手性液晶在DMD光刻系統(tǒng)下的衍射性能研究

孫皖豫

摘要：將光敏手性劑添加到向列型液晶中制成光學(xué)器件，把器件放在DMD光刻系統(tǒng)中，添加365nm的UV光誘導(dǎo)液晶手性發(fā)生變化，再用紅光透過(guò)樣品從而觀察衍射效應(yīng)。光刻系統(tǒng)分別投影純白，黑白條紋兩種不同的圖片作為掩模版，觀察出射偏振態(tài)的變化和衍射效率。純白下的出射光偏振態(tài)會(huì)隨著光強(qiáng)的增大而順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，但是光強(qiáng)不變。黑白條紋下的衍射角度隨著UV光強(qiáng)的增大同樣順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，而衍射效率和響應(yīng)速度也隨著UV光強(qiáng)的增大而增大。無(wú)論是均勻還是周期的UV光照射，都能調(diào)制輸出光（前者是調(diào)制0級(jí)，后者是衍射1級(jí)）的偏振態(tài)。

關(guān)鍵詞：DMD;手性劑;衍射;液晶光柵;光敏材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TN141.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）25-0024-04

Abstract：Add the photosensitive chiral agent to the nematic liquid crystal to make an optical device， place the device in the DMD lithography system， add 365nm UV light to induce a change in the chirality of the liquid crystal， and then use red light to pass through the sample to observe the diffraction effect . The lithography system respectively projected two different pictures of pure white and black and white stripes as masks to observe the changes in the output polarization state and the diffraction efficiency. The polarization state of the outgoing light under pure white will be deflected clockwise as the light intensity increases， but the light intensity does not change. The diffraction angle under the black and white fringes is also deflected clockwise with the increase of UV light intensity， and the diffraction efficiency and response speed also increase with the increase of UV light intensity. Regardless of whether it is uniform or periodic UV light irradiation， it can modulate the polarization state of the output light （the former is modulated 0 order， the latter is diffraction 1 order） to realize optically adjustable polarization optical devices， which can be used for optical communication and information processing.

Key words：dmd; chiral agent; diffraction; liquid crystal grating; photosensitive material

1 引言

液晶光柵是一種重要的光學(xué)器件。液晶光柵通過(guò)改變液晶的折射率等光學(xué)特性，使其器件內(nèi)部在空間上的物理性質(zhì)產(chǎn)生周期性變化，繼而引起的普通光和非常光的相位差和偏轉(zhuǎn)特性改變，從而實(shí)現(xiàn)衍射效果的器件[1]。液晶光柵制備原理簡(jiǎn)單，成型方式快捷，理論的偏轉(zhuǎn)效率可達(dá)到100%，在光束控制、空間光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，被譽(yù)為第四代光學(xué)元件，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值[2]。

在手性向列（膽甾型）液晶中，存在螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)是決定液晶系統(tǒng)中圖案形態(tài)多樣性的關(guān)鍵因素。在眾多材料中，光響應(yīng)手性摻雜劑的螺旋扭曲力以及由此引起的螺旋結(jié)構(gòu)可以根據(jù)材料性能，表面條件和外加場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。例如，觀察到在垂直液晶盒中由光學(xué)誘導(dǎo)的螺旋反轉(zhuǎn)引起的膽甾型液晶的結(jié)構(gòu)變化[3]，包括從“躺著的左手螺旋”到“未纏繞的垂直狀態(tài)”到“躺在右手螺旋上”。此后，提出了一種光場(chǎng)中膽甾型液晶的光學(xué)旋轉(zhuǎn)相位光柵。由于非光致變色和光敏手性摻雜劑，膽甾型液晶的螺旋旋性可以可逆地進(jìn)行光轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明，紫外線照射使衍射光柵順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而可見(jiàn)光照射則引起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[4]。

本文利用左手性的光敏手性摻雜劑研究紫外照射下衍射光柵的出射偏振態(tài)和衍射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)光學(xué)可調(diào)的偏振光學(xué)器件，可用于光通信和信息處理。

2 實(shí)驗(yàn)材料與配置

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

手性液晶材料由M5（9-（2-methyl-2，3-dihydro-1H-cyclopenta[a]naphthalen-1-ylidene）-9H-fluorene），和向列型液晶E7（北京八億時(shí)空液晶股份有限公司），M5是高效液相色譜（HPLC）手性拆分后的外消旋飽和烯烴的左旋異構(gòu)體[5]。手性液晶的相變溫度取決于主體E7的向列范圍以及摻雜劑M5的重量濃度（CM5）。以下用作主要成分的CM5=0.1%時(shí)，手性向列相存在于室溫。