Design of a terahertz radiation modulator based on the effect of multi-wave interfence in a layered structure consisting of a large number of liquid crystal π-cells

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background and Objectives: An original design of a liquid crystal THz radiation modulator is proposed based on computer modeling. It consists of a stack of identical “classical” π--cells located one after another. Materials and Methods: Based on a computer model and by using the matrix method, the characteristics of the proposed device are studied: dependence of the device transmission on the control voltage, contrast ratio, and the modulator transmission value when the maximum control voltage is applied to it. Results: It has been shown that the modulator contrast ratio decreases with increasing wavelength of the modulated radiation, and the modulator transmission in the state with the maximum value of the control voltage does not exhibit such a dependence. It has been found that the decimal logarithm of the modulator contrast ratio linearly depends on the number of elementary π-cells included in its design. The slope coefficient of this linear function decreases with increasing wavelength of the modulated radiation. It has been shown that the described design of the THz radiation LC modulator is critical to the technological spread in the thickness of the elementary LC cell. However, the magnitude of this spread fits into the simple technology of manufacturing elementary π-cells and does not require improvement.

作者简介

Anfal Mulamahawsh

Saratov State University

ORCID iD: 0009-0007-7803-3565
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Georgy Simonenko

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-6283-6335
SPIN 代码: 7966-0694
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

参考

  1. Zhou Le, Zhong T., Liu Yu., Yu T., Neyts K., Luo Zh., Wang H., Sun J., Zhou Ji., Shen Ya. When structured light encounters liquid crystals // Adv. Funct. Mater. 2024. Vol. 34. Art. 2404614 https://doi.org/10.1002/adfm.202404614
  2. Wang L., Wang Ya., Zong G., Hu W., Lu Ya. Liquid crystal based tunable terahertz metadevices // J. of Materiomics. 2025. Vol. 11, № 1. P. 10–16. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2024.04.012
  3. Harter T., Fuellner C., Kemal J. N., Ummethala S., Steinmann J. L., Brosi M., Hesler J. L., Bruendermann E., Mueller A. S., Freude W., Randel S., Koos C. Generalized Kramers-Kronig receiver for coherent terahertz communications // Nature Photonics. 2020. Vol. 14, № 10. P. 601–606. https://doi.org/10.1038/s41566-020-0675-0
  4. Luomahaara J., Sipola H., Gronberg L., Mayra A., Aikio M., Timofeev A., Tappura K., Rautiainen A., Tamminen A., Vesterinen V., Leivo M., Gao F., Vasama H., Luukanen A., Hassel J. A passive, fully staring THz video camera based on kinetic inductance bolometer arrays // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2020. Vol. 11, iss. 1. P. 101–108. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2020.3029949
  5. Mu T., Ye Y., Dai Z., Zhao R., Yang M., Ren X. Silver nanoparticles-integrated terahertz metasurface for enhancing sensor sensitivity // Optics Express. 2022. Vol. 30, iss. 23. P. 41101–41109. https://doi.org/10.1364/OE.472520
  6. Lin Q. W., Wong H., Huitema L., Crunteanu A. Coding metasurfaces with reconfiguration capabilities based on optical activation of phase-change materials for terahertz beam manipulations // Adv. Opt. Mater. 2022. Vol. 10, № 1. Art. 2101699. https://doi.org/10.1002/adom.202101699
  7. Mittleman D. M. Twenty years of terahertz imaging // Opt. Express. 2018. Vol. 26, iss. 8. P. 9417–9431. https://doi.org/10.1364/OE.26.009417
  8. Sun Q. S., He Y. Z., Liu K., Fan S. T., Parrott E. P. J., Pickwell-MacPherson E. Recent Advances in Terahertz Technology for Biomedical Applications // Quant. Imag. Med. Surg. 2017. Vol. 7, № 3. P. 345–355. https://doi.org/10.21037/qims.2017.06.02
  9. Alonso-del Pino M., Jung-Kubiak C., Reck T., Llombart N., Chattopadhyay G. Beam Scanning of Silicon Lens Antennas Using Integrated Piezomotors at Submillimeter Wavelengths // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2019. Vol. 9, iss. 1. P. 47–54. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2018.2881930
  10. Yang Y., Gurbuz O. D., Rebeiz G. M. An eight-element 370– 410-GHz phased-array transmitter in 45-nm CMOS SOI with PeakEIRP of 8–8.5 dBm // IEEE Trans. Microwave Theory Technol. 2016. Vol. 64, iss. 12. P. 4241–4249. https://doi.org/10.1109/TMTT.2016.2613850
  11. Niu T., Withayachumnankul W., Ung B. S. Y., Menekse H., Bhaskaran M., Sriram S., Fumeaux C. Experimental demonstration of reflectarray antennas at terahertz frequencies // Opt. Express. 2013. Vol. 21, iss. 3. P. 2875–2889. https://doi.org/10.1364/OE.21.002875
  12. Fu X., Yang F., Liu C., Wu X., Cui T. J. Terahertz beam steering technologies: From phased arrays to field-programmable metasurfaces // Adv. Opt. Mater. 2020. Vol. 8, № 3. Art. 1900628. https://doi.org/10.1002/adom.201900628
  13. Oh-E M., Zheng D. Reversibly switching liquid crystals between three orthogonal orientation states for use in rapid-response THz phase shifters // Opt. Express. 2023. Vol. 31. P. 8632–8640. https://doi.org/10.1364/OE.484171
  14. Ji Y., Jiang X., Fan F., Zhao H., Cheng J., Wang X., Chang S. Active terahertz beam deflection based on a phase gradient metasurface with liquid crystal-enhanced cavity mode conversion // Opt. Express. 2023. Vol. 31. P. 1269–1281. https://doi.org/10.1364/OE.479856
  15. Беляев В. Жидкокристаллические устройства для модуляции терагерцового излучения // Электроника: наука, технология, бизнес. 2020. № 5. С. 96–98. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2020.196.5.96.98
  16. Симоненко Г. В., Муламахавш А. Ф. А. Модуляция терагерцового излучения с помощью жидкокристаллических π-ячеек // Прикладная физика. 2024. № 3. С. 13–19. https://doi.org/10.51368/1996-0948-2024-3-13-19
  17. He Z., Gou F., Chen R., Yin K., Zhan T., Wu S.-T. Liquid crystal beam steering devices: Principles, recent advances, and future developments // Crystals. 2019. Vol. 9, iss. 6. P. 292–300. https://doi.org/10.3390/cryst9060292
  18. Симоненко Г. В. Компьютерное моделирование характеристик быстродействующих классических модуляторов на основе жидких кристаллов. Саратов : Издательство Саратовского университета, 2018. 136 с.
  19. Yakovlev D. A., Chigrinov V. G., Kwok H. S. Modeling and optimization of LCD optical performance. Chichester, Wiley, 2015. XXIII+554 p. https://doi.org/10.1002/9781118706749
  20. Муламахавш А. Ф. А., Симоненко Г. В. Оптические характеристики жидкокристаллических ячеек в терагерцовом диапазоне // Проблемы оптической физики и биофотоники. SFM-2024 / под ред. Г. В. Симоненко, В. В. Тучина. Саратов : Издательство «Саратовский источник», 2024. С. 71–79. https://doi.org/10.24412/cl-37275-2024-1-71-79
  21. Azzam R. M. A., Bashara N. M. Ellipsometry and polarized light. Amsterdam, North Holland, 1977. XVII+529 p.
  22. Mulamahawsh Anfal Fadhil Ahmed, Simonenko G. V. Dependence of the electromagnetic radiation transmission coefficient of liquid crystal π-cells in the Terahertz Range // J. of Optics and Photonics Research. 2025, P. 1–6. (online). URL: https://ojs.bonviewpress.com/index.php/JOPR/article/view/5210/1402 (дата обращения: 26.09.2025). https://doi.org/10.47852/bonviewJOPR52025210
  23. Chigrinov V. G., Simonenko G. V., Yakovlev D. A., Podjachev Yu. B. The optimization of LCD electrooptical behavior using MOUSE – LCD software // Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sc. Techn. Section A. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2000. Vol. 351. P. 17–25. https://doi.org/10.1080/10587250008023248
  24. Park H., Parrott E. P. J., Fan Fan, Lim M., Han H., Chigrinov V. G., Pickwell-MacPherson E. Evaluating liquid crystal properties for use in terahertz devices // Opt. Express. 2012. Vol. 20, iss. 11. P. 11899–11905. https://doi.org/10.1364/OE.20.011899
  25. Li X., Tan N., Pivnenko M., Sibik J., Zeitler J. A., Chu D. Daping high-birefringence nematic liquid crystal for broadband THz applications // Liquid crystal. 2016. Vol. 43, № 7. P. 955–962. https://doi.org/10.1080/02678292.2016.1153732
  26. Курчаткин С. П. Поверхностные явления и структура термотропных жидких кристаллов в капиллярных объемах : дис. … д-ра хим. наук: 02.00.04 / Саратовский государственный университет. Саратов, 2001. 290 с.
  27. Сухариер А. С. Жидкокристаллические индикаторы. М. : Радио и связь, 1991. 256 с.
  28. Born M., Wolf E. Principles of optics: Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. 7th (expanded) ed. Cambridge : Cambridge University Press, 1999. 985 p.
  29. Радивон А. В., Пауков М. И., Катыба Г. М., Рагинов Н. И., Черных А. В., Езерский А. С.,Циплакова Е. Г., Раков И. И., Арсенин А. В., Спектор И. Е., Зайцев К. И., Красников Д. В., Петров Н. В., Насибулин А. Г., Волков В. А., Бурданова М. Г. Пространственная модуляция терагерцового излучения при помощи генераторов оптических вихрей на основе тонких пленок одностенных углеродных нанотрубок // Оптика и спектроскопия. 2025. Т. 133, вып. 3. C. 303–307. https://doi.org/10.61011/OS.2025.03.60248.15-25
  30. Smolyanskaya O. A., Chernomyrdin N. V., Konovko A. A., Zaytsev K. I., Ozheredov I. A., Cherkasova O. P., Nazarov M. M., Guillet J.-P., Kozlov S. A., Kistenev Yu. V., Coutaz J.-L., Mounaix P., Vaks V. L., Son J.-H., Cheon H., Wallace V. P., Feldman Yu., Popov I., Yaroslavsky A. N., Shkurinov A. P., Tuchin V. V. Terahertz biophotonics as a tool for studies of dielectric and spectral properties of biological tissues and liquids // Progress in Quantum Electronics. 2018. Vol.62. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2018.10.001
  31. Гибин И. С., Котляр П. В. Приёмники излучения терагерцового диапазона (обзор) // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6, № 2. С. 117–129. EDN: UOIVWF
  32. G: The Next Horizon. From Connected People and Things to Connected Intelligence / eds. Tong W., Zhu P. Cambridge : Cambridge University Press, 2021. XVI+474 p. https://doi.org/10.1017/9781108989817
  33. Burdanova M. G., Katyba G. M., Kashtiban R., Komandin G. A., Butler-Caddle E., Staniforth M., Mkrtchyan A. A., Krasnikov D. V., Gladush Y. G., Sloan J., Nasibulin A. G., Lloyd-Hughes J. Ultrafast, high modulation depth terahertz modulators based on carbon nanotube thin films // Carbon. 2020. Vol. 4. P. 1–6. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.11.008
  34. Симоненко Г. В. Жидкокристаллический модулятор на базе π-ячейки для ТГц-измерений // Фотоника. 2025. Т. 19, вып. 5. С. 19–24. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.5.378.388

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».