基于光控液晶光柵的研究

陳浩

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 概述

液晶作為具有特殊功能的材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，液晶的結(jié)構(gòu)居于各向同性的液體和各向異性之間，它的化學(xué)特性和物理特性都有特殊的地方。

液晶在某一個溫度區(qū)間會同時具有液體的特征和晶體的特征，這個時候液晶分子的取向沒有晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)，而且液晶分子柔軟并且容易變形。將液晶至于經(jīng)過表面取向的液晶盒當(dāng)中，液晶分子將會受到兩個扭矩的作用。第一個是變形扭矩是由邊界條件引起的，第二個扭矩是液晶盒之間施加了外部電場。當(dāng)兩個扭矩處于平衡穩(wěn)定的情況當(dāng)中時，它們的影響就會相互抵消。液晶光柵的出現(xiàn)則是電場超過了閾值打破了平衡狀態(tài)，液晶分子將會沿著外加電場的方向周期性排列使得液晶的折射率也發(fā)生周期性的變化。液晶光柵則是通過一種用于改變由諸如液晶的折射率之類的光學(xué)特性的周期性變化引起的普通光和非常光的相位差和偏轉(zhuǎn)特性的裝置[1-4]。它廣泛應(yīng)用于實(shí)際光學(xué)計算處理、衍射光學(xué)、三維圖像顯示和光電開關(guān)，而且還取得了相當(dāng)顯著的成效，獲得了國內(nèi)外很多相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的重視。本文所研究的基于光敏手性劑摻雜的光控液晶光柵制備方法簡單，驅(qū)動電壓低并且液晶光柵周期可以通過紫外光和可見調(diào)控，不需要特殊的液晶盒基板電極處理和復(fù)雜的驅(qū)動電路設(shè)計，在未來可調(diào)光柵領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值[5]。

2 實(shí)驗材料

實(shí)驗中使用的光敏手性劑為：(R)-[1,1'-聯(lián)奈]-2,2'-雙(3,5-雙(4-二氮烯基)-苯甲酸己脂)，使用的液晶為：向列相液晶E7 由石家莊誠志永華顯示材料有限公司提供，其熔點(diǎn)是-20℃，清亮點(diǎn)是61℃。在20℃的環(huán)境溫度下測得該液晶的黏度系數(shù)η=40，對于波長為589nm 的光波的折射率△n=0.223，彈性常數(shù)K=7×10-7N/m，平行介電常數(shù)ε//=17.7，垂直介電常數(shù)ε⊥=5.1，介電各向異性△ε=12.6[6]。

2.1 樣品的制備

將光敏手性劑摻雜劑摻雜到E7 液晶當(dāng)中，摻雜劑的濃度為0.75%。在配好的樣品中加入磁力轉(zhuǎn)子，放入磁力攪拌器當(dāng)中進(jìn)行攪拌，攪拌溫度設(shè)置為常溫30℃，攪拌時間應(yīng)為2 小時以上。樣品攪拌均勻后，將樣品灌入到(6.0±0.1)μm 的取向為雙面沿面的液晶盒中。

2.2 實(shí)驗基本裝置

實(shí)驗中由信號發(fā)生器和信號放大器給灌好樣品的液晶盒施加外部驅(qū)動電壓，通過偏光顯微鏡觀察液晶光柵在UV 和457光照射下的周期變化，觀察液晶光柵周期變化所造成的衍射變化則是通過以氦氖激光器為核心搭建的衍射光路來進(jìn)行觀察。

3 實(shí)驗觀察與分析

3.1 UV 照射下液晶光柵的周期變大

將灌好樣品的液晶盒放在熱臺上，保持恒溫30℃。樣品連同熱臺一起放于正交的偏光顯微鏡(POM)下進(jìn)行觀察。

通過引線連接樣品導(dǎo)電面與功率放大器的輸出端，對液晶光柵進(jìn)行電場調(diào)控。施加于液晶盒兩端的電壓驅(qū)動為fsin=30HZ，Uth=2.0V 會產(chǎn)生周期為20μm 的液晶光柵如圖1(a)所示。用UV照射樣品，液晶光柵的周期會隨著時間的增加而變大。當(dāng)施加UV 光強(qiáng)為I=0.0648mW/cm2照射樣品5min，液晶光柵的周期增大為22μm，如圖1(b)所示。圖1(c)為UV 照射樣品10min，液晶光柵周期增大為48μm。圖1(d) 為UV 照射樣品15min，液晶光柵周期增大為233μm。

圖1 UV 照射下液晶光柵變化圖

將液晶光柵放在衍射光路中，保持外加電場參數(shù)不變，施加UV 光強(qiáng)為I=0.0648mW/cm2照射樣品?？梢园l(fā)現(xiàn)樣品產(chǎn)生的衍射點(diǎn)間距隨365 光的照射時間的增加而變窄，此變化趨勢與在偏光顯微鏡下觀察到的液晶光柵周期逐漸變大的現(xiàn)象相符合。當(dāng)使用不同強(qiáng)度的UV 照射樣品，液晶光柵周期變大的速率會被影響。保持fsin=30Hz，Uth=2.0V 的交流電不變，改變UV 的光強(qiáng)時，樣品條紋周期變大的速度也會改變。UV 的光強(qiáng)I 越大，樣品條紋周期變大的速度會變快。如果在UV 照射樣品液晶光柵使光柵周期增大的過程中斷掉UV，液晶光柵周期變大的趨勢也會停止。使用不同強(qiáng)度的UV 光照射樣品相同的時間后停止照射，液晶光柵周期增大的趨勢的最終都會停止。但是由于UV 光照的強(qiáng)度不同，最后液晶光柵穩(wěn)定后的周期大小也會不相同，隨著UV 光強(qiáng)的增加液晶光柵最后穩(wěn)定時的周期越大，如圖2所示。當(dāng)用UV 光強(qiáng)I=0.0524mW/cm2照射樣品10min 后，液晶光柵的周期增大的速率最慢，液晶光柵周期大小最終會穩(wěn)定在37μm 左右。當(dāng)UV 光強(qiáng)I=0.0869mW/cm2時，液晶光柵的周期增大的速率最快，液晶光柵周期大小最終會穩(wěn)定在56μm 左右。

圖2 不同強(qiáng)度UV 照射樣品相同時間的光柵周期變化曲線

3.2 457 光照射下液晶光柵的周期變小

圖3 在波長457nm 光照射下液晶光柵變化圖

保持施加于液晶盒兩端的電壓驅(qū)動fsin=30HZ，Uth=2.0V 不變，用UV 光一直照射樣品直到在偏光顯微鏡中觀察不到液晶光柵的周期結(jié)構(gòu)。用波長λ=457nm 的光照射樣品，發(fā)現(xiàn)液晶光柵的周期結(jié)構(gòu)會隨著時間的增加而重新出現(xiàn)，并且液晶光柵的周期會逐漸變小，最終基本恢復(fù)成沒有照射UV 的初始狀態(tài)，如圖3 所示。圖3(a)為UV 照射充足時間后液晶光柵周期結(jié)構(gòu)消失，圖3(b)為用波長λ=457nm 的光照射樣品2min 后周期結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，此時的液晶光柵周期為33μm。圖3(c)為照射樣品4min，周期繼續(xù)變小為26μm。圖3(d)為照射樣品5min，周期最終變小為22μm 基本恢復(fù)成為初始狀態(tài)。將液晶光柵放在衍射光路中，保持外加電場參數(shù)不變，施加光強(qiáng)為I=0.0648mW/cm2的457nm 光照射樣品?？梢园l(fā)現(xiàn)樣品產(chǎn)生的衍射點(diǎn)間距隨457 光的照射時間的增加而變寬，最后基本恢復(fù)為原始狀態(tài)，此變化趨勢與在偏光顯微鏡下觀察到的液晶光柵周期逐漸變小的現(xiàn)象相符合。同樣品被照射UV 光一樣，當(dāng)使用不同光強(qiáng)的475nm 光照射樣品時，液晶光柵周期變小的速度也是不同的，如圖4 所示。隨著波長λ=475nm 光強(qiáng)度的增加，液晶光柵周期變小的速度越小，液晶光柵恢復(fù)成原始狀態(tài)越快。

圖4 不同光強(qiáng)的457nm 光照射下液晶光柵周期變化曲線

4 結(jié)果分析

我們觀察到的樣品形成的液晶光柵在不同光照下的周期變化，主要是由于手性分子的含有偶氮苯。不同波長的光照射手性分子會改變分子的手性，分子的手性具體被稱為螺旋扭曲力常數(shù)(Helical Twisting Power,HTP)。當(dāng)用UV 光照射手性分子時分子的構(gòu)象會發(fā)生改變從而分子手性變?nèi)?，即HTP 值變小[7]。當(dāng)用波長λ=457nm 的光照射手性分子時，手性分子的構(gòu)象又會慢慢恢復(fù)，手性分子又具有了手性直到基本恢復(fù)原狀，即HTP 變大。手性分子手性的變化直接影響著液晶分子的螺距p，具體關(guān)系為：

其中C 表示手性劑在液晶組合物中的含量，即濃度。當(dāng)手性劑濃度一定時HTP 值越小螺距p 越大，即液晶光柵周期越大，HTP 值越大螺距越小，即液晶光柵周期越小。

5 結(jié)論

本文通過將光敏手性劑與向列型液晶混合制成了光控液晶光柵，通過UV 照射液晶光柵使液晶光柵的周期增大，同時液晶光柵周期增大的速度可以通過改變UV 光強(qiáng)來控制，而且還通過控制UV 光照射的時間來控制液晶光柵周期需要增大到多少。通過給液晶光柵照射波長λ=457nm 的光來恢復(fù)液晶光柵到初始狀態(tài)，同時也可以控制457nm 光的光強(qiáng)來控制液晶光柵的恢復(fù)速度。本文的工作是對傳統(tǒng)液晶光柵鄰域的一個擴(kuò)展，這種光控光柵有望在圖像處理、光開關(guān)、光束調(diào)制等其它光通信領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。