基于手性液晶中磁诱导透明线的角度不敏感可调谐滤波器

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Angle insensitive tunable filter on the base of the magnetically induced transparency line in cholesteric liquid crystals

　　

摘要
液晶（CLC）的潜在新型相关应用持续吸引大量研究关注。众所周知，即使在小入射角下，利用CLC层制造工作在紫外（UV）波段的可调窄带滤波器仍是一项极具挑战性的任务。在本研究中，我们探讨了最近发现的磁致透射（MIT）和磁致吸收（MIA）共振的角依赖特性。为分析所研究系统的光学特性，我们采用了Berreman方法——这是一种求解Maxwell方程的矩阵方法。我们研究了MIT和MIA共振出现的短波区域的特征模式相位谱。在该波长处，一个特征模式的相位恰好为π/2，另一个恰好为?π/2，相位差为π。我们的研究结果表明，在特定条件下，这些共振展现出卓越的角度和振幅稳定性。我们还研究了这些共振的品质因数和振幅如何依赖于系统参数。结果表明，具有局域吸收各向异性的CLC层在沿螺旋轴方向的外加磁场中，可作为窄带、角度不敏感的滤波器，也可作为窄带完美光吸收器。通过改变温度和外加的静态磁场，工作波长可在较宽范围内调节——从深紫外到近紫外。

引言
现代光电子学和光子学需要紧凑、可调、角度不敏感的器件和材料。这种角度不变性拓宽了它们的应用范围，并促进了宽角度响应光子结构的发展。在提出的解决方案中包括：基于由介电层和双轴超材料构成的一维光子晶体（1D PC）的系统[1]，具有窄带和高透射率的Fabry-Pérot腔共振[2]，拓扑界面态与Tamm等离激元之间与角度无关的耦合[3]，含有双轴超材料的一维光子晶体异质结构中的拓扑界面态[4]，全介电超材料混合一维光子晶体异质结构中的拓扑界面态[5]，含一到两个缺陷层的双轴超材料一维光子晶体[6]，嵌入金属中的亚波长介电腔[7]，间隔石墨烯拓扑结构[8]，隙等离子体共振电控可调超表面，含双轴超材料的石墨烯嵌入一维光子晶体异质结构中的拓扑界面态[9]，石墨烯嵌入混合拓扑一维光子晶体异质结构中的拓扑界面态（TISs）[10]，石墨烯嵌入拓扑光子异质结构[11]，扇形共振器周期阵列[12]，通过电纳匹配方法设计的交替金属和介电薄膜[13]，纳米共振器阵列[14]，基于氧化铟锡（ITO）的光子超晶体[15]以及其他器件。这些器件可作为角度不敏感（某些情况下还具有偏振不敏感性）的窄带或宽带反射镜、滤波器、完美吸收器、传感器、非线性光学器件、光强度调制器、慢光元件[16]，以及入射角不敏感且偏振无关的偏振旋转器[17]。

在本工作中，液晶——一类众所周知的材料——被视为实现可调、角度无关光滤波器的一种平台。得益于其螺旋周期结构，CLCs具有偏振敏感的光子带隙（PBG），传统上被用作偏振敏感元件[18]、[19]、[20]。然而，它们在宽角度器件中的应用长期受到PBG显著角依赖性的限制——其主要功能响应随入射角变化而发生显著光谱偏移[19]、[20]、[21]。近期一篇综述论文[22]介绍了非平衡活性材料的编程进展，包括活性细菌、无生命胶体和软活性材料（如刺激响应液晶聚合物网络）。文献[23]建立了螺旋锥形结构以实现前所未有的热致变色行为控制。该系统在整个可见光谱范围内表现出令人印象深刻的温度敏感性，具有近线性相关特征，反射波长每0.05°C变化5 nm。

近年来，光子学中的共振现象引起了特别关注。共振出现在有耗散系统中，这是非厄米系统的特征，其具有复本征频率[24]、[25]。非厄米共振系统的一个关键特征是复本征频率及对应本征模式的简并[26]、[27]。这些简并点被称为奇异点，与光子学中许多引人入胜的效应和应用相关，包括超高灵敏度传感器[28]、[29]、[30]、[31]、[32]，吸收诱导的发光恢复[33]，可调轨道角动量微激光器[34]，手性完美吸收器[35]，光传输控制[36]，单模发光[37]，电磁感应透明[38]，光放大器[39]，以及具有尖锐透射峰的光滤波器[40]、[41]。综述论文[42]总结了基于磁性微/纳米颗粒（MNP）的微/纳米机器人（MNR，即设计用于在狭窄空间如生物流体中导航的微小、微观器件，其依赖化学反应、磁场或活性细胞）的研究进展。

文献[43]、[44]、[45]、[46]中在有损耗的CLCs中发现了磁致透射（MIT）和磁致吸收（MIA）效应。CLCs中观测到狄拉克点的报道见[47]，研究表明MIT和MIA现象发生在狄拉克点附近。文献[48]、[49]证明，当磁光活性参数是波长依赖时，CLCs展现出复杂的带结构，包括奇异点、奇异线和狄拉克线。文献[50]、[51]识别了CLCs中的奇异点，并研究了在常数波长无关的磁光活性参数下其性质。这些效应为在关键重要的紫外波段创造光二极管和窄带可调滤波器开辟了新前景。文献[52]、[53]研究了沿螺旋轴方向外加磁场存在时CLCs在斜入射下的磁光性质。研究表明，当光斜入射到CLC层时，每阶衍射反射中存在两个新的PBG。需要注意的是，在传统的磁性光子晶体（MPC）中，光斜入射时也可观察到新的PBG[54]、[55]。此外，在外部静态磁场方向与MPC轴之间具有任意角的情况下，存在一种新的非互易性，即R(θ) ≠ R(?θ)，其中R为反射系数，θ为入射角。我们指出，在含有吸收或增益的此类系统中会发生非互易热辐射[56]、[57]。这种能力为下一代光子能系统开辟了新机遇，并提供了一条超越传统互易热能收集技术（包括光伏、热光伏[59]和太阳能转换[60]）此前已建立极限的潜在途径。

文献[43]、[44]、[45]、[46]、[47]研究了光法向入射情况下MIT和MIA共振的性质。本工作延续这一研究周期，专注于理论探究沿螺旋轴方向外加磁场中CLCs的MIT和MIA效应的角依赖性。本工作的新颖性在于，据我们所知，我们首次证明液晶材料中的MIT和MIA共振可以展现出卓越的角度稳定性。研究表明，这些共振的光谱位置和Q值——对高灵敏度传感应用至关重要——在0°到40°的入射角范围内几乎保持不变。所获得的结果为开发基于可调液晶材料的宽角度、高灵敏度光学器件（传感器、滤波器）开辟了新途径。

本文组织如下：第1节为引言。第2节介绍模型和方法。第3节给出数值计算结果和讨论。第4节给出结论。

数值分析方法
本工作考虑两种类型的CLCs：二色性液晶（DCLC），其中局域介电张量分量的实部假设相等（ε'? = ε'?），而虚部不同（ε''? ≠ ε''?），从而引入局域吸收各向异性；以及普通CLC（OCLC），其介电张量分量实部具有各向异性，虚部也可能不同（有吸收CLC）。图1显示了两种情况的问题几何结构：(a) OCLC和(b)...

结果与讨论
如引言所述，MIT和MIA效应是在文献[43]、[44]、[45]、[46]中于CLCs中首次发现的。在具有局域吸收各向异性的CLC置于沿螺旋轴方向、g为常数的外加磁场中时，一个特征模式的共振透射线和另一个特征模式的共振吸收线出现在光谱的短波侧。在(ε''? ? ε''?/2) = ±(ε''? + ε''?/2)条件下，一个特征模式在MIT波长处观察到完美透射（而...

结论
总之，我们证明了沿螺旋轴方向外加磁场中的二色性液晶中，磁致透射和吸收共振具有高度的角稳定性。与经典布拉格反射不同，MIT共振的位置和对比度在0°到40°的入射角范围内仅弱依赖于角度。

确定该现象的物理基础是特定的相位...

作者贡献
构思：A.H.G.；数值计算：A.H.G.、A.A.M.；数据分析：A.H.G.和A.A.M.；撰写——初稿：A.H.G.和A.A.M.；撰写——审阅和编辑：A.H.G.和A.A.M.。所有作者均已阅读并同意已发表论文的版本。

CRediT作者贡献声明
A.H. Gevorgyan：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、指导、调查研究、形式分析、构思。A.A. Malinchenko：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、软件、形式分析、数据管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
作者感谢N.A. Vanyushkin对论文中若干问题的宝贵讨论。

A.H. Gevorgyan | A.A. Malinchenko
远东联邦大学高技术与先进材料研究所，俄罗斯符拉迪沃斯托克 Russky岛 Ajax Bay 10号，邮编690922