激光填充有液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物的点缺陷谐振腔，从而能够快速高效地调谐输出激光的频率。该滤波器的响应速度很快，在纳秒量级，且滤波器的线宽可以低至10GHz，太赫兹波透过率达到90％以上，该滤波器的结构紧凑，尺寸小，体积小，便于制作，可以满足在太赫兹波成像、医学诊断、太赫兹波通信***等领域应用的需求。该滤波器可灵活改变二维晶体的各种参数、点缺陷填充偶氮苯和液晶的种类和尺寸以及波导区的分布等，可以设计其工作波长、双波长调谐范围等性能。该滤波方法在获得较低传输损耗和较窄滤波线宽的同时，又可以通过改变外加激光的偏振方向，以便获得多个频段的滤波特性，为太赫兹成像***以及无线通信***提供了重要的指导意义。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1是本发明中基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的立体结构示意图；
图2是本发明中基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的俯视结构示意图；
图3是本发明中基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的太赫兹信号输出端的输出功率图；
图4是本发明中基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的稳态场强分布图。
图5是本发明中基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的稳态场强分布图。
图中，1-二维光子晶体；2-太赫兹信号输入端；3-太赫兹信号输出端；4-波导区；5-点缺陷柱；6-点缺陷谐振腔；7-圆柱型介质柱。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，如图所示，它包括由圆柱型介质柱7周期性晶格排列构成的二维光子晶体1，所述二维光子晶体1的晶格常数为100μm，所述二维光子晶体1沿着y-z平面呈长方形、正方形、圆型或多边形结构，例如，所述二维光子晶体1为15mm×11mm的长方形结构。所述圆柱型介质柱7为高阻硅介质柱，高阻硅在太赫兹频率范围内具有极低的损耗。所述高阻硅介质柱在太赫兹波段的折射率为3.42，各个高阻硅介质柱的尺寸相同，所述高阻硅介质柱的半径为15-20μm、长度为1.6-1.8mm，优选高阻硅介质柱的长度为1.7mm。所述二维光子晶体1的中部贯穿设置有波导区4，所述的波导区4是由二维光子晶体1中间引入的线缺陷构成，即在所述波导区4的中间位置设置有点缺陷谐振腔6，所述点缺陷谐振腔6由点缺陷柱5与圆柱型介质柱7间隔排列构成，优选所述点缺陷谐振腔6由两个点缺陷柱5和三个圆柱型介质柱7间隔排列构成，所述点缺陷柱5的半径为15-20μm、长度为1.6-1.8mm，优选点缺陷柱5的长度为1.7mm，所述点缺陷柱5中填充有液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物，这两种材料易于取得且具有高介电常数，有利于实现太赫兹波与点缺陷谐振腔6之间的耦合。优选所述液晶材料为E7液晶，该E7液晶在太赫兹波段具有小的损耗(κ<0.05)。
所述波导区4的两端分别为太赫兹信号输入端2和太赫兹信号输出端3，所述太赫兹波为中心频率为0.8-1.2THz的宽带太赫兹波，优选太赫兹波为中心频率为1THz的宽带太赫兹波，所述太赫兹波为连续太赫兹波或脉冲太赫兹波，所述太赫兹波由光学方法产生，包括差频产生太赫兹波、太赫兹参量振荡产生以及光整流等方法。太赫兹波从太赫兹信号输入端2输入，依次经过波导区4、点缺陷谐振腔6、波导区4滤波后，由太赫兹信号输出端3输出；控制激光沿着垂直于二维光子晶体1平面(y-z平面)的方向(与x轴平行的方向)入射到点缺陷谐振腔6和点缺陷柱5上，所述控制激光为线偏振泵浦光，所述控制激光的波长为365nm-422nm，所述控制激光的入射强度为>0.7mW/cm2，所述控制激光由连续激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器提供。
本发明还提供了一种基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的滤波方法，它包括具有至少一种上述技术特征的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，所述滤波器利用点缺陷谐振腔6中谐振频率的动态变化来实现滤波功能；通过改变控制激光的偏振方向，使得在点缺陷柱5中填充的液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物的折射率快速改变，进一步改变由点和线缺陷构成的谐振腔的频率，最终控制滤波器的滤波频率。
下面以具体实施例来说明本发明中的滤波方法：
二维光子晶体1的晶格常数为100μm，高阻硅介质柱的半径是20μm，高阻硅介质柱的折射率为3.42。高阻硅介质柱和点缺陷柱5的长度1.7mm。点缺陷柱5的填充材料是掺有少量偶氮苯材料的E7液晶，E7液晶在太赫兹波段具有小的损耗(κ<0.05)，点缺陷柱5的半径分别选择15μm和20μm。选择使用波长分别为365nm和422nm的线偏振泵浦光照射点缺陷谐振腔6和点缺陷柱5，线偏振泵浦光的入射强度为>0.7mW/cm2，改变控制激光(线偏振泵浦光)的偏振方向，由于偶氮苯材料的顺-反异构过程，则E7液晶的折射率会在1.57和1.75之间变化，从而改变谐振腔的频率，进一步使得滤波器输出不同频率的太赫兹波。该滤波方法中，使用一定强度的控制激光的辐照，偶氮苯分子的顺-反异构化反应的响应时间在纳秒量级(约为200ns)，远小于一般液晶盒中电场的响应速度。通过使用不同的激光照射，得到如图3所示的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的太赫兹信号输出端的输出功率图，由图3所知，当两个点缺陷柱5的半径为20μm时，使用不同的线偏振泵浦光照射，得到的双波长调谐范围分别是1.0095THz-1.0365THz和1.0565THz-1.0845THz。当两个点缺陷柱5的半径设置为15μm时，使用不同的线偏振泵浦光照射，得到的双波长调谐范围分别是1.0445THz-1.0654THz和1.0945THz-1.1135THz。该基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的滤波线宽为10GHz，透过率达到90％以上。
图4和图5分别为太赫兹频率为1.0445THz和1.0945THz时本发明滤波器的稳态场强分布图，从结果可以看出，这两个太赫兹频率能够沿着点缺陷谐振腔6低功率损耗以及高透过率的传输。
本发明中，放弃了现有技术中采用金属材料设计光子晶体柱的传统方案，巧妙的选择高阻硅和掺有少量偶氮苯材料的液晶点缺陷相结合的方式设计光控双波长太赫兹波窄带滤波器，在获得较低传输损耗和较窄滤波线宽的同时，又可以通过改变外加控制激光的偏振方向，以便获得多个频段的滤波特性，为太赫兹成像***以及无线通信***提供了重要的指导意义。
本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：它包括由圆柱型介质柱周期性晶格排列构成的二维光子晶体，所述二维光子晶体的中部贯穿设置有波导区，所述波导区的中间位置设置有点缺陷谐振腔，所述点缺陷谐振腔由点缺陷柱与圆柱型介质柱间隔排列构成，所述波导区的两端分别为太赫兹信号输入端和太赫兹信号输出端，太赫兹波从太赫兹信号输入端输入，依次经过波导区、点缺陷谐振腔、波导区后，由太赫兹信号输出端输出；控制激光沿着垂直于二维光子晶体平面的方向入射到点缺陷谐振腔和点缺陷柱上。
2.根据权利要求1所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述圆柱型介质柱为高阻硅介质柱。
3.根据权利要求1或2所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述二维光子晶体的晶格常数为100μm，所述高阻硅介质柱在太赫兹波段的折射率为3.42，所述高阻硅介质柱的半径为15-20μm、长度为1.6-1.8mm。
4.根据权利要求3所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述点缺陷柱的半径为15-20μm、长度为1.6-1.8mm。
5.根据权利要求4所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述点缺陷柱中填充有液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物。
6.根据权利要求5所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述液晶材料为E7液晶。
7.根据权利要求6所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述太赫兹波为中心频率为0.8-1.2THz的宽带太赫兹波，所述太赫兹波为连续太赫兹波或脉冲太赫兹波。
8.根据权利要求7所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述控制激光为线偏振泵浦光，所述控制激光的波长为365nm-422nm，所述控制激光的入射强度为>0.7mW/cm2，所述控制激光由连续激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或飞秒脉冲激光器提供。
9.根据权利要求8所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，其特征是：所述二维光子晶体为长方形、正方形、圆型或多边形结构。
10.基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器的滤波方法，其特征是：它包括权利要求1-9任一权利要求所述的基于偶氮苯掺杂液晶材料的光控双波长太赫兹波窄带滤波器，所述滤波器利用点缺陷谐振腔6中谐振频率的动态变化来实现滤波功能；通过改变控制激光的偏振方向，使得在点缺陷柱中填充的液晶材料与少量偶氮苯材料的混合物的折射率快速改变，进一步改变由点和线缺陷构成的谐振腔的频率，最终控制滤波器的滤波频率。
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