模板化藍(lán)相液晶多波長濾波器

查升毫，孫長俐，馮一凡，陸建鋼

(上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240)

1 引 言

近年來，液晶光學(xué)濾波器被廣泛應(yīng)用于各種光通信與顯示領(lǐng)域，如法布里-佩羅(Fabry-Perot)濾波器[1-2]、薄膜濾波器[3]、波導(dǎo)濾波器[4]、馬赫-森德干涉儀濾波器[5]以及膽甾相液晶濾波器等。在這些濾波器中由于膽甾相液晶獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的布拉格反射，并且其中心波長很容易隨溫度和電壓調(diào)節(jié)，而被廣泛地應(yīng)用于各種濾波器之中[6-10]。2012年，黃玉華研究小組提出了一種基于熱效應(yīng)的寬帶可調(diào)濾波器[11]。Tondiglia提出了一種聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶的電致寬帶濾波器[12]。然而，膽甾相液晶濾波器的帶寬太寬，無法應(yīng)用到窄帶濾波器中，且集成式膽甾相液晶濾波器件制作工藝復(fù)雜，模板化膽甾相液晶的重構(gòu)過程會(huì)導(dǎo)致中心波長的偏移[13-15]。

液晶藍(lán)相態(tài)介于各向同性態(tài)和膽甾相之間，其自然態(tài)溫度范圍非常狹窄，一般只有1～2 ℃左右，但是模板化藍(lán)相液晶具有非常好的熱穩(wěn)定性。本文提出一種可見光波段中基于模板化藍(lán)相液晶的窄帶寬多波長濾波器，可以實(shí)現(xiàn)無中間介質(zhì)層的多層模板化藍(lán)相液晶器件，可以同時(shí)反射多個(gè)波長。相比于膽甾相液晶濾波器，模板化藍(lán)相液晶濾波器的反射帶寬更窄，其中心波長和帶寬更穩(wěn)定，且該濾波器的中心波長與帶寬可以通過不同模板的組合和材料比例的優(yōu)化任意調(diào)節(jié)。

2 材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料準(zhǔn)備

為了獲得模板化藍(lán)相液晶，實(shí)驗(yàn)所需材料系統(tǒng)包括以下成分：正性向列相液晶HBG98(江蘇和成)、手性劑(R5011,江蘇和成)、交聯(lián)劑(C3M，江蘇和成)、單體(TMPTA，江蘇和成)和光引發(fā)劑(IRG184，江蘇和成)。通過調(diào)節(jié)手性劑的比例可以獲得反射不同波長的模板化藍(lán)相液晶。為了實(shí)現(xiàn)多波長藍(lán)相液晶濾波器件，本文設(shè)計(jì)了3種手性劑摻雜濃度的材料體系，可分別實(shí)現(xiàn)反射波長為紅、綠、藍(lán)3色的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶與模板化藍(lán)相液晶，其材料配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。

表1 聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料配比Tab.1 Material mixture ratio of PS-BPLCs (%)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對比聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶與模板化藍(lán)相液晶的光譜特性，我們需要制備聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶。首先將表1中的材料在恒溫磁力攪拌器(524G,上海梅氏儀器)上攪拌約10 min，當(dāng)材料出現(xiàn)清亮透明的液體時(shí)，說明材料已經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆?，這樣我們就獲得了聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶前驅(qū)體。然后將攪拌均勻的藍(lán)相液晶前驅(qū)體在溫度控制器(HCS302, Instec Co.)上(溫度控制在各向同性態(tài))通過毛細(xì)管灌入帶有配向處理的液晶盒中。然后開始降溫觀察相態(tài)變化，確定藍(lán)相溫寬。最后通過紫外曝光(波長：365 nm，曝光時(shí)間：8 min，曝光強(qiáng)度：3 mW/cm2)制備出聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶。

圖1 藍(lán)相液晶反射光譜測量裝置Fig.1 Measurement setup for transmission spectrum of BPLC

將內(nèi)含聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的器件上下基板分離，聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶會(huì)附著在其中一塊玻璃基板上。將其放在乙醇中浸泡10 min左右，洗去液晶、手性試劑、未交聯(lián)單體和光引發(fā)劑等殘留物質(zhì)，再放置在溫度控制器上5 min，溫度保持50 ℃，確保乙醇充分揮發(fā)，最后將聚合物層與玻璃基板剝離，即可得到聚合物模板。

為了分析藍(lán)相液晶的光譜特性，利用圖1的裝置進(jìn)行測量。如圖所示，白光光源信號(hào)正入射到模板上，透過模板和玻璃基板的光信號(hào)由連接到光譜儀的光纖探頭接收，在電腦端通過軟件控制就能獲得光譜圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 多疇與單疇藍(lán)相液晶的光譜分析

由于初始狀態(tài)的不同，藍(lán)相液晶通常具有多疇結(jié)構(gòu)。這就導(dǎo)致其有一定的散射特性，反射波長的帶寬相對較寬。為了獲得窄帶寬藍(lán)相液晶器件，可以采用單晶藍(lán)相液晶或單疇藍(lán)相液晶的方法。由于單晶的制備過程復(fù)雜且穩(wěn)定性較差，本實(shí)驗(yàn)采用表面取向法[16]誘導(dǎo)單疇藍(lán)相液晶。

如圖2所示，液晶盒的玻璃基板通過配向處理，可以誘導(dǎo)出單疇特性較好的藍(lán)相液晶。單疇藍(lán)相液晶的反射光譜的半高寬約為30 nm，相比于多疇藍(lán)相液晶的半高寬(約90 nm)要窄得多，可用于實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器件。因此，本實(shí)驗(yàn)中我們使用的都是表面取向法誘導(dǎo)的單疇藍(lán)相液晶器件。

圖2 單疇和多疇藍(lán)相液晶的歸一化反射光譜圖Fig.2 Normalized spectra of multi-domain BPLC and mono-domain BPLC

3.2 聚合物穩(wěn)定單疇藍(lán)相液晶與模板化單疇藍(lán)相液晶的光譜特性分析

在表1所示的不同手性試劑濃度下，本文制備了反射波長分別為紅色、綠色以及藍(lán)色的聚合物穩(wěn)定單疇藍(lán)相液晶和模板化單疇藍(lán)相液晶。并利用圖1所示的測量系統(tǒng)測量了其反射光譜。對應(yīng)的反射光譜圖如圖3所示。藍(lán)、綠、紅3色的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的反射峰分別為447，577，658 nm，其中反射波形的半高寬分別為34 nm(藍(lán)色)、34 nm(綠色)和35 nm(紅色)。在聚合物模板上重新灌入非手性液晶HBG98，可重構(gòu)藍(lán)相液晶，重新測量，模板化藍(lán)相液晶的反射峰分別為444 nm(藍(lán)色)、572 nm(綠色)和654 nm(紅色)。模板化藍(lán)相液晶反射波形的半高寬分別為37 nm(藍(lán)色)、36 nm(綠色)和35 nm(紅色)。如圖3所示，模板藍(lán)相液晶的中心反射波長和反射波形的半高寬在模板化過程前后幾乎沒有變化。因此，模板化的單疇藍(lán)相液晶具有良好的重復(fù)性和過程穩(wěn)定性。

圖3 紅、綠、藍(lán)3種顏色的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶和模板化藍(lán)相液晶的歸一化反射光譜對比圖。Fig.3 Normalized reflection spectra of PS-BPLCs and transmission spectra of template BPLCs for blue, green, and red colors, respectively0

3.3 模板化單疇藍(lán)相液晶的角度特性分析

為了研究入射光的角度對單疇藍(lán)相液晶的中心波長的影響，實(shí)驗(yàn)中在不同入射角的情況下測量了模板化單疇藍(lán)相液晶的中心波長的變化。圖4展示了綠光波段模板化單疇藍(lán)相液晶與膽甾相液晶的中心波長隨入射角變化的光譜圖。當(dāng)入射角度為0°時(shí)，模板化單疇藍(lán)相液晶的中心波長為574 nm。隨著入射角度的增大，其中心波長發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)入射角達(dá)到60°時(shí)，中心波長偏移到了496 nm，偏移量為78 nm。當(dāng)入射角度為0°時(shí)，膽甾相液晶的中心波長為582 nm。隨著入射角度的增大，其中心波長同樣發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)入射角達(dá)到60°時(shí)，中心波長偏移到了462 nm，偏移量為120 nm。由此可見，藍(lán)相液晶器件受入射光角度變化的影響遠(yuǎn)小于膽甾相液晶，其中心波長的角度穩(wěn)定性更好。

圖4 不同入射角度下單疇藍(lán)相液晶(a)與膽甾相液晶(b)中心波長的變化Fig.4 Central wavelength variation of mono-domain BPLC (a) and CLC(b) at different incident angles

3.4 多層模板化藍(lán)相液晶濾波器的制備與特性分析

將制備好的紅綠藍(lán)三色單層聚合物模板兩兩或三層同時(shí)壓合，集成在玻璃基板上，再將非手性液晶HBG98注入其中，可以實(shí)現(xiàn)紅/綠、紅/藍(lán)、綠/藍(lán)、紅/綠/藍(lán)4種多波長濾波器。如圖5所示，紅/綠濾波器的反射峰分別為574 nm和649 nm，其半高寬分別為33 nm和34 nm。藍(lán)/綠濾光片的反射峰分別為450 nm和575 nm，其半峰寬分別為34 nm和35 nm。藍(lán)/紅濾光片的反射峰分別為450 nm和653 nm，半高寬分別為33 nm和35 nm。紅/綠/藍(lán)濾光片的反射峰分別為448，577，657 nm，其半高寬分別為34，35，34 nm。無論是雙層模板還是三層模板的藍(lán)相液晶濾波器，我們發(fā)現(xiàn)藍(lán)色的反射強(qiáng)度都比綠色和紅色的反射強(qiáng)度高，這是因?yàn)樗{(lán)色的螺旋間距要比綠色和紅色的螺旋間距短。與單層模板的藍(lán)相液晶濾波器相比，多層模板藍(lán)相液晶濾波器的反射峰和半高寬基本保持不變，最大反射峰偏移量僅為8 nm，最大半高寬變化量僅為4 nm。這表明利用該方法制備的多層模板集成濾波器件可以實(shí)現(xiàn)窄帶寬和多反射峰，反射峰波長可以通過制備時(shí)的手性劑比例自由調(diào)節(jié)，反射峰的個(gè)數(shù)可由模板的數(shù)量決定。且該工藝具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖5 紅綠濾波器(a)、藍(lán)綠濾波器(b)、紅藍(lán)濾波器(c)、和紅綠藍(lán)濾波器(d)的透射光譜圖。Fig.5 Normalized transmittance spectra of red/green filter(a), blue/green filter(b), blue/red filter(c), and red/green/blue filter(d) with multi-layer template BPLC, respectively.

4 結(jié) 論

與膽甾相液晶濾波器相比，藍(lán)相液晶濾波器的反射帶寬更窄，半高寬最窄可達(dá)35 nm，其波長和帶寬隨溫度的變化會(huì)更加穩(wěn)定，并且模板化過程中心波長基本不偏移，對應(yīng)的帶寬也保持不變。用這種方法實(shí)現(xiàn)的濾波器具有很高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。當(dāng)入射角變化時(shí)，藍(lán)相液晶的中心波長的偏移量要遠(yuǎn)小于膽甾相液晶。液晶模板化藍(lán)相液晶多波長濾波器在彩色濾光片和高密度波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中具有潛在的應(yīng)用前景。