高双折射向列型液晶中的广角可切换负折射外文翻译资料

 2022-01-14 11:01

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

高双折射向列型液晶中的广角可切换负折射

摘要：负折射（NR）是一种很有前途的技术，它提供了操纵光束行为的机会。我们已经在实验上证明了可控负折射在新型高双折射率（n）液晶中在可见波长处具有大的折射角。当液晶n达到0.42时，负折射角和临界入射角分别达到-14◦和23.2°，远远大于其他液晶之前达到的值。通过施加电场，我们控制从负折射到正折射的开关。

关键词：负折射;向列液晶;高双折射;低粘度

  1. 介绍

作为一种新现象，韦谢拉戈于1968年在概念上提出了负折射（NR）。[1]生产负折射的超材料主要集中在超透镜，光学隐身等领域。[2-6]过去十年来研究了许多由人造结构组成的负折射材料，例如在微波范围内金属线阵和分裂谐振环的组合[7-11]和近红外波长范围内的金属 - 电介质 - 金属结构[12-16]然而，人造结构材料具有如制造工艺复杂、能量耗散大等缺点。因此，许多研究人员致力于在天然材料中实现负折射。[17-24]张勇等人利用单轴性质对YO4晶体中的负折射进行了研究 [17-19] Pishnyak等人[20]和赵等人[21,22]在向列型液晶（NLCs）中观察到负折射，可用于各种可调谐光学器件[25-27]，如光束转向和光路由器。根据参考文献[20-22]中报道的实验，最大负折射角（MNRA）为-7.7°，开关速度高达数十秒，[20]这对于应用而言太小太慢。液晶（LC）也被广泛用于实现可调负折射 [28-32]，开关速度高度依赖于液晶的粘度。负折射区域的实际应用迫切需要更大的负折射角度和更快的开关速度。

在这里，我们关注向列型液晶中的负折射现象。描述向列型液晶的可调负折射能力的关键参数是最大负折射角和切换时间。本文采用的参考文献[33-35]中提出的拥有更高的双折射率（n）的三种新型液晶材料已由我们的研究小组成功合成，以扩大折射角。参考文献[33]中报道的液晶由于其较低的粘度而在缩短切换时间方面起着重要作用。据我们所知，这是第一次通过向列型液晶实验获得具有如此大的最大负折射角的可调负折射。

  1. 理论

向列型液晶中的负折射理论已在参考文献[20,21]中引入，因此我们只展示公式而不是详细介绍。向列型液晶单元位于X-Z平面，界面（Z=0）将空气与向列型液晶分开，如图1（a）所示。入射光在图的平面中被极化。分子的方向（方向n）平行于单元基板并且相对于Z轴倾斜角度alpha;。入射角为，折射角为。如果折射光束和入射光束位于法线的同一侧，则实现负折射。

通过求解麦克斯韦方程可以得到光的色散方程。在空气中，横向磁波（TM）的波矢的归一化分量的色散方程为

（1）

其中和是波矢量的x和z分量。在向列型液晶中，得到了非常光(e光)的归一化波矢量分量的色散方程

（2）

其中和是向列型液晶中波矢的x和z分量，和是寻常光和非常光的折射率。波矢量平面可以通过图1（b）所示的等式（1）和（2）求得。因为波矢的切向分量在空气和向列型液晶之间的边界上是连续的，所以可以发现。将代入等式（2），可以获得波矢量。使用斯涅耳映射方法，可以获得能量流，如图1（b）所示。该相应的折射角如下：

（3）

对于给定的alpha;，当入射角增加时，负折射角减小。当=0和时可以得到最大负折射角为

（4）

当折射角为0时，相应的入射角定义为临界入射角（CIA），由下式给出：

（5）

向列型液晶中的负折射来源于光学n，发生在入射光偏振态为p偏振、入射角介于0和临界入射角之间的情况下。向列型液晶不是全角度负折射材料，因此最大负折射角和临界入射角是向列型液晶中负折射最重要的参数。从等式（4）和（5），我们可以看出最大负折射角和临界入射角是和的函数。因为液晶材料的几乎是1.5左右的常数，所以是否可以实现大的最大负折射角和临界入射角主要取决于。因此，较高的n产生较大的最大负折射角和临界入射角。

图1.（在线颜色）（a）向列型液晶单元中负折射的示意图。（b）在空气和向列型液晶中的波矢量平面。

  1. 实验细节
    1. 液晶材料的特性

表1显示了在该实验中研究的液晶材料的性质。lambda;= 532nm时液晶1的n（SLC9023，= 1.52且= 1.78）为0.26 lambda;= 532nm。根据参考文献[33]合成液晶2（n是0.39，lambda;= 532nm）。液晶2中的异硫氰酸酯基团(NCS基团)提供了相对较长的pi;-电子结合，这是大n的原因。液晶2分子中的异硫氰酸根-苯降低了分子间相互作用，因此其旋转粘度相对较低。液晶3 [34,35] (n = 0.5,lambda;= 532 nm)和液晶4 [34,35] (n = 0.7,lambda;= 532 nm)也被合成，但它们不能直接用于本实验，因为它们在室温下是固体。由于液晶材料之间的兼容性，液晶1和液晶2用作溶解液晶3和液晶4的主体以进一步增大n。

新的液晶混合物S1、S2、S3、S4和S5的一些性质如表2所示。根据参考文献[34]混合物的n值可以计算为，其中下标1和2表示不同的液晶，gamma;是下标1材料的质量分数（wt.%）。最后获得了五个新的n分别为0.26，0.3,0.34,0.39和0.42的混合物（S1-S5）。

表1.本实验中液晶材料的性质

表2.混合物的性质

    1. LC细胞的制备

为了证明向列型液晶在可见光波长下的负折射，我们设计并制造了五个液晶单元。每个液晶单元由两个平行的玻璃基板组成。在每个玻璃基板的内部，涂覆透明导电膜（ITO）以驱动电场。在每个ITO膜上涂覆聚酰亚胺（PI）膜并摩擦以沿其摩擦方向排列液晶分子。通过计算优化摩擦方向（如图1所示）。摩擦方向和Z轴之间的最佳摩擦方向（角度alpha;）仅由填充在单元中的液晶材料的折射率决定。这些液晶单元的厚度约为40mu;m。将五种液晶混合物（S1-S5）填充在这些单元（C1-C5）中，其在下一部分中用于光学实验。

    1. 实验装置

实验装置的示意图如图2所示。光源是532nm固体激光器。偏振器p和半波片（HW）用于控制光的强度和偏振。当光通过偏振器p时，它就变成线偏振光，其偏振方向在X-Z平面内。然后通过长焦距透镜（f=200mm）聚焦偏振光，并且焦点位于液晶单元的界面（Z=0）上。入射界面上的光束直径约为20mu;m，小于液晶单元的厚度。这些配置确保光可以有效地耦合到液晶单元中并且可以在发散到衬底之前传播很长的距离。液晶单元安装在带有测角仪的样品台上，因此可以连续控制入射角。可以通过人眼观察光束在向列型液晶板中的传播路径并通过CCD相机记录。

图2.（在线颜色）液晶中负折射的实验装置。

  1. 结果与讨论
    1. NLC中的负折射率高

将标记为C1的充满S1的向列型液晶单元（SLC9023）小心地安装在样品台上。C1的摩擦方向(角度alpha;)是40◦，通过方程(4)可以计算。当入射激光束以3◦ 入射角穿过液晶板时，折射角约为-7.2° ，入射和折射光线如图3所示位于法线的同一侧。时折射角为负。当入射角等于零时，得到最大负折射角（-9◦）。

图3.（在线颜色）向列型液晶中负折射现象的照片。

大最大负折射角对于实际应用非常重要。在这里我们致力于获得液晶中的广角负折射。如第2节所述，最大负折射角取决于液晶的n。当n增加时，最大负折射角相应增加。在实验中，使用比普通商用液晶高得多的四种液晶材料（S2-S5）来获得具有比之前报道的更大的最大负折射角的负折射。将前面提到的这些液晶（S2-S5）中的每一个填充到液晶单元中以形成具有其自己的摩擦方向alpha;的样品。在我们的实验中，每一个样品的一组折射角度记录不同的入射角，步长为3◦。实验数据如图4所示。还显示了通过等式（3）计算的每个样品的相应理论预测。以S5为例，负折射将出现在0◦到23.2◦ 的入射角范围内，并且最大负折射角可以达到-14◦。实验结果与理论预测吻合得很好。当负折射发生时，折射角的值随着入射角的增加而变小。当入射角接近于零时，相应的折射角也接近于最大负折射角。并且当每个样品的折射角等于零时测得临界入射角。

图4.（在线颜色）不同入射角的折射角。离散点是实验数据，直线是理论计算。

五个样本最大负折射角和n之间的关系如图5所示。方点是实验数据，直线是理论预测。从图5可以看出，最大负折射角的大小随着n的增加而增加，实验数据与理论预测一致。当n等于0.42时，最大负折射角达到-14◦ 几乎比之前报道的值–7.7◦大一倍。[20]临界入射角的幅度也随着液晶的n增加而增加。从图4可以看出，当n从0.26（S1）增加到0.42（S5）时，临界入射角从14.7◦ 增加到23.2◦ ，这大大扩展了液晶中负折射的范围。广泛的负折射需要大的n，因此需要高分子极化。通过分子结构设计和化学合成可以进一步改善分子极化。

图5.（在线颜色）最大负折射角与液晶的n之间的关系。

    1. 可切换的NR

如图6（a）所示，液晶分子的长轴平行于液晶单元的基板。当入射光在单元壁的平面（X-Z平面，p偏振）中发生偏振并且入射角小于临界入射角时，如前所述e光的负折射将出现在液晶板中。如果在ITO层上施加电压，施加垂直于液晶平板的电场，则LC分子的排列方向变为电场方向，如图6(b)所示。LC平板中的e光变为o光，负折射变为正折射(PR)。结果是可以通过控制电场来实现负折射和正折射之间的切换。

切换时间与单元厚度和材料的旋转粘度密切相关。

图6.（在线颜色）负折射和正折射之间的切换。（a）没有电场，发生负折射。（b）施加电场，发生正折射。

为了让光束在发射到基板之前在向列型液晶单元中传播更长的距离，通过长焦距透镜实现长焦深。界面上的激光直径约为20mu;m，因此我们将单元厚度调整为约40mu;m。因此我们不能通过减小单元厚度来改善响应时间，因此材料的粘度在改善液晶的响应性质中起着更重要的作用。

电压控制开关实验的结果如图7所示。没有电压，如图7（a）所示发生负折射。当施加电压时，如图7（b）所示折射变为正。对于S1-S3，40mu;m液晶单元的切换时间约为50秒，对于S4和S5，切换时间约为4秒，比之前报道的快一个数量级。[20]可以使用几种方法来改善切换时间，例如减小液晶单元的厚度。采用双频液晶材料[36,37]也是一种改善响应时间的方法，现在正在进行设计和合成高双折射双频液晶材料的工作，快速可切换的广角负折射将通过这些材料实现。

图7.（在线颜色）负折射和正折射的电压控制开关实验。（a）无电压（b）加电压。

  1. 结论

综上所述，我们通过高n向列型液晶实验证明了大角度可切换负折射。通过采用新的液晶元件，在宽入射角范围内实现了大的负折射角。临界角达到23.2◦ ，最大负折射角达到–14◦，这是液晶之前能达到的一倍。由于液晶分子在电场下的可切换能力，负折射和正折射之间的二阶开关已经通过低粘度液晶在40mu;m液晶单元中实现，其负折射比在之前报道的液晶中快一个数量级。通过减小单元厚度或采用DFLC可以实现更快的响应速度。大的负折射角度和可切换的特性使其成为光学实际应用的有希望的候选者。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（11174274,11174279,61205021和11204299）和应用光学国家重点实验室科学基金的支持。

参考

[1] Veselago VG. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and micro;. Sov Phys Usp. 1968;10:509–514.

[2] Pendry JB. Negative refraction makes a perfect lens.Phys Rev Lett. 2000;85:3966–3969.

[3] Ziolkowski RW. Design, fabrication, and testing of double negative metamaterials. IEEE Trans Antenn Propag. 2003;51:1516–1529.

[4] Cai W, Chettiar UK, Kildishev AV, Shalaev VM.Optical cloaking with metamaterials. Nat Photonics.2007;1:224–227.

[5] Zhang X, Liu Z. Superlenses to overcome the diffraction limit. Nat Mater.2008;7:436–441.

[6] Veselago VG, Narimanov EE. The left hand of brightness: past, present and future of negative index materials. Nat Mater. 2006;5:759–762.

[7] Pendry JB, Holden AJ, Stewart WJ, Youngs I.Extremely low

全文共15885字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1327]

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章