Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów w technologii terahercowej

Transkrypt

1 Bi u l e t y n WAT Vo l. LXII, Nr 1, 2013 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów w technologii terahercowej Urszula Chodorow 1, Janusz Parka 1,2 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Zakład Fizyki Technicznej, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, uchodorow@wat.edu.pl 2 Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Warszawa, Pl. Politechniki 1, jparka@wat.edu.pl Streszczenie. Prace nad technologią terahercową (THz) prowadzone są już od przeszło trzech dekad, podczas gdy badania nad wykorzystaniem ciekłych kryształów (CK) w zakresie THz trwają dopiero od dekady. W artykule przedstawione zostały wyniki pomiarów spektralnych CK w obszarze THz. Opisano wybrane właściwości komercyjnie dostępnego związku CK o symbolu 5CB oraz dwóch mieszanin CK o nazwach 1832B i Korzystając z dostępnej literatury, zostało wybranych i omówionych kilka urządzeń modulujących promieniowanie THz, w których jako elementy przestrajalne wykorzystane zostały ciekłe kryształy. Słowa kluczowe: technologia terahercowa, ciekłe kryształy, promieniowanie THz 1. Wstęp Ciekłe kryształy ze względu na dużą wartość anizotropii optycznej i łatwość jej zmiany [1] są powszechnie wykorzystywane do konstruowania urządzeń modulujących promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. W licznych pracach [2, 3, 4] wykazano, że ciekłe kryształy także w zakresie THz charakteryzują się dużą anizotropią dielektryczną, co czyni je dobrym materiałem do budowania urządzeń pracujących w tym obszarze częstotliwości. Promieniowanie THz z łatwością przechodzi przez m.in. ubrania, papier, drewno, cement, tworzywa sztuczne czy też materiały ceramiczne, nie może jedynie przechodzić przez metal i jest silnie absorbowane przez wodę [5]. Potencjalne zastosowania obszaru THz obejmują: wykrywanie broni oraz nielegalnych substancji chemicznych i biologicznych,

2 14 U. Chodorow, J. Parka obrazowanie medyczne, wykrywanie raka nabłonka (z uwagi na niejonizujący charakter promieniowania terahercowego jest ono bezpieczniejsze dla zdrowia niż X-ray), kontrolowanie procesów produkcyjnych oraz jakości wyprodukowanych materiałów, badanie składu chemicznego wyprodukowanych leków i wiele innych. W związku z tak licznymi zastosowaniami występuje coraz większe zapotrzebowanie na urządzenia pracujące w zakresie THz [6], np. przesuwniki fazowe przestrajalne elektrycznie [7] bądź magnetycznie [8], modulatory [9], filtry [10, 11] itp. Szczególnie połączenie układów zintegrowanych, coraz większej miniaturyzacji urządzeń, zmniejszenie kosztów produkcji przestrajalnych przesuwników fazowych, diod, filtrów itd. może w przyszłości zaowocować nowymi komercyjnymi zastosowaniami ciekłych kryształów, także poza optyką [7]. W dalszej części pracy zostaną omówione własności nematycznych ciekłych kryształów (NCK) oraz urządzenia ciekłokrystaliczne pracujące w zakresie terahercowym. 2. Własności ciekłych kryształów w zakresie THz, wyniki pomiarów Ciekłe kryształy mają własności pośrednie między fazą ciekłą i fazą stałą. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech CK jest ich anizotropia właściwości fizycznych. Ciekłe kryształy charakteryzują się dobrą przenikalnością dla promieniowania elektromagnetycznego oraz dużą dwójłomnością, która pozwala na modulację przechodzących fal. Ciekłe kryształy mogą mieć dodatnią i ujemną anizotropię dielektryczną, co skutkuje odmienną reakcją na przyłożone pole elektryczne, za pomocą którego można porządkować warstwy CK. Przy dodatniej anizotropii dielektrycznej długie osie molekuł CK układają się wzdłuż linii sił pola elektrycznego, przy ujemnej prostopadle do linii sił pola. Niektóre nematyczne ciekłe kryształy mogą posiadać zarówno dodatnią, jak i ujemną anizotropię dielektryczną w zależności od częstotliwości przyłożonego napięcia, nazywa się je dwuczęstotliwościowymi CK lub CK z podwójnym adresowaniem. W celu określenia właściwości optycznych charakteryzujących ciekłe kryształy w zakresie THz badane są one m.in. przy zastosowaniu terahercowej spektroskopii w dziedzinie czasu (TDS, z ang. Time-Domain Spectroscopy). Dzięki tym pomiarom można wyznaczyć takie parametry jak transmitancję, absorbancję, współczynniki załamania i absorpcji oraz dwójłomność. Współczynniki załamania n i absorpcji α można opisać za pomocą wzorów (1) i (2). 1 n =, 2 kd (1)

3 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów nk ( ) ( ) + 2 E 4 0( k) n 0 = Re log10 log10, 2 d Ek ( ) ( nk n0 ) (2) gdzie: k liczba falowa w cm 1 ; d grubość warstwy CK; φ faza transmisji; E 0, E pola elektryczne fali po przejściu przez odniesienie i komórkę z CK; n 0 współczynnik załamania odniesienia. Z powyższych wzorów można obliczyć współczynniki zwyczajne (o) i nadzwyczajne (e), które otrzymuje się, gdy kierunek polaryzacji fali przechodzącej przez CK jest odpowiednio prostopadły i równoległy do długich osi molekuł CK. Pierwsze próby określenia właściwości CK w zakresie THz o nazwie PCH5 podjął Turchinovich [6]. Kilka prac zostało opublikowanych przez zespół Pana [1, 2] i Kocha [12, 13], gdzie opisali oni wyniki badań ciekłych kryształów z grupy homologicznej ncb (n = 5, 6, 7, 8). Ciekłe kryształy 5CB i 7CB są jednymi z pierwszych komercyjnie zbadanych nematycznych materiałów w zakresie THz. Jednak dane eksperymentalne pochodzące z różnych źródeł literaturowych wykazują pewne niejednoznaczności [1, 2, 12, 13], co wynika z trudności metody pomiarowej. Powodem tej sytuacji jest konstrukcja samej komórki z ciekłym kryształem, który umieszczany jest najczęściej pomiędzy dwiema płytkami z kwarcu, wobec czego współczynnik załamania zmienia się na każdej warstwie. Prowadzi to do efektu interferencyjnego (Fabry ego-perota), co w wielu przypadkach utrudnia analizę danych. Także grubość warstwy CK i płytek nie może być zbyt mała, gdyż odbicia na kolejnych warstwach zakłócają pomiar. Z drugiej strony, czym grubsza warstwa CK, tym trudniej jest go uporządkować. Na rysunku 1 pokazane zostały wyniki pomiarów uzyskane dla związku CK 5CB przez zespół Kocha [13]. Rysunek przedstawia współczynniki załamania i absorpcji w funkcji częstotliwości w zakresie 0,2-2,5 THz dla promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego. Współczynniki załamania maleją, podczas gdy współczynniki absorpcji wzrastają wraz ze wzrostem częstotliwości. Współczynnik absorpcji dla promienia zwyczajnego α o przyjmuje większe wartości niż dla promienia nadzwyczajnego α e. Może to wynikać z silnego torsyjnego pasma absorpcji wzbudzanego przez promienie zwyczajne. Nadzwyczajny współczynnik załamania n e maleje od 1,70 do 1,69, zwyczajny współczynnik załamania n o maleje od 1,60 do 1,57 odpowiednio dla 0,5 THz i 2 THz. Dwójłomność wzrasta od n = 0,10 dla 0,5 THz do 0,12 dla 2 THz. Współczynnik absorpcji α o wzrasta w zakresie 0,5-2 THz od 6,4 cm 1 do 27,9 cm 1, podczas gdy α e wzrasta tylko od 3,0 cm 1 do 13,1 cm 1. Użyte do pomiarów komórki składały się z dwóch płytek kwarcowych o grubości d = 700 μm każda. Płytki zostały rozseparowane za pomocą drutów miedzianych

4 16 U. Chodorow, J. Parka Rys. 1. a) Wartości współczynników załamania; b) współczynników absorpcji dla promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego [13] o średnicy l = 1,3 mm. Druty jednocześnie stanowiły elektrody, do których przykładano pole elektryczne E = 40 kv/m w celu homogenicznego uporządkowania warstwy CK. Na rysunku 2c przedstawiono schemat użytej komórki wraz z kierunkiem propagacji linowo spolaryzowanej fali THz oraz kierunkiem ustawienia molekuł CK. Rys. 2. Konstrukcja komórek używanych w pomiarach THz: a), c) homogeniczne; b) homeotropowe uporządkowanie CK W pracy przedstawione zostały także wyniki własnych pomiarów dwóch NCK: dwuczęstotliwościowego o symbolu 1832B [14] i wykazującego dużą dwójłomność w zakresie widzialnym o symbolu 1825 [15, 16]. Badania zostały wykonane przy użyciu spektrometru TDS firmy Teraview w zakresie 0,3-3 THz, znajdującego się w Instytucie Optoelektroniki WAT. Zbadane mieszaniny ciekłokrystaliczne zsyntetyzowane zostały w Instytucie Chemii WAT. Komórki użyte do pomiarów w przypadku mieszaniny 1832B składały się z dwóch płytek krzemowych o grubości d = 1 mm rozseparowanych na odległość l = 0,5 mm (rys. 2a, b). Wewnętrzne strony płytek pokryte zostały polimidem i rubbingowane. Homogeniczne ułożenie

5 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów molekuł CK uzyskano, przykładając między płytkami pole elektryczne E = 40 kv/m o częstotliwości 1 MHz (rys. 2a). Homeotropowe ułożenie CK otrzymano poprzez zmianę częstotliwości przykładanego pola elektrycznego na 1 khz (rys. 2b). Komórki w przypadku mieszaniny CK 1825 składały się z dwóch płytek kwarcowych o grubości d = 1,5 mm rozseparowanych za pomocą drutów miedzianych, będących jednocześnie elektrodami o średnicy l = 0,5 mm (rys. 2c). Odległość między drutami wynosiła 13 mm. Homogeniczne uporządkowanie CK uzyskano za pomocą pola elektrycznego E = 30 kv/m o częstotliwości 1 khz. Na rysunku 3 zostały pokazane współczynniki załamania i absorpcji dla promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego dwóch zbadanych mieszanin CK. Rys. 3. Współczynniki załamania i absorpcji mieszanin 1832B i 1825 (o promień zwyczajny, e promień nadzwyczajny) [15] W przypadku mieszaniny CK 1832B zwyczajne współczynniki załamania (rys. 3a) przyjmują przybliżone wartości zarówno dla ustawienia direktora równolegle (rys. 2b) jak i prostopadle (rys. 2a) do kierunku propagacji fali THz (w obu przypadkach direktor był prostopadły do kierunku polaryzacji fali). Inaczej jest w przypadku współczynników absorpcji (rys. 3b). Wynika z tego, że kierunek

6 18 U. Chodorow, J. Parka propagacji fali THz w stosunku do ustawienia długich osi molekuł CK ma istotny wpływ na wartość absorpcji. Dla promienia zwyczajnego większą przepuszczalność promieniowania uzyskuje się dla ustawienia długich osi molekuł wzdłuż kierunku propagacji fali (rys. 2b). Współczynniki absorpcji dla promienia nadzwyczajnego przyjmują mniejsze wartości niż dla promienia zwyczajnego w obu przypadkach ustawienia molekuł w stosunku do kierunku fali THz. Dwójłomność zmienia się w granicach n = 0,14-0,22 w zakresie 0,3-3 THz. Dwójłomność mieszaniny CK 1825 zmienia się w granicach n = 0,32-0,37 w zakresie częstotliwości 0,3-3 THz. Dwójłomność związku 5CB jest w przybliżeniu trzykrotnie mniejsza. Współczynnik absorpcji (rys. 3d) powyżej 0,7 THz dla promienia nadzwyczajnego przyjmuje większe wartości niż dla zwyczajnego, odwrotnie niż w przypadku materiałów CK o symbolach 1832B i 5CB. 3. Przesuwniki fazowe przestrajalne elektrycznie 3.1. Przesuwnik fazy wykorzystujący NCK W wyniku występowania zjawiska anizotropii optycznej w CK, jednym z wielu zastosowań ciekłych kryształów jest możliwość przestrajania ich dwójłomności, co pozwala na zmiany przesunięcia fazowego fali elektromagnetycznej. W artykule [17] opisano elektrycznie przestrajalny przesuwnik fazowy z przesunięciem fazy o 4,07 stopnia w komórce CK o grubości 38,6 μm dla 1,07 THz. W pracy [18] uzyskano przesunięcie fazy o 90 stopni dla 1 THz w komórce CK o grubości 570 μm. W artykule [19] opisano elektrycznie sterowany ciekłokrystaliczny przesuwnik fazowy na zakres THz. Zademonstrowano przestrojenie fazy do 360 stopni dla 1 THz, używając elektrycznie sterowanej dwójłomności w komórce z homeotropowo uporządkowaną warstwą NCK (E7) o grubości 1,83 mm. Komórka złożona była z dwóch płytek ze szkła kwarcowego, druty miedziane wykorzystano jako dystansowniki i elektrody. Druty umieszczono równolegle względem siebie w odległości 11,0 ± 0,3 mm. Wewnętrzne strony płytek pokryte zostały warstwą porządkującą ciekły kryształ homeotropowo. Zgodnie ze wzorem (3) wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta przesunięcie fazowe, co także potwierdza eksperyment (rys. 4). d 2 f ( E) = neff ( E, z) dz, c 0 (3) gdzie: δ przesunięcie fazowe; f częstotliwość fali THz; n eff zmiana efektywnej dwójłomności.

7 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów Dla częstotliwości 1 THz uzyskano przesunięcie fazy powyżej 2π przy napięciu sterowania 100 V. Z wyliczeń teoretycznych wyniosło ono 376 stopni. Teoretycznie otrzymane wartości zgadzają się z danymi eksperymentalnymi. Chociaż sterowany elektrycznie terahercowy ciekłokrystaliczny przesuwnik fazy ma wiele zalet, trzeba podkreślić, że trudno jest dostroić dokładne przesunięcie fazowe. Co więcej, z powodu stosunkowo grubej warstwy CK, odpowiedź urządzenia jest powolna. Jest to powód, dla którego opisany przesuwnik nie jest odpowiedni do zastosowań wymagających szybkiej modulacji, za to może być przydatny do przyrządów, które wymagają stałego przesunięcia fazy ze sporadycznym dostrajaniem. Rys. 4. Przesunięcie fazy jako funkcja przykładanego napięcia dla czterech częstotliwości. Linia ciągła oznacza teoretyczne przewidywania przesunięcia fazy [19] 3.2. Filtr wykorzystujący NCK sterowany dwiema częstotliwościami W pracy [11] przedstawiono przestrajalny filtr THz oparty o dwuczęstotliwościowy CK (DFSW-LCs, z ang. Dual-Frequency Switching Liquid Crystals). Wykorzystanie dwóch częstotliwości do sterowania anizotropią ciekłych kryształów daje możliwość znacznie szybszej zmiany stanu niż w przypadku innych technik. Dzieje się tak, ponieważ zmiana jednego stanu w drugi jest zawsze wymuszana przez pole elektryczne, a nie przez samoistne reorganizowanie się molekuł. Podstawą działania opisanego filtru jest zmiana wartości przenikalności elektrycznej CK w zależności od częstotliwości napięcia sterującego. Zmieniając częstotliwość, zmienia się kierunek direktora w CK ze względu na różne częstotliwości relaksacji wzdłuż długich i krótkich osi molekuł CK. Dla niskich częstotliwości długie osie molekuł układają się wzdłuż linii sił pola elektrycznego. Przy wysokich częstotliwościach direktor CK ustawia się prostopadle

8 20 U. Chodorow, J. Parka do linii sił pola elektrycznego. Takie rozwiązanie jest korzystne, ponieważ po pierwsze eliminuje konieczność stosowania dwóch zewnętrznych źródeł, co ułatwia realizację układu pomiarowego. Po drugie zmniejsza się złożoność struktury filtru, co upraszcza proces produkcji i umożliwia wygodną obsługę. Filtr bazuje na efekcie Fabry ego-perota (FP) w szczelinie utworzonej przez dwie metalowe struktury grzebieniowe ze złota znajdujące się na górze i na dole dwóch płytek kwarcowych (rys. 5). Zęby grzebienia zorientowane są równolegle do pola elektrycznego padającej fali THz i działają jak silnie odbijające lustro dla sygnału THz. Szerokość poszczególnych zębów wynosi 300 µm, a odstępy między nimi 100 µm. Efektywny wymiar poprzeczny filtru, tj. obszar, gdzie górne i dolne zęby struktury grzebieniowej pokrywają się, wynosi 35 mm 40 mm. Warstwa CK pomiędzy płytkami kwarcowymi ma grubość 100 µm. W celu zapewnienia stałej grubości komórki zastosowano mikrokapsułki polimerowe, które z uwagi na nieznaczne rozmiary w porównaniu z dużym wymiarem poprzecznym filtru mają znikomy wpływ na jego właściwości. Uzyskanie dużej wartości przestrajalności związanej ze zmianą przenikalności elektrycznych wymaga jednorodnej orientacji molekuł ciekłego kryształu. Z wyników symulacji opisanych w pracy [7] wynika, że większą jednorodność uzyskuje się dla komórek z kontaktami na zewnątrz płytek niż z bezpośrednio przylegającymi do CK. Homogeniczne i homeotropowe uporządkowanie warstwy CK uzyskano, stosując napięcie U = 30 V pp o częstotliwości odpowiednio 1 khz i 40 khz. Rys. 5. Schematyczne przedstawienie struktury filtru [11] Na rysunku 6 zostało przedstawione widmo transmisji filtru DFSW-LCs. Homogeniczna orientacja CK wprowadza mniejsze straty i wyższą przenikalność elektryczną. Dla homeotropowej orientacji CK występują znacznie wyższe straty dielektryczne, w przybliżeniu dwukrotnie większe niż w przypadku orientacji homogenicznej. Osiągnięcie zakresu strojenia równego 16 GHz odpowiada dwójłomności n r, r, = 0,08. Uzyskane przenikalności elektryczne dla 0,45 THz

9 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów Rys. 6. Zarejestrowane widma filtru DFSW-LCs dla dwóch orientacji direktora LC [11] wyniosły odpowiednio r, = 2,60 i r, = 2,35. Duże straty w filtrze występują głównie ze względu na duży tangens strat CK. Dane uzyskane z pomiarów pokazują, że charakterystyczne cechy ciekłych kryształów są obiecujące pod względem możliwości konstruowania przestrajalnych urządzeń terahercowych. Zaprezentowany przestrajalny filtr terahercowy, którego konstrukcja bazuje na ciekłym krysztale z podwójnym adresowaniem, posiada dosyć wysokie tłumienie i relatywnie mały zakres przestrajania. Jednak mieszaniny ciekłokrystaliczne są ciągle udoskonalane pod kątem obniżenia wartości tangensa strat i zwiększenia anizotropii przenikalności elektrycznych, co w przyszłości zwiększy wydajność filtrów prowadzącą do wzrostu ich przydatności w zakresie THz. 4. Fazowa ciekłokrystaliczna siatka dyfrakcyjna sterowana elektrycznie Periodyczne struktury, takie jak siatki dyfrakcyjne, są szeroko stosowane w różnych urządzeniach, np. sprzęgacze i filtry [20, 21]. Potencjalna funkcjonalność ciekłokrystalicznych siatek dyfrakcyjnych jest badana już od prawie dwóch dekad [22]. W artykule [23] zademonstrowano elektrycznie kontrolowaną fazową siatkę dyfrakcyjną dla fal THz, w której elementem przestrajalnym jest NCK. Wydajność tego urządzenia wykazuje dobrą zgodność z przewidywaniami teoretycznymi. Prezentowane urządzenie zostało zaprojektowane jako binarna fazowa siatka dyfrakcyjna. Składa się z naprzemiennie ułożonych materiałów o różnym współczynniku załamania. Na rysunku 7 został przedstawiony schemat siatki dyfrakcyjnej. Padające

10 22 U. Chodorow, J. Parka Rys. 7. Schemat elektrycznie kontrolowanej terahercowej fazowej siatki dyfrakcyjnej: P polaryzator; V p napięcie progowe [23] fale z zakresu THz są liniowo spolaryzowane w kierunku osi y. Orientacja molekuł CK jest pokazana dla dwóch możliwych konfiguracji: homogenicznej i homeotropowej. Urządzenie zostało tak zaprojektowane, aby wydajność dyfrakcji zerowego rzędu była największa w paśmie wokół 0,3-0,5 THz. Równoległe rowki o szerokości l = 1 mm, głębokości d = 2,5 mm i periodzie równym 2 mm zostały wykonane przez naniesienie tlenku indowo-cynowego (ITO) powlekającego płytki kwarcowe ze współczynnikiem załamania n = 1,95 w obszarze sub-thz częstotliwości (0,2-0,8 THz). Powierzchnię płytek kwarcowych pokryto polimidem (PI, SE 130B, Nissan) i rubbingowano w celu homogenicznego uporządkowania warstwy CK. Rowki wypełniano w temperaturze pokojowej nematycznym CK (E7, Merck). Ze względu na dodatnią anizotropię dielektryczną, długie osie molekuł materiału CK o nazwie E7 mają tendencję do równoległego ustawienia do kierunku zastosowanego pola elektrycznego. Efektywny współczynnik załamania (n eff ) E7 może być przestrajany od wartości n o = 1,58 dla fali zwyczajnej do wartości n e = 1,71 dla fali nadzwyczajnej poprzez zmianę napięcia. Jako punkt odniesienia przygotowywany został układ złożony ze stosu płytek kwarcowych z powłoką ITO o identycznym wymiarze siatki. Wydajność dyfrakcji η jest określona przez stosunek natężenia wiązki ugiętej w pierwszym rzędzie dyfrakcyjnym I 1 do całkowitego natężenia promieniowania padającego na siatkę I 0 (η = I 1 /I 0 ). Na rysunku 8a została pokazana eksperymentalnie otrzymana efektywna wydajność dyfrakcji jako funkcja częstotliwości dla U = 0 V, 5 V, 20 V i 90 V. Do symulacji dyfrakcji fal THz przechodzących przez urządzenie

11 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów Rys. 8. Wyniki (a) eksperymentalne i (b) symulacyjne współczynników dyfrakcji zerowego rzędu w funkcji częstotliwości dla siatki fazowej dla czterech zastosowanych napięć [23] wykorzystywany jest algorytm różnic skończonych w dziedzinie czasu (FDTD, z ang. Finite-Difference Time-Domain). W symulacji FDTD rozmiar siatki wynosił 10 μm 10 μm, a krok czasu 1, s. Wyniki symulacyjne i eksperymentalne są ze sobą ogólnie zgodne (rys. 8). Jakkolwiek istnieją pewne rozbieżności w wydajności i położeniu pików. Jest to akceptowalne, jako że różnice w grubościach płytek kwarcowych mogą wynosić ±0,1 mm. Dalsze symulacje pokazują, że takie różnice mogłyby zmieniać wydajność o 0,05 i położenie piku o 0,02 THz. Eksperymentalna efektywna wydajność dyfrakcji jest największa w pobliżu 0,3 THz, tak samo jak w symulacji. Dla zwyczajnej polaryzacji fali w 0,3 THz różnica fazy pomiędzy kwarcem i E7 jest bliska 2π. W związku z tym transmisja przez siatkę jest większa. Fala terahercowa jest głównie skoncentrowana w zerowym rzędzie. W przypadku promienia nadzwyczajnego różnica fazy jest bliska π, wtedy też wydajność dyfrakcji jest mniejsza dla zerowego rzędu, ponieważ fala THz ugina się głównie na rzędzie pierwszym.

12 24 U. Chodorow, J. Parka Na rysunku 9 przedstawiony został profil wydajności dyfrakcji dla 0,3 THz fali liniowo spolaryzowanej w kierunku y. Maksimum dyfrakcyjne zostało wykryte dla φ = 30, co odpowiada pierwszemu rzędowi dyfrakcji przewidywanemu przez równania siatki. Zmierzona wydajność dyfrakcji dla zerowego i pierwszego rzędu jest zgodna z teoretycznymi wartościami, biorąc pod uwagę skończony wymiar siatki. Rys. 9. Wydajność dyfrakcji w funkcji kąta dyfrakcji dla 0,3 THz [23] Kiedy molekuły ustawione są tak, aby n eff było równe n o, różnica fazy jest bliska 2π. Większość sygnału THz propaguje się w kierunku zerowego rzędu dyfrakcji. Eksperymentalnie znaleziona wydajność dyfrakcji wynosi η o0 = 0,62 i η o1 = 0,06 odpowiednio dla zerowego i pierwszego rzędu. Z drugiej strony, kiedy n eff jest równe n e, różnica fazy jest bliska π. Fala THz rozchodzi się głównie w kierunku pierwszego rzędu dyfrakcji. Wydajność dyfrakcji wynosi η e0 = 0,18 i η e1 = 0,25 odpowiednio dla zerowego i pierwszego rzędu dyfrakcji. Siatka będzie wówczas funkcjonować jako zmienny dzielnik wiązki. Zmieniając napięcie, stosunek podziału wiązki zerowego od pierwszego rzędu może być przestrajany od 10:1 do 1:1. Periodyczne rozmieszczenie warstw ITO może być rozpatrywane jako polaryzator (siatka z drutu). Tylko fale THz spolaryzowane prostopadle do drutów mogą przechodzić przez elektrycznie strojoną siatkę fazową. Czasy włączenia i wyłączenia siatki dyfrakcyjnej wynoszą odpowiednio około 23 s i 290 s. W rezultacie prezentowane urządzenie nie jest odpowiednie dla zastosowań, które wymagają szybkiej modulacji, natomiast jest doskonałe dla aparatur, które potrzebują np. stałego stosunku rozdzielenia wiązki z niezbyt szybkim przestrajaniem.

13 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów Przesuwniki fazowe przestrajalne magnetycznie 5.1. Przesuwnik fazy wykorzystujący NCK W artykule [24] zaprezentowano magnetycznie sterowany terahercowy przesuwnik fazy przy użyciu warstwowych komórek z NCK pracujący w temperaturze pokojowej. Oszacowana grubość warstwy dla CK o nazwie 5CB wymagana do przesunięcia fazy o 2π przy 1 THz wynosi ok. 3,18 mm. Jednakże uporządkowanie tak grubej warstwy CK jest bardzo trudne, już powyżej 1,5 mm molekuły są niestabilne i występuje dużo domen wewnątrz CK. W tej pracy zastosowano komórki z ciekłym kryształem o strukturze warstwowej i użyto innego CK o nazwie E7 (Merck). Dwójłomność E7 jest porównywalna z 5CB, za to zakres fazy nematycznej E7 ( 10 C ~61 C) jest znacznie większy niż 5CB (24 C ~35 C), przez co stosowanie E7 jest korzystniejsze z punktu widzenia praktycznych zastosowań. Terahercowy ciekłokrystaliczny przesuwnik fazy przedstawiony na rysunku 10 składa się z dwóch komórek z homeotropowym uporządkowaniem CK w każdej z nich i rotującego magnesu. Oś rotacji magnesu jest prostopadła do kierunku polaryzacji i propagacji fali THz. Do konstrukcji przesuwnika zostały zastosowane trzy płytki ze szkła kwarcowego o powierzchni 1 cm 1 cm. Grubość CK w komórkach równą 1,5 mm uzyskano za pomocą teflonowych dystansowników. Zastosowane pole magnetyczne w środku CK wynosiło 0,427 T. Maksymalny możliwy kąt obrotu magnesu to 54 (kąt nachylenia linii pola magnetycznego do kierunku propagacji fali THz), powyżej tego kąta w prezentowanym układzie fala THz jest blokowana przez magnes. Rys. 10. Schemat ciekłokrystalicznego terahercowego przesuwnika fazy sterowanego polem magnetycznym [24]

14 26 U. Chodorow, J. Parka Na rysunku 11 przedstawione zostało przesunięcie fazy w funkcji kąta nachylenia direktora CK w stosunku do kierunku propagacji fali dla dwóch częstotliwości 0,49 THz i 1,025 THz. Linia ciągła pokazuje przewidywania teoretyczne. Maksymalne przesunięcie fazy, jakie otrzymano, wyniosło 368 dla 1,025 THz i kąta Filtr Lyota Rys. 11. Przesunięcie fazy dla fal THz w funkcji kąta nachylenia magnesu [24] Wykorzystując zjawisko dwójłomności w CK, konstruuje się filtry, np. filtr Lyota [10]. Jest to konstrukcja podobna do dwójłomnych filtrów szeroko stosowanych w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. W artykule [10] opisano przestrajalny przesuwnik fazowy (filtr Lyota) z maksymalnym przesunięciem fazy przekraczającym 2π dla 1 THz. Filtr składa się z dwóch elementów oddzielonych liniowym polaryzatorem (P) (rys. 12). Każdy element składa się ze stałego (FR, z ang. Fixed Retarder) i przestrajalnego (TR, z ang. Tunable Retarder) przesuwnika fazowego. Stały przesuwnik fazowy złożony jest z pary magnesów, między którymi znajduje się komórka z homogenicznie uporządkowanym ciekłym kryształem (rys. 12a). Do utrzymania jednorodnego uporządkowania grubej warstwy CK (~10 3 m) niezbędne jest silne pole magnetyczne. Przestrajalne przesuwniki fazowe składają się z komórek z homeotropowo uporządkowanym CK znajdujących się wewnątrz magnesu (rys. 12b). Opóźnienie fali terahercowej przechodzącej przez komórkę z homeotropowym uporządkowaniem CK jest regulowane przez kąt obrotu magnesu. Opóźnienie wprowadzone przez komórkę TR jest zerowe, kiedy długie osie molekuł CK są równoległe do kierunku propagacji fali THz, i będzie się zwiększać wraz z reorientacją molekuł CK związaną z obrotem magnesu. Filtr ten wprowadza

15 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów Rys. 12. Schemat filtru Lyota przestrajalnego magnetycznie [10] straty wynoszące około 8 db. Wynika to przede wszystkim z rozpraszania promieniowania na molekułach CK z powodu grubych komórek (od 2 do 9 mm) używanych jako ośrodki opóźniające. Można to poprawić poprzez użycie wielowarstwowych struktur składających się z oddzielnych cienkich komórek CK lub zastosowanie CK z dużą dwójłomnością dla częstotliwości THz. W opisanym filtrze centralne pasmo przepustowości może być zmieniane w sposób ciągły od 0,388 THz do 0,564 THz przy użyciu magnetycznie kontrolowanej dwójłomności w NCK. Szerokość pasma w przedstawionym urządzeniu wynosi 0,1 THz. Dalsze zwężanie szerokości pasma jest możliwe poprzez dodawanie większej ilości elementów. Na rysunku 13 przedstawione zostało przykładowe widmo transmisyjne filtru. W małym okienku widać przebieg czasowy sygnału THz składający się z czterech pików rozdzielonych o stałą wartość równą 2,2 ps. Może być to rozumiane w następujący sposób: fala THz po przejściu przez pierwszy element filtru jest rozdzielana na dwie części zwyczajną (o) i nadzwyczajną (e). Te dwie fale są następnie rozdzielane odpowiednio na promienie o-o, e-o, o-e i e-e po przejściu przez drugi element filtru. Widmo transmisji może być rozpatrywane jako występowanie interferencji wśród czterech pików sygnału THz w funkcji czasu. Teoretycznie wyznaczone widmo transmisyjne (linia ciągła) wykazuje dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi.

16 28 U. Chodorow, J. Parka Rys. 13. Przykładowe widmo transmisyjne szerokopasmowego impulsu THz przechodzącego przez ciekłokrystaliczny filtr. W małym okienku pokazano sygnał w dziedzinie czasu [10] 6. Podsumowanie W pracy przedstawione zostały wyniki pomiarów spektralnych uzyskanych przez grupę Kocha dla związku CK o symbolu 5CB. Jest to najbardziej znany i najlepiej przebadany związek ciekłokrystaliczny. Praca zawiera także wyniki pomiarów mieszanin CK o nazwach 1832B i Materiał CK o nazwie 1825 ma bardzo dużą dwójłomność, trzykrotnie większą w porównaniu ze związkiem 5CB w zakresie 0,3-3 THz. Zgodnie ze wzorem (1) zwiększenie dwójłomności zwiększa przesunięcie fazowe fali elektromagnetycznej przechodzącej przez dany ośrodek. Zwiększenie dwójłomności pozwala na zmniejszenie grubości warstwy CK w urządzeniach, co z kolei skutkuje możliwością szybszego przestrajania. Mieszanina CK 1832B należy do materiałów sterowanych dwiema częstotliwościami. Wartości zwyczajnych współczynników załamania nie zależą od orientacji molekuł względem kierunku propagacji fali THz, inaczej jest w przypadku współczynników absorpcji. Świadczy to o tym, że kierunek ustawienia długich osi molekuł względem kierunku propagacji fali dla polaryzacji zwyczajnej ma istotny wpływ na wartość absorpcji, ale zupełnie nie wpływa na przesunięcie fazowe. Mniejsze straty uzyskuje się przy ustawieniu długich osi molekuł wzdłuż kierunku propagacji fali THz. Mieszaniny CK z podwójnym adresowaniem mają zasadnicze znaczenie ze względów aplikacyjnych z uwagi na szybsze przestrajanie i prostszą konstrukcję urządzeń. Skonstruowane do tej pory przesuwniki fazy i siatki dyfrakcyjne sterowane elektrycznie posiadają niezbyt dobrą dynamikę przestrajania, nie nadają się więc do zastosowań w urządzeniach wymagających szybkiej modulacji. Jednakże świetnie sprawdzają się w zastosowaniach wymagających stałego przesunięcia fazy

17 Właściwości i zastosowania nematycznych ciekłych kryształów z powolnym przestrajaniem. Obecnie konstruowane przesuwniki kontrolowane magnetycznie są zbyt duże a przez to trudne do zintegrowania z innymi urządzeniami. Dobrym rozwiązaniem wydają się być urządzenia sterowane elektrycznie dwiema częstotliwościami, dzięki czemu przełączanie między różnymi stanami CK jest znacznie szybsze niż w przypadku jednej częstotliwości, gdyż niweluje się tu etap samoistnego reorganizowania się molekuł CK. Także zastosowanie większej ilości elementów, tudzież zastosowanie materiałów wysokodwójłomnych w urządzeniach sterowanych elektrycznie przyspieszyłoby działanie urządzeń w związku z pomniejszeniem grubości warstwy CK. Podziękowania Autorzy wyrażają podziękowanie prof. R. Dąbrowskiemu z Instytutu Chemii WAT za udostępnienie materiałów CK do badań i udział w omówieniu wyników oraz dr. N. Pałce z Instytutu Optoelektroniki WAT za udostępnienie spektrometru TDS i cenne wskazówki praktyczne przy realizacji pomiarów. Badania zostały częściowo sfinansowane przez MNiSzW w ramach projektu nr O R nt. Przestrajalne ciekłokrystaliczne przetworniki na zakres częstotliwości THz i GHz, a także z projektu POIG /08 nt. Nowe materiały fotoniczne i ich zaawansowane zastosowania. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w październiku 2012 r. Literatura [1] Tsong-Ru Tsai, Chao-Yan Chen, Ci-Ling Pan, Ru-Pin Pan, Xi-Cheng Zhang, Terahertz time-domain spectroscopy studies of the optical constants of the nematic liquid crystal 5CB, Applied Optics, 42, 13, 2003, [2] Ru-Pin Pan, Cho-Fan Hsieh, Ci-Ling Pan Chao-Yuan Chen, Temperature-dependent optical constants and birefringence of nematic liquid crystal 5CB in the terahertz frequency range, Journal of Applied Physics, 103, 9, art. no , [3] M.S. Zakerhamidi, Z. Ebrahimi, H. Tajalli, A. Ghanadzadeh, M. Moghadam, A. Ranjkesh, Refractive indices and order parameters of some tolane-based nematic liquid crystals, Journal of Molecular Liquids, 157, 2-3, 2010, [4] N. Vieweg, M.K. Shakfa, M. Koch, BL037: A nematic mixture with high terahertz birefringence, Optics Communications, 284, 7, 2011, [5] E.R. Mueller, Terahertz Radiation Sources for Imaging and Sensing Applications, Photonic Spectra, 40, 11, 2006, [6] D. Turchinovich, P. Knobloch, G. Luessem, M. Koch, THz time-domain spectroscopy on 4-(trans-4 -pentylcyclohexyl)-benzonitril, SPIE, 4463, 2001, [7] C. Weil, St. Müller, P. Scheele, P. Best, G. Lüssem, R. Jakoby, Highly-anisotropic liquid-crystal mixtures for tunable microwave devices, Electronics Letters, 39, 24, 2003, [8] C.-Y. Chen, T.-R. Tsai, C.-L. Pan, R.-P. Pan, Room temperature terahertz phase shifter based on magnetically controlled birefringence in liquid crystals, Applied Physics Letters, 83, 22, 2003, [9] J. Su, H. Chen, Terahertz wave modulator based on liquid-crystal-filled photonic crystal, Acta Optica Sinica, 30, 9, 2010, [10] C.-Y. Chen, C.-L. Pan, C.-F. Hsieh, Y.-F. Lin, R.-P. Pan, Liquid-crystal-based terahertz tunable Lyot filter, Applied physics Letters, 88, 10, 2006, art. no

18 30 U. Chodorow, J. Parka [11] T. Göbel, P. Meissner, A. Gaebler, M. Koeberle, S. Mueller, R. Jakoby, Dual-frequency switching liquid crystal based THz filter, OSA/CLEO/QELS, 2009, art. no [12] R. Wilk, N. Vieweg, O. Kopschinski, T. Hasek, M. Koch, THz spectroscopy of liquid crystals from the CB family, Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves, 30, 11, 2009, [13] N. Vieweg, M.K. Shakfa, B. Scherger, M. Mikulics, M. Koch, THz Properties of Nematic Liquid Crystal, Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves, 31, 11, 2010, [14] P. Perkowski, M. Mrukiewicz, K. Garbat, M. Laska, U. Chodorow, W. Piecek, R. Dąbrowski, J. Parka, Precise dielectric spectroskopy of a dual-frequency nematic mixture over a broad temperature range, Liquid Crystals, 39, 10, 2012, [15] U. Chodorow, J. Parka, K. Garbat, N. Palka, K. Czupryński, Spectral investigation of nematic liquid crystals with high optical anisotropy at THz frequency range, Phase Transitions, 10, 2012, [16] E. Nowinowski-Kruszelnicki, J. Kędzierski, Z. Raszewski, L. Jaroszewicz, R. Dąbrowski, M. Kojdecki, W. Piecek, P. Perkowski, K. Garbat, M. Olifierczuk, M. Sutkowski, K. Ogrodnik, P. Morawiak, E. Miszczyk, High birefringence liquid crystal mixtures for electrooptical devices, Optica Applicata, 42, 1, 2012, [17] T.-R. Tsai, C.-Y. Chen, R.-P. Pan, C.-L. Pan, X.-C. Zhang, Electrically controlled room temperature terahertz phase shifter with liquid crystal, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 14, 2, 2004, [18] C.-F. Hsieh, R.-P. Pan, T.-T. Tang, H.-L. Chen, C.-L. Pan, Voltage-controlled liquid crystal terahertz phase shifter and quarter-wave plate, Optics Letters, 31, 8, 2006, [19] H.-Y. Wu, C.-F. Hsieh, T.-T. Tang, R.-P. Pan, C.-L. Pan, Electrically tunable room-temperature 2π liquid crystal terahertz phase shifter, IEEE Photonics Technology Letters, 18, 14, 2006, [20] F. Garet, J.-L. Coutaz, M. Narzarov, E. Bonnet, O. Parriaux, G. Racine, THz time-domain spectroscopy study of grating couplers and segmented grating filters, in Dig. Joint Int. Conf. Infrared Millimeter Waves and Terahertz Electron., 2004, [21] R. Kersting, G. Strasser, K. Unterrainer, Terahertz phase modulator, Electronics Letters, 36, 13, 2000, [22] J. Chen, P.J. Bos, H. Vithana, D.L. Johnson, An electro-optically controlled liquid crystal diffraction grating, Applied Physics Letters, 67, 18, 1995, [23] Chia-Jen Lin, Chuan-Hsien Lin, Yu-Tai Li, Ru-Pin Pan, Ci-Ling Pan, Electrically Controlled Liquid Crystal Phase Grating for Terahertz Waves, IEEE Photonics Technology Letters, 21, 11, 2009, [24] C.-Y. Chen, C.-F. Hsieh, Y.-F. Lin, R.-P. Pan, C.-L. Pan, Magnetically tunable room-temperature 2π liquid crystal terahertz phase shifter, Optics Express, 12, 12, 2004, U. Chodorow, J. Parka Properties and Applications of Nematic Liquid Crystals in THz Technology Abstract. Works on terahertz (THz) technology have been conducted for over three decades while research on the use of liquid crystals in the THz range lasted only a decade. In the paper, the results of spectral measurements of LC in the THz range are presented. Selected properties of a commercially available LC compound with the symbol 5CB and two LC mixtures called 1832B and 1825 are described. Using available literature, several devices, which modulate the THz radiation, were selected and discussed. In these devices, liquid crystals were used as tunable elements. Keywords: terahertz technology, liquid crystals, THz radiation