淺析小型聚合物分散液晶薄膜光開關(guān)

武大偉

摘 要：聚合物分散液晶又稱為PDLC（polymer dispersed liquid crystal），是存在于有機(jī)固態(tài)聚合物體內(nèi)的微小滴狀液晶。由于液晶分子的折射效應(yīng)，在光軸處液晶分子處于自由取向，液晶分子的折射率和有機(jī)固態(tài)聚合物的折射率不同，所以在光通過此處時(shí)就會(huì)散射出不透明的乳白狀態(tài)或者是半透明狀態(tài)。若是施加電場(chǎng)后，可以通過電壓調(diào)節(jié)液晶的光軸取向，當(dāng)液晶分子和基體的光軸取向相一致時(shí)，就出呈現(xiàn)透明態(tài)。撤去電場(chǎng)，液晶又恢復(fù)原態(tài)，達(dá)到顯示的作用。

關(guān)鍵詞：聚合物分散液晶 光開關(guān) 研究探討

中圖分類號(hào)：O753.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0128-02

1 基本原理

（1）聚合物分散液晶的電控開關(guān)原理。采用相分離的方式制作聚合物分散液晶的過程中，向列相液晶以極小的單位均勻地分散在固態(tài)有機(jī)聚合物體內(nèi)，在沒有電場(chǎng)的情況下，液晶呈現(xiàn)自由排列，光軸方向則呈現(xiàn)出無序取向狀態(tài)，由于液晶材料的各向異性，及與基體間的折射率不相同，導(dǎo)致入射光呈現(xiàn)出半透明乳白態(tài)。給液晶施加電場(chǎng)后，液晶受到電場(chǎng)的作用有序排列，從而使得液晶分子保持了光軸方向一致性，液晶分子的折射率和基體的折射率達(dá)到較高的一致性，使得入射光線可以透過材料，呈現(xiàn)出透明或者是半透明狀態(tài)。在沒有外電場(chǎng)的作用后，液晶分子又會(huì)回到之前沒有施加電壓時(shí)的狀態(tài)，呈現(xiàn)出散射態(tài)。所以聚合物分散液晶可以在外電場(chǎng)的作用下表現(xiàn)出電控開關(guān)的特性。

（2）兩片鍍有ITO導(dǎo)電層玻璃中間均勻地涂上液晶、預(yù)聚物和光導(dǎo)劑，形成厚度達(dá)幾微米到幾十微米不等的距離，這時(shí)候入射光照到玻璃時(shí)，就會(huì)形成明暗相間的干涉條紋而引發(fā)了液晶聚合物產(chǎn)生聚合和發(fā)散的作用過程。在亮條紋處，液晶分子隨著聚合物的作用而被強(qiáng)制移動(dòng)，導(dǎo)致分離現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而出現(xiàn)了條紋的作用不斷變化，再根據(jù)液晶分子和聚合物自身的折射特性相結(jié)合，最終形成了聚合物分散液晶的全息光柵。沒有電場(chǎng)的作用時(shí)，符合條件的入射光經(jīng)過光柵衍射的作用，導(dǎo)致出射光偏離。通過電場(chǎng)的作用后，液晶分子受電場(chǎng)的影響，有序排列，使得光軸方向與有機(jī)聚合物相一致，使得光束正常透過，但是隨電場(chǎng)的不斷增加，光柵也會(huì)隨之消失，衍射現(xiàn)在不再重復(fù)出現(xiàn)，此時(shí)入射光則按原路返回。

2 聚合物分散液晶的電光特性

2.1 聚合物分散液晶的制備

聚合物分散液晶的制備一般采用封裝法和相分離法。將聚合物和液晶均勻地混合在一起制備聚合物分散液晶的方式成為相分離法，通常有聚合引發(fā)相分離、熱引導(dǎo)相分離和溶劑誘導(dǎo)相分離3個(gè)方式。聚合引發(fā)相分離主要是通過聚合反應(yīng)將液晶分子析出小微粒，再慢慢擴(kuò)張變大以填滿聚合物的空間不能移動(dòng)為止，可以通過使用激光誘導(dǎo)，使得液晶和聚合物相分離的過程。在實(shí)驗(yàn)制備聚合物分散液晶時(shí)可以根據(jù)聚合物的材料、光引導(dǎo)劑材料和液晶材料的種類在避光的條件下將其根據(jù)不同的配比進(jìn)行充分加熱攪勻，直到溫度到達(dá)液晶的清亮點(diǎn)得到的混合物，將其均勻地夾在兩玻璃之間，通過均勻力度的壓力，使其保持一定的均勻性，用相同功率的He-Cd激光照射，對(duì)比各自的效果。

2.2 相分離的觀察研究

聚合物分散液晶在經(jīng)歷了相分離后的觀察研究發(fā)現(xiàn)，影響聚合物分散液晶的性能因素包括有液晶分子的大小和外形尺寸、液晶的種類、聚合物的種類以及在實(shí)驗(yàn)過程中加熱的時(shí)間和固化時(shí)間。固化時(shí)間和材料的種類選用直接影響到液晶微滴分子的尺寸。不同的固化溫度和時(shí)間影響到聚合物的聚合時(shí)間和液晶分子的擴(kuò)散速度，從而導(dǎo)致了液晶微滴的尺寸不一，在宏觀上則體現(xiàn)在光學(xué)性能上，不過對(duì)這些因素的研究發(fā)現(xiàn)，也明確了全息光柵的最大空間頻率。實(shí)驗(yàn)表明在相同的激光功率作用下，在允許的溫度范圍內(nèi)，溫度的升高對(duì)液晶的尺寸大小具有反相的影響，隨激光功率的增大，對(duì)固化析出相分離的時(shí)間減少，液晶微滴分子尺寸也隨之減小。

2.3 聚合物分散液晶的電控開光效應(yīng)研究

在鍍有ITO薄膜的玻璃基板中間填充上加熱后的混合材料，用相分離法獲取聚合物分散液晶膜，這層膜具有一定散射的效果，因?yàn)橐壕Х肿拥墓廨S是隨機(jī)分布的。給其施加電場(chǎng)，散射的現(xiàn)象逐漸變得清晰，在施加不同的電場(chǎng)下，所呈現(xiàn)出來的現(xiàn)象也不相同，說明了電場(chǎng)具有改變液晶分子光軸的能力，使聚合物和液晶兩者的折射率達(dá)到相互匹配的狀態(tài)，從而影響光的透過程度。

3 全息聚合物分散液晶光柵的特性研究

3.1 馬赫—曾德全息光路的曝光

馬赫—曾德全息光路曝光可以降低聚合物分散液晶材料受多種因素的影響，能保證干涉條紋的清洗記錄，在低頻全息光柵上使用較合適。馬赫—曾德實(shí)驗(yàn)是有He-Ne激光器發(fā)出的激光轉(zhuǎn)換成平面波，經(jīng)可變光闌后，再經(jīng)分束器分成投射光和反射光。投射光將反射鏡2反射后到達(dá)原來的平面，在經(jīng)過衍射后的光通過合束器到達(dá)記錄面。經(jīng)過分束器的反射光作為參考光被反射鏡1和合束器反射到記錄面上與物光干涉產(chǎn)生的干涉條紋就被記錄下來了如圖1所示。

3.2 全息衍射效率

能造成聚合物分散液晶全息光柵影響的主要因素有幾點(diǎn)：光路的影響、材料配方不一致和激光的輻射時(shí)間對(duì)光柵條紋的折射率調(diào)制深度不同。通過棱鏡的分光和入射的角度有光，要求要做到曝光面上的兩束激光能量相等，光程差為零；材料的配方可以導(dǎo)致不同程度的兩點(diǎn)顯現(xiàn)，有的配方能看到清晰的五級(jí)亮點(diǎn)，而有的配方僅能看到模糊的一級(jí)衍射點(diǎn)，尤其受液晶含量的多少影響更為明顯；光柵條紋的衍射則是因?yàn)槊靼禇l紋的折射率不同而造成的。衍射的效果是通過液晶微滴和基體二者的折射率結(jié)合而成的，所以會(huì)受到液晶微滴的條件影響，曝光時(shí)間的增加，衍射效率表現(xiàn)的情況是先升高到一定程度后在下降，根據(jù)這個(gè)可以確認(rèn)最佳的曝光時(shí)間。

4 多路光開關(guān)的應(yīng)用

通過制造不同空間頻率的光柵元件可以得到不同的全息光路，如果能把這些元件重疊起來，再通過外電場(chǎng)的作用將透光方向調(diào)節(jié)一致，就能實(shí)現(xiàn)按點(diǎn)切換的光束；若是將多層液晶光柵對(duì)應(yīng)不同的空間頻率光柵，則能順序或是同時(shí)控制電信號(hào)的施加，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出點(diǎn)的切換。

參考文獻(xiàn)

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