【摘 要】
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太赫兹的频谱范围介于微波频段和红外频段之间,结合了二者的优越性,在通信,生物医学和无损检测等领域展现出巨大的科研价值和应用前景。但是一直以来都缺乏可以直接对太赫兹波进行高效调控的自然材料,高性能太赫兹功能器件的发展依旧处于初级阶段。液晶具有双折射特性且其应用领域可以拓展至太赫兹频段,可在外加电场或磁场作用下实现连续调谐功能。但是研究发现液晶材料在太赫兹频段的特性表现不同于光学频段,精确的了解液晶在
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太赫兹的频谱范围介于微波频段和红外频段之间,结合了二者的优越性,在通信,生物医学和无损检测等领域展现出巨大的科研价值和应用前景。但是一直以来都缺乏可以直接对太赫兹波进行高效调控的自然材料,高性能太赫兹功能器件的发展依旧处于初级阶段。液晶具有双折射特性且其应用领域可以拓展至太赫兹频段,可在外加电场或磁场作用下实现连续调谐功能。但是研究发现液晶材料在太赫兹频段的特性表现不同于光学频段,精确的了解液晶在太赫兹频率下的介电特性对于设计基于液晶的可调谐器件至关重要。本文研究了液晶衬底在90～140 GHz频段内的介电性能以及不同取向方式下的工艺一致性。主要工作内容如下:首先,根据向列型液晶材料介电常数可控机理设计了基于液晶的太赫兹频率调控器件,其中液晶层作为可调介质层,亚波长圆孔阵列作为频率选择表面。在90GHz到140 GHz范围内,所设计器件中液晶层的等效介电常数会产生对应的谐振峰频点,可通过测试数据拟合精确计算出谐振峰在该吸收点处的等效介电常数。利用蒸镀,紫外光刻,液晶封装等工艺制备该器件,通过搭建太赫兹准光学连续波测试系统,测试分析了两种液晶材料的宏观等效介电常数。其次,从宏观角度探讨了太赫兹功能器件在不同液晶层厚度下通过摩擦取向得到的等效介电常数变化趋势。经过实测发现,当外加偏置电压为0 V时,随着液晶层厚度从30μm增加到100μm,液晶S200的初始等效介电常数εeff⊥从2.56增加到2.65,液晶E7的初始等效介电常数εeff⊥从2.59增加到2.64;当外加偏置电压达到饱和状态时,液晶层的饱和等效介电常数基本保持不变。最后,通过三组实验探究了液晶不同取向方式下太赫兹功能器件的工艺一致性。实验结果显示,当液晶层的初始状态只受取向层作用时,光控取向下谐振峰频点及损耗分别为-37.4 d B@107.45 GHz,-41.84 d B@107.45 GHz和-33.05 d B@107.4GHz;摩擦取向的谐振频点及损耗分别为-25.47 d B@107.5 GHz,-16.76 d B@107.35GHz和-21.51 d B@107.45 GHz。可见,与机械式摩擦取向相比,光控取向的一致性更好。
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