菲涅爾液晶透鏡的制備及偏光織構(gòu)研究

黃 翀,鄒 敏,歐陽艷東,吳永俊

(1.汕頭大學(xué)物理系,廣東 汕頭,515063;2.汕頭超聲顯示器有限公司,廣東 汕頭,515041)

0 引言

菲涅爾波帶片F(xiàn)ZP(Fresnel Zone Plate)是菲涅爾衍射的一個(gè)重要應(yīng)用,它是一種多焦點(diǎn)的光學(xué)衍射器件,已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程通訊、天文觀察、同步輻射等領(lǐng)域[1].與一般透鏡相比,FZP沒有球差和慧差等象差[2].菲涅爾波帶透鏡是具有離散相位臺(tái)階的多相位器件,可消除高衍射級(jí)次,使光盡可能地集中到一個(gè)主焦點(diǎn)上來,并具有透鏡的性質(zhì),已廣泛應(yīng)用于光信息處理、毫米波器件、光互聯(lián)、三維顯示等領(lǐng)域[3-6].如果改變透鏡材料的折射率,相應(yīng)的焦距會(huì)隨之一同改變[7].為制造焦距可變的菲涅爾波帶透鏡,需要物理特性可電控的材料[8].液晶是一種各向異性材料,通過施加低電壓就可以顯著地改變折射率,因此,液晶是制備電控可調(diào)光學(xué)器件的優(yōu)良材料[9].將菲涅爾波帶片和液晶材料結(jié)合,制備成菲涅爾液晶透鏡,就可利用液晶的電光特性和低工作電壓來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)變焦.

近年來,對(duì)菲涅爾液晶透鏡的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣[10-12].菲涅爾液晶透鏡的傳統(tǒng)制備方法有電子束直寫法和薄膜沉積技術(shù)[13-14],但制造工藝復(fù)雜且衍射效率不可調(diào).聚合物穩(wěn)定液晶(PSLC)菲涅爾透鏡與聚合物分散液晶(PDLC)菲涅爾透鏡雖然

項(xiàng)目資助:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(NO.60778032)工藝簡單,但工作電壓高[10-11].針對(duì)上述缺陷,本文提出了一種制備工藝簡單、工作電壓低的新型菲涅爾液晶透鏡.將光刻掩膜版進(jìn)行一次紫外曝光,得到了菲涅爾波帶式電極,灌注TN型液晶并制備為樣品.此外,對(duì)菲涅爾波帶電極下液晶分子的微觀變化鮮有報(bào)道.本文用XP-203E型偏光顯微鏡對(duì)其在不同外加電壓下進(jìn)行了觀察.

1 基本原理

根據(jù)菲涅爾半波帶理論,若用一屏把波面上奇數(shù)半波帶或偶數(shù)半波帶遮掉,只讓偶數(shù)或奇數(shù)半波帶透光,這屏就成為一菲涅爾波帶片[2].如圖1所示,(a)為只讓奇數(shù)半波帶透光,(b)為只讓偶數(shù)半波帶透光的菲涅爾波帶片.從圖1中可以看出,菲涅爾波帶片是一組透光圓環(huán)和不透光圓環(huán)相隔組成的特殊光柵[15].第m環(huán)的半徑為

其中,r1為最內(nèi)環(huán)的半徑.焦距f與半徑的關(guān)系[16]為

其中,λ為入射光的波長.

在對(duì)菲涅爾衍射作傅立葉變換的過程中,由于高階衍射級(jí)次的存在,在,,……等處有不為零的光場(chǎng)振幅,形成次焦點(diǎn)[17-18].

圖1 菲涅爾波帶片環(huán)帶結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計(jì)

根據(jù)公式(1)和(2),設(shè)菲涅爾波帶片焦距f=1500 mm,入射光波長λ=550 nm,得到菲涅爾波帶片各環(huán)帶的半徑r及環(huán)帶寬度d,如表1所示.

由于液晶盒兩電極上的電壓通過ITO薄膜施加,可以將光刻掩膜版設(shè)計(jì)為菲涅爾波帶片樣式,并用紫外光曝光,得到相應(yīng)的ITO電極.在電極上施加電壓后,形成菲涅爾波帶式電場(chǎng),從而改變液晶分子對(duì)異常光的折射率.基于上述方法,本文將光刻掩膜版設(shè)計(jì)為菲涅爾波帶樣式,圖2為對(duì)光刻掩膜版紫外曝光后形成的ITO薄膜電極圖樣.其中,暗環(huán)帶表示具有ITO薄膜,而明環(huán)帶沒有ITO薄膜.

液晶盒由兩塊ITO電極組成,圖2為其中一塊ITO薄膜電極,對(duì)于另一塊ITO薄膜的設(shè)計(jì)如圖3所示,一塊ITO薄膜為菲涅爾波帶樣式,另一塊為圓板樣式.這種設(shè)計(jì)無需校準(zhǔn)兩塊ITO薄膜的位置,加工工藝比較簡單,容易形成流水線作業(yè).

表1 各環(huán)帶半徑及寬度

圖2 紫外曝光后形成ITO薄膜電極

圖3 ITO電極樣式

3 制備

在制備菲涅爾液晶透鏡前,需要根據(jù)表1中的具體參數(shù)進(jìn)行制版,包括兩張電極菲林版(面電極和背電極)、一張邊框菲林版、一張銀點(diǎn)菲林版和一張APR凸版菲林[19].此外,向ITO玻璃供應(yīng)商采購相應(yīng)玻璃,玻璃厚度為0.55 mm,方塊電阻為80Ω/□.

該樣品的制備是在溫度25℃的潔凈室內(nèi)進(jìn)行的,生產(chǎn)的整個(gè)工藝流程如圖4:

圖4 工藝流程圖

其中成盒工藝流程如圖5示[20],一塊ITO玻璃用菲涅爾波帶式的光刻掩膜版進(jìn)行紫外光曝光約5 s,另一塊ITO玻璃不作任何處理,經(jīng)摩擦貼合后成盒.

按照上述生產(chǎn)流程制成盒厚為7.5 μm的樣品,灌注TN型液晶(由八億時(shí)空液晶材料公司生產(chǎn)),其工作電壓為3.0 V,占空比為1:1,偏壓為1:1.

圖5 菲涅爾液晶透鏡成盒工藝示意圖

4 偏光織構(gòu)

制備成樣品后,液晶分子在斷電和通電下的排列分布如圖6所示[21].(a)中斷電時(shí),液晶分子以一定的預(yù)傾角在盒內(nèi)均勻排列.通電后,盒內(nèi)的電場(chǎng)線分布如(b)所示,在奇數(shù)半波帶與偶數(shù)半波帶交界處由于邊緣效應(yīng),電場(chǎng)分布不再均勻,導(dǎo)致對(duì)應(yīng)處的液晶分子受不同的電場(chǎng)力而偏轉(zhuǎn),形成(c)中不均勻排列.相鄰波帶處的相位差Δδ為[22]

其中,nj與nj+1分別為j、j+1波帶層液晶分子的有效折射率,np與l分別為電極層的折射率和厚度,d為液晶層的厚度.由折射率橢球[23-24]分析可知,nj與nj+1會(huì)隨著液晶分子偏轉(zhuǎn)角度的不同而發(fā)生改變.

測(cè)試所采用的設(shè)備是與計(jì)算機(jī)相連的XP-203E型偏光顯微鏡,用DF1028B低頻信號(hào)發(fā)生器對(duì)樣品施加頻率為100 Hz的交流方波信號(hào),改變外加電壓大小(用數(shù)字萬用表測(cè)電壓的有效值),觀察樣品的偏光織構(gòu)變化并進(jìn)行拍照.

圖6 斷電(a)與通電(b,c)下液晶分子的分布

圖7 為在0-5.5 V下樣品經(jīng)正交偏光顯微鏡放大40倍后某一固定區(qū)域的偏光織構(gòu)圖.0 V時(shí),視場(chǎng)呈現(xiàn)亮態(tài),看不到菲涅爾波帶條紋結(jié)構(gòu),細(xì)微的顏色變化可能是由于液晶盒厚度不均勻造成的,其中的黑點(diǎn)可能為成盒過程中的塵埃顆粒或者玻璃表面附著的灰塵等雜質(zhì).逐漸增大外加電壓,到1.0 V時(shí)圖案開始顯現(xiàn)但不清晰.隨著電壓的進(jìn)一步增大,條紋越來越清晰,相鄰波帶顏色的對(duì)比度越來越強(qiáng).在3.0 V左右,黑條紋的邊界開始向相鄰波帶擴(kuò)張,并隨電壓的增加擴(kuò)展范圍逐漸增大,宏觀上表現(xiàn)為越來越粗,同時(shí)黑條紋顏色進(jìn)一步加深.這種現(xiàn)象主要是由于內(nèi)部的電極結(jié)構(gòu)造成的,如圖6所示,外加電壓越高,液晶分子所受的電場(chǎng)力越大,偏轉(zhuǎn)得也越厲害,因而黑條紋變得更加黑.電極對(duì)應(yīng)部分的不吻合造成邊界處的電場(chǎng)分布不均勻,液晶分子在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn).此外,波帶間距很小,隨著電壓的增大,波帶邊界處的電場(chǎng)線分布越密集并向外擴(kuò)展,導(dǎo)致更多的液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn),宏觀上表現(xiàn)出黑條紋變粗.

圖7 不同電壓下菲涅爾液晶透鏡的偏光織構(gòu)

5結(jié)論

基于菲涅爾衍射原理,利用液晶的雙折射特性,設(shè)計(jì)了一種TN型菲涅爾液晶透鏡,并制備為樣品,其工作電壓為3.0 V,占空比為1:1,偏壓為1:1.與電子束直寫和薄膜沉積等制造方法相比,本設(shè)計(jì)的制備工藝簡單,容易形成流水線作業(yè).

在用正交偏光顯微鏡觀察的過程中,偏光織構(gòu)隨著外加電壓的改變呈連續(xù)性的變化.1.0 V為樣品的閾值電壓.增大電壓可以提高圖像的對(duì)比度,但是由于邊緣效應(yīng)的存在,會(huì)產(chǎn)生誤差.這種電極設(shè)計(jì),雖然制備簡單,但邊緣效應(yīng)是不可避免的,因此需要進(jìn)一步改善電極結(jié)構(gòu)或開發(fā)新材料.

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