eng
Выпуск #7/2022
В. Беляев
ЖК-УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПУЧКОВ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ
ЖК-УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПУЧКОВ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ
Просмотры: 408
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.218.7.096.101
Представлен обзор разработок и публикаций по различным устройствам терагерцового излучения и его модуляции. Излучение применяется для контроля качества продукции, мониторинга оборудования, а также в биологии, медицине, для обеспечения безопасности людей.
Представлен обзор разработок и публикаций по различным устройствам терагерцового излучения и его модуляции. Излучение применяется для контроля качества продукции, мониторинга оборудования, а также в биологии, медицине, для обеспечения безопасности людей.
Теги: lcd devices radiation generation and control thz radiation жк-устройства тгц-излучение формирование и управление излучением
ЖК-устройства для формирования изображений и преобразования пучков в терагерцовом диапазоне
В. Беляев, д. т. н.
В настоящее время наблюдается бум разработок и публикаций по различным устройствам терагерцового излучения и его модуляции. Оно применяется для контроля качества продукции, мониторинга оборудования, а также в биологии, медицине, для обеспечения безопасности людей [1]. При этом используется свойство многих материалов (пластиковая, бумажная тара, биологические ткани) быть прозрачными в ТГц-диапазоне спектра, но непрозрачными в видимом. Важным направлением является формирование двумерных изображений в ТГц-части спектра аналогично тому, как видеокамеры и дисплеи делают это для видимого диапазона.
Для более широкого использования нужны не только источники и приемники ТГЦ-излучения с улучшенными характеристиками (мощность, чувствительность, энергопотребление, спектральный диапазон и т. п.), но и устройства по преобразованию, перенаправлению, модуляции излучения. По сравнению с методами управления видимым излучением возникает трудность из-за большей длины ТГц-волны и другого диапазона спектра молекулярных колебаний.
Описание методов формирования и исследования ТГц-излучения и применяемых для этих целей материалов приведено в работе [2].
Обзор современных методов формирования изображений биологических тканей и объектов, основанных на различных физических принципах, в том числе оптических, для различных диапазонов спектра представлен в [3].
Для управления излучением ТГц-диапазона эффективными являются различные виды жидкокристаллических (ЖК) устройств [4–6]. В этой статье приводится описание новых конструкций и материалов таких приборов, благодаря чему существенно улучшаются их эксплуатационные и функциональные характеристики. Большое внимание уделено проблемам создания двумерного изображения в ТГц-диапазоне, в том числе и для биологических тканей и объектов. Анализируются перспективы развития этого вида устройств.
Существует много видов жидкокристаллических устройств, осуществляющих модуляцию оптического излучения и визуализацию как двумерных, так и трехмерных объектов для длин волн видимого спектра. При переходе в ТГц-интервал изменение длины волны спектра в несколько раз, а то и десятки раз, требует использования других материалов для функциональных слоев ЖК-модулятора. Для модуляции нужны ЖК-ячейки существенно большей толщины, что вызывает увеличение времени электрооптического отклика, рабочего напряжения и ухудшение некоторых других параметров.
В настоящее время предложено много конструкций и материалов для преодоления этого обстоятельства.
В статье [7] показано, что модуляция (сдвиг фазы) в ТГц-диапазоне осуществляется в ЖК-ячейке толщиной 500 мкм, управляемой электрическим напряжением 6,7 В, приложенным к ячейке с органическим электродом (допированный диметилсульфоксидом поли(3,4‑этилендиокситиофен): поли(4‑стиролсульфонат), в литературе PEDOT : PSS), который имеет высокую прозрачность (~90%). Максимальный фазовый сдвиг 129,4° достигался на частоте 1,17 ТГц. Аналогичные параметры получены в [8], где описана переключаемая ахроматическая четвертьволновая пластина с ЖК. Ее частотный диапазон может быть расширен с 0,20–0,50 ТГц до 0,30–0,70 ТГц за счет введения в конструкцию трех ЖК фазовых пластин, в которых двулучепреломление управляется магнитным полем, а не электрическим, как в большинстве ЖК-устройств.
А в разработке [9] в ТГц-фазосдвигателе с параметрами модуляции того же порядка (сдвиг фаз π / 2 при частоте 1 ТГц и толщине слоя ЖК 500 мкм) применены слои электрода на основе окиси индия и олова с нановискерами (тонкими колонками) этого материала. Прозрачность такой пленки 75%.
Широкозонная (0,35 ТГц) переключаемая четвертьволновая пластина продемонстрирована в [10] с использованием графеновой дифракционной решетки со слоем жидкого кристалла для возможного применения в спектроскопии, связи при получении поляризованных изображений в ТГц-диапазоне.
Решеточная система электродов, управляющих ориентацией ЖК и, соответственно, изменением его оптических свойств, применена в [11]. Между двумя слоями ЖК, управляемыми системами встречно-штырьевых электродов со взаимно ортогональной ориентацией этих электродов, помещена фазовая пластина с разностью фаз 45°. Кроме обеспечения фазового сдвига в ТГц-диапазоне, такое устройство может работать и как адаптивная линза с перестраиваемым фокусным расстоянием.
Большие ожидания возлагаются не только на низкомолекулярные ЖК, но и на ЖК-полимеры, благодаря возможности формирования пленок большой площади как на жестких, так и гибких подложках [12, 13]. Методом фотоориентации можно записать в слое полимерного ЖК двумерное распределение его оптических характеристик.
В результате можно получать ТГц-элементы с самыми различными свойствами: волновые пластины, поляризационные решетки и линзы для управления поляризацией, отклонением пучка, его фокусировки или коллимации. Фокусное расстояние линз может переключаться. Можно создавать устройства с очень сложной структурой, как, например, генераторы оптических вихрей или Бесселевых пучков, которые могут функционировать в качестве разделенных каналов при мультиплексировании с разделением режимов в ТГц-связи.
С использованием ЖК-полимера и ТГц-источника генерации разностной частоты (difference-frequency generation) можно создавать двумерные поляризационные изображения (рис. 1) [14].
В разработке 723 Института компьютерных микросхем (723 Institute of CSIC) в китайском городе Янгчжоу реализован фазовый сдвиг, превышающий 360° на частоте 0,34 ТГц, за счет использования двойных диэлектрических ячеек с ЖК-полимером [15]. Благодаря этому стала возможной реализация многоэлементного устройства с цифровым управлением состояния. Переконфигурируемое отражательное n-битное (число битов 1, 2, 3) устройство (reconfigurable reflectarray, сокращенно RRA) состоит из 30 × 30 элементов. При двух битах устройство имеет простую структуру с четырьмя состояниями, что позволяет эффективно и недорого использовать его в исследованиях мозга.
По сравнению с видимым диапазоном для терагерцовой области спектра проблемой является измерение физических свойств материалов. Для измерения двулучепреломления ЖК-полимеров разработан метод терагерцового зондирования короткими импульсами (time-domain spectroscopy) ЖК-полимера, впрыскиваемого в некоторую форму (injection molded liquid crystalline polymers), внутри которой ориентация ЖК может принимать различные направления [16].
Аналогичный метод бездисперсионного терагерцового зондирования короткими импульсами на основе двуцветной плазменной генерации и обнаружения когерентного сдвига в воздухе (dispersion-free THz timedomain spectrometer system based on two-color plasma generation and air biased coherent detection (ABCD)) описан в [17]. Для справки: при двуцветной плазменной генерации используется так называемый двуцветный лазерный импульс, содержащий компоненту в ближнем ИК-диапазоне и ее вторую гармонику.
Оптические характеристики ЖК-вещества 5CB (пентилцианобифенил) в диапазоне от 0,3 до 15 ТГц приведены на рис. 2. Данные по показателям преломления для более узкого диапазона – от 0,4 до 1,6 ТГц – получены ранее авторами [4].
Важным направлением современных НИР по приборам управления фазой и другими параметрами ТГц-излучения является интеграция ЖК с искусственными микроструктурами или наноматериалами. Некоторые из них представляют собой разновидности метаматериалов, имеющих необычные электрические, магнитные и оптические свойства.
Одной из таких систем является метаповерхность. Для справки приведем ее определение из [18]. Электромагнитными метаповерхностями принято называть двумерно-периодические структуры с периодом и размерами элементарных ячеек много меньшими длины волны. С их помощью можно получить произвольное распределение электромагнитного поля посредством настройки свойств элементарных ячеек данных структур на микроуровне. В частности, становится возможным произвольно управлять характеристиками электромагнитных волн заданных источников (амплитудой, фазой, поляризацией и пространственным распределением) при их прохождении и / или отражении.
Сложную структуру имеет диэлектрическая метаповерхность, предложенная в [19]. В ней используется материал с большим наведенным двулучепреломлением, имеющим аномальную дисперсию, то есть величина Δn не уменьшается с ростом длины волны как в обычных ЖК, а увеличивается.
В разработке используются двуслойные графеновые решетки, переключающие поляризационное состояние света между «линейное – линейное» к «линейное – круговое». Эти искусственные микроструктуры скомбинированы с ЖК для управляемых ТГц-фазосдвигателей и широкозонных волновых пластин. Если усилить взаимодействие между ЖК и наноматериалами, чувствительными к электрическому или магнитному полю, можно существенно повысить эффективность ТГц фазовых устройств.
В приведенных выше примерах модуляция ТГц-излучения происходила вследствие изменения двулучепреломления ЖК под действием электрического сигнала или поля световой волны. Интересный эффект модуляции за счет управляемого изменения поглощения света описан в [20]. В ЖК-ячейке с красителем (dye-doped liquid crystal, сокращенно DDLC) создается встроенная метаповерхность. Если ячейка облучается линейно поляризованным светом накачки, то это вызывает поглощение света в красителе, рассеяние падающих ТГц-волн и уменьшение пропускания ТГц-метаповерхности на резонансных частотах. Кроме того, пропускание уменьшается при уменьшении длительности накачки. Молекулы красителя, поглотившие свет, удаляются из подложки при нагреве ячейки горячей пластиной. Спектры ячейки до облучения светом накачки и после нагрева похожи. Поэтому описанная ячейка является оптически включаемым и термически стираемым ТГц-модулятором интенсивности. Такие ячейки имеют потенциал для разработки аттенюаторов интенсивности в системах формирования ТГц-изображений, изоляторов частоты в терагерцовой связи, пространственных модуляторов света для кодировки и декодировки информации в ТГц-диапазоне.
Создание других метаповерхностей с использованием ЖК-элементов в ТГц-диапазоне описано также в работах [21–23].
Полностью оптическое переключение без использования электронных сигналов за существенно более короткое время, чем в обычных электронных устройствах, в видимом, терагерцовом и длинноволновом диапазонах спектра достигается за счет применения нелинейно-оптических эффектов в ЖК [24]. Для управления амплитудой и скоростью переключения индуцируемого электрическим полем световой волны эффекта Керра в ЖК необходимо знать и учитывать переориентацию ЖК под действием не только электрического поля, но и течений, возникающих как из-за тепловых эффектов, но и переориентации ЖК, а также отклик на поле индивидуальных молекул.
Приведем примеры ТГц-изображений и компьютерных методов их обработки.
Например, для формирования изображений биологических тканей в отраженном свете нужно модулировать излучение не монохроматическое, а с непрерывным спектром [25]. Для лучшего контраста рекомендуется использование р-поляризованных ТГц-волн. Пример такого изображения приведен на рис. 3.
Проблемы цифровой обработки ТГц-изображений для задач общественной безопасности и борьбы с терроризмом обсуждаются в статье [26]. В настоящее время пока еще нет наборов баз данных таких изображений для разработки эффективных алгоритмов обнаружения вследствие большого сходства изображений и их плохого качества.
В статье представлена схема «Извлечение твердых (надежных) примеров» (Hard Example Mining, сокращенно HEM) на основе программы работы с изображениями RetinaNet. Этот набор данных сравнивает эффективность некоторых современных программ обнаружения (YOLOv3, YOLOv4, FRCN-OHEM, RetinaNet). Эксперимент показывает, что наилучшие результаты получены при использовании RetinaNet, усовершенствованной модулями mAP и HEM.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00466, https://rscf.ru/project/22-29-00466/.
Литература
Баграев Н. Т., Клячкин Л. Е., Маляренко А. М., Новиков Б. А. Применение кремниевых источников терагерцевого излучения в медицине // Клиническая медицина. 2015. № 5(41). С. 64–79.
Mavrona E. Functionalised Liquid Crystals for manipulating Terahertz radiation. PhD thesis. Faculty of Physical Sciences and Engineering Physics and Astronomy. University of Southampton. 2016.
Progress In Electromagnetics Research. Chief Editors: W. C. Chew, S. He. ELECTROMAGNETIC WAVES, PIER 147. EMW Publishing Cambridge, Massachusetts, USA. 2014.
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.
Hu W., Shen Z., Wang L., Lu Y. Tunable terahertz elements enabled by liquid crystals and liquid crystal polymers. JSAP-OSA Joint Symposia 2019 Abstracts. OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 2019), paper 19p_E215_7.
https://opg.optica.org/abstract.cfm? URI=JSAP‑2019-19p_E215_7.
Park H., Parrott E. P. J., Fan F., Lim M., Han H., Chigrinov V. G., Pickwell-MacPherson E. Evaluating liquid crystal properties for use in terahertz devices // Optics Express. 2012. V. 20. Issue 11. PP. 11899–11905.
https://doi.org/10.1364/OE.20.011899.
Du Y., Tian H., Cui X., Wang H., Zhou Z.-X. Electrically tunable liquid crystal terahertz phase shifter driven by transparent polymer electrodes // Journal of Materials Chemistry. 2016. № 4. PP. 4138–4142.
https://doi.org/10.1039/C6TC00842A.
Hsieh C.-F., Pan R.-P., Tang T.-T., Chen H.-L., Pan C.-L. Voltage-controlled liquid-crystal terahertz phase shifter and quarter-wave plate // Optics Letters. 2006. V. 31. Issue 8. PP. 1112–1114. (2006).
https://doi.org/10.1364/OL.31.001112
Yang C.-S., Tang T.-T., Chen P.-H., Pan R.-P., Yu P., Pan C.-L. Voltage-controlled liquid-crystal terahertz phase shifter with indium–tin–oxide nanowhiskers as transparent electrodes // Opt. Lett. 2014. V. 39. No. 8. PP. 2511–2513.
Ji Y.-Y., Fan F., Wang X.-H., Chang S.-J. Broadband controllable terahertz quarter-wave plate based on graphene gratings with liquid crystals // Opt. Express. 2018. V. 26. No. 10. PP. 12852–12862.
Li K., Zhang R., Chen Z., Srivastava A. K., Xin T., Zhang C., Chigrinov V. G., Tsang H. K., Pickwell-Mac-Pherson E. Electrically Tunable Terahertz Liquid Crystal Spatial Phase Shifter // 2018. 43rd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510485.
Shen Z.-X., Tang M.-J., Chen P., Zhou S.-H., Ge S.-J., Duan W., Wei T., Liang X., Hu W., Lu Y.-Q. Planar Terahertz Photonics Mediated by Liquid Crystal Polymers // Advanced Optical Materials. 2020. V. 8. No. 7. P. 1902124.
Dierking I., Altmann K., Reuter M., Garbat K., Koch M., Dabrowski R. Polymer stabilized liquid crystal phase shifter for terahertz waves // Optics Express. 2013. V. 21. No. 10. P. 12395–12400. https://doi.org/10.1364/OE.21.012395.
Nakanishi A., Hayashi S., Satozono H., Fujita K. Polarization Imaging of Liquid Crystal Polymer Using Terahertz Difference-Frequency Generation Source // Applied Sciences 2021. V. 11. No. 21. PP. 10260.
https://doi.org/10.3390/app112110260.
Tao J., Li X., Song Sh. Comparative Analysis of n-bit LCP-based Terahertz Reflectarray. 2020. 9th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). 4–7 Aug. 2020. DOI: 10.1109/APCAP50217.2020.9246152.
Rutz F., Hasek T., Koch M., Richter H., Ewert U.
Terahertz birefringence of liquid crystal polymers // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 221911. https://doi.org/10.1063/1.2397564.
Vieweg N., Fischer B. M., Reuter M., Kula P., Dabrowski R., Celik M. A., Frenking G., Koch M., Jepsen P. U. Ultrabroadband terahertz spectroscopy of a liquid crystal // Optics Express. 2012. V. 20. No. 27. PP. 28249–28256. https://doi.org/10.1364/OE.20.028249.
Sayanskiy A., Kuznetsov S. A., Tanygina D. S., J. P. del Risco, Glybovski S., Baena J. D. Frequency controllable polarization rotation of THz waves with a self-complementary metasurface // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. PP. 1–1.
https://doi.org/10.1109/tap.2019.2948738.
Ji Y., Fan F., Chang S. Review of terahertz phase control devices based on liquid crystal integrated with microstructures or nanomaterials // Proc. SPIE 11909. Tenth International Symposium on Ultrafast Phenomena and Terahertz Waves (ISUPTW 2021). 119090A (9 September 2021). https://doi.org/10.1117/12.2604033.
Shih Y.-H., Silalahi H. M., Tsai T.-I., Chen Y.-C., Su J.-Y., Lee C.-R., Huang C.-Y. Optically Tunable and Thermally Erasable Terahertz Intensity Modulators Using Dye-Doped Liquid Crystal Cells with Metasurfaces // Crystals. 2021. https://doi.org/10.3390/cryst11121580.
Wang P.-Y., Rennings A., Erni D. A Liquid Crystal Based Dynamic Metasurface for Beam Steering and Computational Imaging // IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). 2020. PP. 631–633.
Jakoby R., Gaebler A., Weickhmann C. Microwave Liquid Crystal Enabling Technology for Electronically Steerable Antennas in SATCOM and 5G Millimeter-Wave Systems // Crystals. 2020. No. 10. P. 514.
Meng X., Nekovee M., Wu D. The Design and Analysis of Electronically Reconfigurable Liquid Crystal-Based Reflectarray Metasurface for 6G Beamforming, Beamsteering, and Beamsplitting // IEEE Access. 2021. V. 9. PP. 155564–155575.
Khoo I. C., Zhao S. Multiple Time Scales Optical Nonlinearities of Liquid Crystals for Optical-Terahertz-Microwave Applications (Invited Review) // Progress In Electromagnetics Research. 2014. V. 147. PP. 37–56.
https://doi.org/10.2528/PIER14032301.
Wu L., Wang Y., Li H., Wang Z., Ge M., Xu D., Yao J. Optimization for continuous-wave terahertz reflection imaging for biological tissues // Journal of Biophotonics. 2022. V. 15. No. 1. P. e202100245.
https://doi.org/10.1002/jbio.202100245
Li L., Xue F., Liang D., Chen X. A Hard Example Mining Approach for Concealed Multi-Object Detection of Active Terahertz Image // Applied Sciences. 2021. V. 11. No. 23. P. 11241. https://doi.org/10.3390/app112311241
В. Беляев, д. т. н.
В настоящее время наблюдается бум разработок и публикаций по различным устройствам терагерцового излучения и его модуляции. Оно применяется для контроля качества продукции, мониторинга оборудования, а также в биологии, медицине, для обеспечения безопасности людей [1]. При этом используется свойство многих материалов (пластиковая, бумажная тара, биологические ткани) быть прозрачными в ТГц-диапазоне спектра, но непрозрачными в видимом. Важным направлением является формирование двумерных изображений в ТГц-части спектра аналогично тому, как видеокамеры и дисплеи делают это для видимого диапазона.
Для более широкого использования нужны не только источники и приемники ТГЦ-излучения с улучшенными характеристиками (мощность, чувствительность, энергопотребление, спектральный диапазон и т. п.), но и устройства по преобразованию, перенаправлению, модуляции излучения. По сравнению с методами управления видимым излучением возникает трудность из-за большей длины ТГц-волны и другого диапазона спектра молекулярных колебаний.
Описание методов формирования и исследования ТГц-излучения и применяемых для этих целей материалов приведено в работе [2].
Обзор современных методов формирования изображений биологических тканей и объектов, основанных на различных физических принципах, в том числе оптических, для различных диапазонов спектра представлен в [3].
Для управления излучением ТГц-диапазона эффективными являются различные виды жидкокристаллических (ЖК) устройств [4–6]. В этой статье приводится описание новых конструкций и материалов таких приборов, благодаря чему существенно улучшаются их эксплуатационные и функциональные характеристики. Большое внимание уделено проблемам создания двумерного изображения в ТГц-диапазоне, в том числе и для биологических тканей и объектов. Анализируются перспективы развития этого вида устройств.
Существует много видов жидкокристаллических устройств, осуществляющих модуляцию оптического излучения и визуализацию как двумерных, так и трехмерных объектов для длин волн видимого спектра. При переходе в ТГц-интервал изменение длины волны спектра в несколько раз, а то и десятки раз, требует использования других материалов для функциональных слоев ЖК-модулятора. Для модуляции нужны ЖК-ячейки существенно большей толщины, что вызывает увеличение времени электрооптического отклика, рабочего напряжения и ухудшение некоторых других параметров.
В настоящее время предложено много конструкций и материалов для преодоления этого обстоятельства.
В статье [7] показано, что модуляция (сдвиг фазы) в ТГц-диапазоне осуществляется в ЖК-ячейке толщиной 500 мкм, управляемой электрическим напряжением 6,7 В, приложенным к ячейке с органическим электродом (допированный диметилсульфоксидом поли(3,4‑этилендиокситиофен): поли(4‑стиролсульфонат), в литературе PEDOT : PSS), который имеет высокую прозрачность (~90%). Максимальный фазовый сдвиг 129,4° достигался на частоте 1,17 ТГц. Аналогичные параметры получены в [8], где описана переключаемая ахроматическая четвертьволновая пластина с ЖК. Ее частотный диапазон может быть расширен с 0,20–0,50 ТГц до 0,30–0,70 ТГц за счет введения в конструкцию трех ЖК фазовых пластин, в которых двулучепреломление управляется магнитным полем, а не электрическим, как в большинстве ЖК-устройств.
А в разработке [9] в ТГц-фазосдвигателе с параметрами модуляции того же порядка (сдвиг фаз π / 2 при частоте 1 ТГц и толщине слоя ЖК 500 мкм) применены слои электрода на основе окиси индия и олова с нановискерами (тонкими колонками) этого материала. Прозрачность такой пленки 75%.
Широкозонная (0,35 ТГц) переключаемая четвертьволновая пластина продемонстрирована в [10] с использованием графеновой дифракционной решетки со слоем жидкого кристалла для возможного применения в спектроскопии, связи при получении поляризованных изображений в ТГц-диапазоне.
Решеточная система электродов, управляющих ориентацией ЖК и, соответственно, изменением его оптических свойств, применена в [11]. Между двумя слоями ЖК, управляемыми системами встречно-штырьевых электродов со взаимно ортогональной ориентацией этих электродов, помещена фазовая пластина с разностью фаз 45°. Кроме обеспечения фазового сдвига в ТГц-диапазоне, такое устройство может работать и как адаптивная линза с перестраиваемым фокусным расстоянием.
Большие ожидания возлагаются не только на низкомолекулярные ЖК, но и на ЖК-полимеры, благодаря возможности формирования пленок большой площади как на жестких, так и гибких подложках [12, 13]. Методом фотоориентации можно записать в слое полимерного ЖК двумерное распределение его оптических характеристик.
В результате можно получать ТГц-элементы с самыми различными свойствами: волновые пластины, поляризационные решетки и линзы для управления поляризацией, отклонением пучка, его фокусировки или коллимации. Фокусное расстояние линз может переключаться. Можно создавать устройства с очень сложной структурой, как, например, генераторы оптических вихрей или Бесселевых пучков, которые могут функционировать в качестве разделенных каналов при мультиплексировании с разделением режимов в ТГц-связи.
С использованием ЖК-полимера и ТГц-источника генерации разностной частоты (difference-frequency generation) можно создавать двумерные поляризационные изображения (рис. 1) [14].
В разработке 723 Института компьютерных микросхем (723 Institute of CSIC) в китайском городе Янгчжоу реализован фазовый сдвиг, превышающий 360° на частоте 0,34 ТГц, за счет использования двойных диэлектрических ячеек с ЖК-полимером [15]. Благодаря этому стала возможной реализация многоэлементного устройства с цифровым управлением состояния. Переконфигурируемое отражательное n-битное (число битов 1, 2, 3) устройство (reconfigurable reflectarray, сокращенно RRA) состоит из 30 × 30 элементов. При двух битах устройство имеет простую структуру с четырьмя состояниями, что позволяет эффективно и недорого использовать его в исследованиях мозга.
По сравнению с видимым диапазоном для терагерцовой области спектра проблемой является измерение физических свойств материалов. Для измерения двулучепреломления ЖК-полимеров разработан метод терагерцового зондирования короткими импульсами (time-domain spectroscopy) ЖК-полимера, впрыскиваемого в некоторую форму (injection molded liquid crystalline polymers), внутри которой ориентация ЖК может принимать различные направления [16].
Аналогичный метод бездисперсионного терагерцового зондирования короткими импульсами на основе двуцветной плазменной генерации и обнаружения когерентного сдвига в воздухе (dispersion-free THz timedomain spectrometer system based on two-color plasma generation and air biased coherent detection (ABCD)) описан в [17]. Для справки: при двуцветной плазменной генерации используется так называемый двуцветный лазерный импульс, содержащий компоненту в ближнем ИК-диапазоне и ее вторую гармонику.
Оптические характеристики ЖК-вещества 5CB (пентилцианобифенил) в диапазоне от 0,3 до 15 ТГц приведены на рис. 2. Данные по показателям преломления для более узкого диапазона – от 0,4 до 1,6 ТГц – получены ранее авторами [4].
Важным направлением современных НИР по приборам управления фазой и другими параметрами ТГц-излучения является интеграция ЖК с искусственными микроструктурами или наноматериалами. Некоторые из них представляют собой разновидности метаматериалов, имеющих необычные электрические, магнитные и оптические свойства.
Одной из таких систем является метаповерхность. Для справки приведем ее определение из [18]. Электромагнитными метаповерхностями принято называть двумерно-периодические структуры с периодом и размерами элементарных ячеек много меньшими длины волны. С их помощью можно получить произвольное распределение электромагнитного поля посредством настройки свойств элементарных ячеек данных структур на микроуровне. В частности, становится возможным произвольно управлять характеристиками электромагнитных волн заданных источников (амплитудой, фазой, поляризацией и пространственным распределением) при их прохождении и / или отражении.
Сложную структуру имеет диэлектрическая метаповерхность, предложенная в [19]. В ней используется материал с большим наведенным двулучепреломлением, имеющим аномальную дисперсию, то есть величина Δn не уменьшается с ростом длины волны как в обычных ЖК, а увеличивается.
В разработке используются двуслойные графеновые решетки, переключающие поляризационное состояние света между «линейное – линейное» к «линейное – круговое». Эти искусственные микроструктуры скомбинированы с ЖК для управляемых ТГц-фазосдвигателей и широкозонных волновых пластин. Если усилить взаимодействие между ЖК и наноматериалами, чувствительными к электрическому или магнитному полю, можно существенно повысить эффективность ТГц фазовых устройств.
В приведенных выше примерах модуляция ТГц-излучения происходила вследствие изменения двулучепреломления ЖК под действием электрического сигнала или поля световой волны. Интересный эффект модуляции за счет управляемого изменения поглощения света описан в [20]. В ЖК-ячейке с красителем (dye-doped liquid crystal, сокращенно DDLC) создается встроенная метаповерхность. Если ячейка облучается линейно поляризованным светом накачки, то это вызывает поглощение света в красителе, рассеяние падающих ТГц-волн и уменьшение пропускания ТГц-метаповерхности на резонансных частотах. Кроме того, пропускание уменьшается при уменьшении длительности накачки. Молекулы красителя, поглотившие свет, удаляются из подложки при нагреве ячейки горячей пластиной. Спектры ячейки до облучения светом накачки и после нагрева похожи. Поэтому описанная ячейка является оптически включаемым и термически стираемым ТГц-модулятором интенсивности. Такие ячейки имеют потенциал для разработки аттенюаторов интенсивности в системах формирования ТГц-изображений, изоляторов частоты в терагерцовой связи, пространственных модуляторов света для кодировки и декодировки информации в ТГц-диапазоне.
Создание других метаповерхностей с использованием ЖК-элементов в ТГц-диапазоне описано также в работах [21–23].
Полностью оптическое переключение без использования электронных сигналов за существенно более короткое время, чем в обычных электронных устройствах, в видимом, терагерцовом и длинноволновом диапазонах спектра достигается за счет применения нелинейно-оптических эффектов в ЖК [24]. Для управления амплитудой и скоростью переключения индуцируемого электрическим полем световой волны эффекта Керра в ЖК необходимо знать и учитывать переориентацию ЖК под действием не только электрического поля, но и течений, возникающих как из-за тепловых эффектов, но и переориентации ЖК, а также отклик на поле индивидуальных молекул.
Приведем примеры ТГц-изображений и компьютерных методов их обработки.
Например, для формирования изображений биологических тканей в отраженном свете нужно модулировать излучение не монохроматическое, а с непрерывным спектром [25]. Для лучшего контраста рекомендуется использование р-поляризованных ТГц-волн. Пример такого изображения приведен на рис. 3.
Проблемы цифровой обработки ТГц-изображений для задач общественной безопасности и борьбы с терроризмом обсуждаются в статье [26]. В настоящее время пока еще нет наборов баз данных таких изображений для разработки эффективных алгоритмов обнаружения вследствие большого сходства изображений и их плохого качества.
В статье представлена схема «Извлечение твердых (надежных) примеров» (Hard Example Mining, сокращенно HEM) на основе программы работы с изображениями RetinaNet. Этот набор данных сравнивает эффективность некоторых современных программ обнаружения (YOLOv3, YOLOv4, FRCN-OHEM, RetinaNet). Эксперимент показывает, что наилучшие результаты получены при использовании RetinaNet, усовершенствованной модулями mAP и HEM.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00466, https://rscf.ru/project/22-29-00466/.
Литература
Баграев Н. Т., Клячкин Л. Е., Маляренко А. М., Новиков Б. А. Применение кремниевых источников терагерцевого излучения в медицине // Клиническая медицина. 2015. № 5(41). С. 64–79.
Mavrona E. Functionalised Liquid Crystals for manipulating Terahertz radiation. PhD thesis. Faculty of Physical Sciences and Engineering Physics and Astronomy. University of Southampton. 2016.
Progress In Electromagnetics Research. Chief Editors: W. C. Chew, S. He. ELECTROMAGNETIC WAVES, PIER 147. EMW Publishing Cambridge, Massachusetts, USA. 2014.
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.
Hu W., Shen Z., Wang L., Lu Y. Tunable terahertz elements enabled by liquid crystals and liquid crystal polymers. JSAP-OSA Joint Symposia 2019 Abstracts. OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 2019), paper 19p_E215_7.
https://opg.optica.org/abstract.cfm? URI=JSAP‑2019-19p_E215_7.
Park H., Parrott E. P. J., Fan F., Lim M., Han H., Chigrinov V. G., Pickwell-MacPherson E. Evaluating liquid crystal properties for use in terahertz devices // Optics Express. 2012. V. 20. Issue 11. PP. 11899–11905.
https://doi.org/10.1364/OE.20.011899.
Du Y., Tian H., Cui X., Wang H., Zhou Z.-X. Electrically tunable liquid crystal terahertz phase shifter driven by transparent polymer electrodes // Journal of Materials Chemistry. 2016. № 4. PP. 4138–4142.
https://doi.org/10.1039/C6TC00842A.
Hsieh C.-F., Pan R.-P., Tang T.-T., Chen H.-L., Pan C.-L. Voltage-controlled liquid-crystal terahertz phase shifter and quarter-wave plate // Optics Letters. 2006. V. 31. Issue 8. PP. 1112–1114. (2006).
https://doi.org/10.1364/OL.31.001112
Yang C.-S., Tang T.-T., Chen P.-H., Pan R.-P., Yu P., Pan C.-L. Voltage-controlled liquid-crystal terahertz phase shifter with indium–tin–oxide nanowhiskers as transparent electrodes // Opt. Lett. 2014. V. 39. No. 8. PP. 2511–2513.
Ji Y.-Y., Fan F., Wang X.-H., Chang S.-J. Broadband controllable terahertz quarter-wave plate based on graphene gratings with liquid crystals // Opt. Express. 2018. V. 26. No. 10. PP. 12852–12862.
Li K., Zhang R., Chen Z., Srivastava A. K., Xin T., Zhang C., Chigrinov V. G., Tsang H. K., Pickwell-Mac-Pherson E. Electrically Tunable Terahertz Liquid Crystal Spatial Phase Shifter // 2018. 43rd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2018.8510485.
Shen Z.-X., Tang M.-J., Chen P., Zhou S.-H., Ge S.-J., Duan W., Wei T., Liang X., Hu W., Lu Y.-Q. Planar Terahertz Photonics Mediated by Liquid Crystal Polymers // Advanced Optical Materials. 2020. V. 8. No. 7. P. 1902124.
Dierking I., Altmann K., Reuter M., Garbat K., Koch M., Dabrowski R. Polymer stabilized liquid crystal phase shifter for terahertz waves // Optics Express. 2013. V. 21. No. 10. P. 12395–12400. https://doi.org/10.1364/OE.21.012395.
Nakanishi A., Hayashi S., Satozono H., Fujita K. Polarization Imaging of Liquid Crystal Polymer Using Terahertz Difference-Frequency Generation Source // Applied Sciences 2021. V. 11. No. 21. PP. 10260.
https://doi.org/10.3390/app112110260.
Tao J., Li X., Song Sh. Comparative Analysis of n-bit LCP-based Terahertz Reflectarray. 2020. 9th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). 4–7 Aug. 2020. DOI: 10.1109/APCAP50217.2020.9246152.
Rutz F., Hasek T., Koch M., Richter H., Ewert U.
Terahertz birefringence of liquid crystal polymers // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 221911. https://doi.org/10.1063/1.2397564.
Vieweg N., Fischer B. M., Reuter M., Kula P., Dabrowski R., Celik M. A., Frenking G., Koch M., Jepsen P. U. Ultrabroadband terahertz spectroscopy of a liquid crystal // Optics Express. 2012. V. 20. No. 27. PP. 28249–28256. https://doi.org/10.1364/OE.20.028249.
Sayanskiy A., Kuznetsov S. A., Tanygina D. S., J. P. del Risco, Glybovski S., Baena J. D. Frequency controllable polarization rotation of THz waves with a self-complementary metasurface // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. PP. 1–1.
https://doi.org/10.1109/tap.2019.2948738.
Ji Y., Fan F., Chang S. Review of terahertz phase control devices based on liquid crystal integrated with microstructures or nanomaterials // Proc. SPIE 11909. Tenth International Symposium on Ultrafast Phenomena and Terahertz Waves (ISUPTW 2021). 119090A (9 September 2021). https://doi.org/10.1117/12.2604033.
Shih Y.-H., Silalahi H. M., Tsai T.-I., Chen Y.-C., Su J.-Y., Lee C.-R., Huang C.-Y. Optically Tunable and Thermally Erasable Terahertz Intensity Modulators Using Dye-Doped Liquid Crystal Cells with Metasurfaces // Crystals. 2021. https://doi.org/10.3390/cryst11121580.
Wang P.-Y., Rennings A., Erni D. A Liquid Crystal Based Dynamic Metasurface for Beam Steering and Computational Imaging // IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). 2020. PP. 631–633.
Jakoby R., Gaebler A., Weickhmann C. Microwave Liquid Crystal Enabling Technology for Electronically Steerable Antennas in SATCOM and 5G Millimeter-Wave Systems // Crystals. 2020. No. 10. P. 514.
Meng X., Nekovee M., Wu D. The Design and Analysis of Electronically Reconfigurable Liquid Crystal-Based Reflectarray Metasurface for 6G Beamforming, Beamsteering, and Beamsplitting // IEEE Access. 2021. V. 9. PP. 155564–155575.
Khoo I. C., Zhao S. Multiple Time Scales Optical Nonlinearities of Liquid Crystals for Optical-Terahertz-Microwave Applications (Invited Review) // Progress In Electromagnetics Research. 2014. V. 147. PP. 37–56.
https://doi.org/10.2528/PIER14032301.
Wu L., Wang Y., Li H., Wang Z., Ge M., Xu D., Yao J. Optimization for continuous-wave terahertz reflection imaging for biological tissues // Journal of Biophotonics. 2022. V. 15. No. 1. P. e202100245.
https://doi.org/10.1002/jbio.202100245
Li L., Xue F., Liang D., Chen X. A Hard Example Mining Approach for Concealed Multi-Object Detection of Active Terahertz Image // Applied Sciences. 2021. V. 11. No. 23. P. 11241. https://doi.org/10.3390/app112311241
Отзывы читателей
