通過定制條紋電極實(shí)現(xiàn)向列子的偏轉(zhuǎn)

張聳宇，王翼飛，沈 冬，王驍乾*，羅鍛斌*，鄭致剛，*

（1. 華東理工大學(xué) 物理學(xué)院，上海 200237；2. 華東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

1 引言

空間光孤子是指在非線性介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)無衍射傳播的光束。當(dāng)光束入射到介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)產(chǎn)生的非線性折射率調(diào)制會(huì)平衡光束的衍射效果，光束就可以形成空間光孤子［1］。空間光孤子一直是非線性光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，它具有豐富的動(dòng)力學(xué)行為和相互作用現(xiàn)象［2-4］，在全光通信、光邏輯和光計(jì)算等領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用價(jià)值［5-7］。液晶材料因?yàn)榫哂酗@著的非線性重定向效應(yīng)、低的介電常數(shù)、對(duì)外場(chǎng)的優(yōu)異響應(yīng)以及較大的損傷閾值等優(yōu)勢(shì)［8-9］，成為研究空間光孤子相互作用的理想平臺(tái)［10］。2003 年G. Assanto 等發(fā)現(xiàn)，向列相液晶在經(jīng)過調(diào)制后可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)非局域非線性，并在2004 年首次通過實(shí)驗(yàn)證明了非局域空間孤子的存在，將其命名為“向列子（nematicons）”［11-12］。向列相液晶中開展的各種有關(guān)光孤子的研究大大豐富和擴(kuò)展了光孤子應(yīng)用的開發(fā)及其特性的了解［10，13-15］。其中一個(gè)有趣的研究方向就是向列子的偏轉(zhuǎn)和路由方向的控制［14，16-18］，這些研究為向列子在集成光通信、全光信息處理和全光光子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更好的技術(shù)基礎(chǔ)［19-21］。

向列子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的主要原因是介質(zhì)中折射率分布的不均勻性。目前，對(duì)向列子偏折的研究可以被分為幾個(gè)主要類別：第一類是依靠液晶的介電各向異性，調(diào)節(jié)坡印廷矢量與波矢量之間的偏折以實(shí)現(xiàn)向列子產(chǎn)生小角度范圍內(nèi)的變化［22］。第二類是通過引入外來的介電介質(zhì)使液晶內(nèi)部的折射率產(chǎn)生突變，若要實(shí)現(xiàn)向列子的大角度偏折，相比第一種方法，引入外來突變折射率的方法實(shí)現(xiàn)向列子的大角度偏折是更有效的［23-24］。但是，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致向列子在外場(chǎng)下的行為難以被理想地控制。第三類是通過定制電極圖案的方法來構(gòu)建液晶的可調(diào)控分子取向區(qū)域，相比于前兩類方法，第三類方法可以充分利用液晶分子在外場(chǎng)調(diào)節(jié)下優(yōu)異的響應(yīng)特性，利用定制電極圖案在液晶盒的不同區(qū)域引入由液晶分子形成的折射率突變，最終實(shí)現(xiàn)向列子偏轉(zhuǎn)角度的自由調(diào)節(jié)［25］。

本文討論了一種具有定制化梳狀電極結(jié)構(gòu)的液晶盒結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)可以使液晶分子在外場(chǎng)的作用下按照具有周期變化的折射率分布進(jìn)行排列。我們利用這種定制化的電極結(jié)構(gòu)對(duì)向列子的偏折進(jìn)行了一系列的研究，研究了單光束和雙光束在不同的入射位置和入射角度下產(chǎn)生的折射和反射。此外，還利用電壓實(shí)現(xiàn)了不同液晶分子陣列中雙光束從平行傳輸狀態(tài)到相互會(huì)聚或發(fā)散之間的轉(zhuǎn)換。這些新穎的方法和結(jié)果為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光孤子和結(jié)構(gòu)孤子的偏轉(zhuǎn)提供了重要的參考，并在光路由和光信號(hào)處理中具有潛在的應(yīng)用前景。

2 電輔助液晶盒的制備及實(shí)現(xiàn)向列子的光路搭建

2.1 梳狀電極結(jié)構(gòu)液晶盒制備過程

為了實(shí)現(xiàn)在向列相液晶中觀察到光束的自約束行為，我們制備了如圖1（a）所示的液晶盒。液晶盒由3 塊玻璃組成，其中一塊玻璃需要提前進(jìn)行ITO 電極的刻蝕處理，刻蝕后的電極圖案如圖1（b）所示?？涛g條紋電極的寬度為910 μm，這個(gè)寬度能夠保證刻蝕區(qū)域的液晶分子在輔助電壓下不受過多的影響，同時(shí)刻蝕條紋的寬度也不會(huì)過寬，方便我們后面對(duì)于向列子及向列子對(duì)偏轉(zhuǎn)的研究。隨后，每塊玻璃都經(jīng)過光對(duì)準(zhǔn)取向處理以保證光取向劑SD1 能夠誘導(dǎo)液晶分子平行排列。先使用厚度為100 μm 的墊片制備一個(gè)100 μm 厚的平行取向的平面液晶盒，組成液晶盒的兩片玻璃內(nèi)側(cè)都有銦錫氧化物電極以方便施加1 kHz 的低頻電壓。接著完成第3 塊玻璃的側(cè)封，輸入界面處的第3 塊玻璃的作用是避免向列相液晶在邊緣處形成彎月面從而使入射光的偏振方向產(chǎn)生變化，并且其沿x方向的取向更有利于液晶分子更快地對(duì)沿x方向的非尋常偏振光進(jìn)行響應(yīng)。最后通過毛細(xì)作用將加熱到清亮點(diǎn)的向列相液晶E7 注入液晶盒，等待E7 自然冷卻到室溫就可以將樣品放入光路中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 （a）液晶盒結(jié)構(gòu)；（b）液晶盒的內(nèi)部條紋電極示意圖。Fig.1 （a） Sructure of the liquid crystal cell；（b） Sketch of the internal electrode pattern.

2.2 向列子偏轉(zhuǎn)的最佳輔助電壓

當(dāng)入射光束的電場(chǎng)和向列相液晶分子正交時(shí)，向列相液晶會(huì)受到光學(xué)Fréedericskz 轉(zhuǎn)變（Optical Fréedericskz Transition，OFT）的影響，即液晶分子在偏振光的電矢量下會(huì)進(jìn)行重新定向［26］。因此向列相液晶中形成空間光孤子往往需要極大的光功率，但我們的系統(tǒng)受益于外部輔助電壓，從而最大限度地減少了克服OFT 所需要的光功率。通過模擬不同的外加電壓下定制條紋電極對(duì)液晶分子指向矢排列的影響，可以直觀地看出在刻蝕區(qū)域和未刻蝕區(qū)域液晶分子指向矢的變化，最終選擇出合適的輔助電壓。當(dāng)對(duì)液晶盒施加1 V的電壓時(shí)（圖2（b）），刻蝕和未刻蝕區(qū)域的液晶分子形成的折射率差值太小不足以形成光束的偏轉(zhuǎn)，并且此時(shí)的電壓值也難以使光束克服OFT形成向列子。當(dāng)電壓增加到3 V 時(shí)（圖2（c）），刻蝕區(qū)域和未刻蝕區(qū)域有足夠的折射率差異，同時(shí)3 V 的電壓會(huì)使液晶分子產(chǎn)生一定的傾角，對(duì)輔助光束形成向列子十分有利。在液晶盒施加的電壓增加到5 V 后（圖2（d）），未刻蝕區(qū)域的液晶分子重定向趨向于飽和，光束具有的非線性效應(yīng)大大減弱以至于難以形成向列子，從模擬結(jié)果中可以看出刻蝕區(qū)域的液晶分子也受到影響，產(chǎn)生了比較大的傾角，刻蝕區(qū)域和未刻蝕區(qū)域內(nèi)的液晶分子之間沒有足夠的折射率差使向列子偏轉(zhuǎn)。

圖2 模擬在不同電壓下梳狀電極結(jié)構(gòu)液晶盒中液晶分子的指向矢分布情況。（a）V=0 V；（b）V=1 V；（c）V=3 V；（d）V=5 V。圖中的線條表示電勢(shì)線，顏色條對(duì)應(yīng)著電勢(shì)的高低。Fig.2 Simulation of the liquid crystal molecular director field distribution in a liquid crystal cell with a comb electrode at different voltages. （a）V=0 V；（b）V=1 V；（c）V=3 V；（d）V=5 V. The lines in the diagram represent the potential lines and the colour bars correspond to the height of the potential.

2.3 向列子的光路搭建

用于產(chǎn)生向列子的光源是波長(zhǎng)為633 nm 的半導(dǎo)體激光器，光路中的1/2 波片以及偏振片的作用是獲得需要的非尋常光偏振方向（x軸方向），非尋常偏振的光束經(jīng)過光路中的光闌對(duì)激光束進(jìn)行整形，然后經(jīng)過20×物鏡將激光束的束腰縮小到幾微米入射到向列相液晶中。當(dāng)需要觀察向列子對(duì)的相互作用時(shí)，可以采用圖3 中的實(shí)驗(yàn)光路，利用兩個(gè)反射鏡和兩個(gè)分光棱鏡將一束光分解成為兩束光，如果需要對(duì)某一束光的功率進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整可以在反射鏡或是分光棱鏡之間添加衰減片。液晶盒上方的CCD 相機(jī)可以收集在液晶中傳輸光束的散射光，從而獲得向列相液晶中傳播光束的強(qiáng)度分布。

圖3 實(shí)驗(yàn)光路示意圖Fig.3 Experimental optical path

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 向列子的偏轉(zhuǎn)受入射位置的影響

通過在梳狀電極上施加電壓來產(chǎn)生周期排列的液晶陣列，從圖2 的模擬結(jié)果可知，在給液晶盒施加3 V 的偏置電壓時(shí)，在刻蝕電極過渡到未刻蝕電極之間的液晶分子在x軸方向會(huì)產(chǎn)生急劇的傾角變化，使得刻蝕電極和未刻蝕電極之間產(chǎn)生折射率的變化。因此，波矢量沿平行z軸方向傳輸?shù)墓馐诓煌恢萌肷淇梢援a(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，圖4 展示了光束的入射位置沿y軸方向移動(dòng)的過程中傳播的情況。首先，定義d為圖4 中入射光束的位置與距離入射光束最近的點(diǎn)線之間的距離?？刂乒馐娜肷湮恢迷诰嚯x刻蝕電極區(qū)域和未刻蝕電極區(qū)域分界線約42 μm，光束可以形成向列子并且向ITO 電極區(qū)域產(chǎn)生向上約5°的偏轉(zhuǎn)（圖4（a））。繼續(xù)移動(dòng)光束的入射位置使d=144 μm，向列子產(chǎn)生的傾角變大到26°（圖4（b））。當(dāng)光束入射在刻蝕區(qū)域時(shí)，因?yàn)楣夤β实南拗?，光束在刻蝕區(qū)域內(nèi)不足以驅(qū)動(dòng)液晶分子產(chǎn)生重定向效應(yīng)，所以光束在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生衍射（圖4（c）），光束的衍射直到光束移動(dòng)到下一周期中刻蝕區(qū)域與ITO 電極區(qū)域的交界處才開始產(chǎn)生變化。在d=163 μm 時(shí)，向列子可以產(chǎn)生約33°的向下偏轉(zhuǎn)。d=60 μm 時(shí)，向列子的偏轉(zhuǎn)只有向下約15°的偏轉(zhuǎn)。最后，光束移動(dòng)到未刻蝕電極區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出很好的自陷效果，光束不產(chǎn)生偏移（圖4（f））。

圖4 光束在不同的位置入射時(shí)產(chǎn)生的變化，光功率P=1.05 mW，輔助電壓V=3 V。（a） d=42 μm；（b） d=144 μm；（c） d=268 μm；（d） d=163 μm；（e） d=60 μm；（f） d=242 μm。Fig.4 Variation of the beam at different incident positions at 3 V，with input optical power P=1.05 mW. （a） d=42 μm；（b） d=144 μm；（c） d=268 μm；（d） d=163 μm；（e） d=60 μm；（f） d=242 μm.

3.2 向列子對(duì)的偏轉(zhuǎn)受入射位置的影響

基于上述對(duì)光束在液晶分子不同取向區(qū)域內(nèi)的偏折研究，進(jìn)一步探究向列子對(duì)在定制條紋電極下偏轉(zhuǎn)特性以及嘗試更多的偏轉(zhuǎn)組合對(duì)于以后將這種定制條紋電極結(jié)構(gòu)應(yīng)用到全光路由器件中是十分必要的。通過分光棱鏡分出的兩束光的功率分別為1.1 mW 和0.9 mW，對(duì)液晶盒施加4 V 的偏置電壓可以使兩束光同時(shí)形成向列子。由于向列子在定制條紋電極的不同入射位置有良好的偏折表現(xiàn)，所以向列子對(duì)的不同偏轉(zhuǎn)的組合可以通過不同的入射位置的組合來實(shí)現(xiàn)（如圖5）。圖5（a）是未對(duì)定制條紋液晶盒加電時(shí)光束的傳輸情況，兩束光彼此平行沿z軸方向傳輸。圖5（b）（c）（e）（f）中分布實(shí)現(xiàn)了一束光沿直線傳播，另一束向列子向上或者向下進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。當(dāng)兩束光在同一個(gè)刻蝕電極區(qū)域內(nèi)入射時(shí)，向列子對(duì)可以實(shí)現(xiàn)如同排斥效果向彼此相反的方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)（圖5（d））。

圖5 向列子對(duì)在不同入射位置下的偏轉(zhuǎn)組合。（a） V=0 V 時(shí)光束沿直線傳輸；（b～f） V=4 V 時(shí)雙光束在不同入射位置的偏轉(zhuǎn)。Fig.5 Combination of deflection by nematicon pairs at different incidence positions. （a） V=0 V，the light beam propagates straight. （b～f） V=4 V，the two light beams undergo deflection at different incidence positions.

當(dāng)入射光束傾斜z軸方向入射時(shí)，可以觀察到光束碰撞條紋電極分界線時(shí)發(fā)生的全反射現(xiàn)象。圖6 記錄了在輔助電壓V=4 V 時(shí)，兩束與z軸呈15°夾角入射的光束在定制電極圖案的不同位置處入射的傳輸情況，傾斜光束的波矢量方向與液晶分子的取向方向之間的夾角會(huì)導(dǎo)致雙折射偏折角的產(chǎn)生，因此光束在刻蝕電極和ITO電極區(qū)域之間產(chǎn)生的是非鏡面全反射。圖6（a）是兩束光的入射位置都位于刻蝕區(qū)域內(nèi)部，位于上方的光束在刻蝕區(qū)域內(nèi)短暫傳輸后經(jīng)過刻蝕區(qū)域和ITO 區(qū)域的分界面產(chǎn)生折射，位于下面的光束在ITO 區(qū)域和刻蝕區(qū)域的交界面處產(chǎn)生非線性全反射，并且反射光相對(duì)入射光在空間上有一段距離，即古斯-漢欣位移［25］。圖6（b）在固定兩束光的入射角度的同時(shí)改變了它們的入射位置，使一束光入射到刻蝕區(qū)域，另一束入射到ITO區(qū)域。此時(shí)，兩束光都在刻蝕區(qū)域和ITO 區(qū)域分界線處產(chǎn)生了非線性全反射，兩束光在經(jīng)過反射后依然保持平行傳輸。

圖6 向列子對(duì)傾斜入射時(shí)在不同入射位置下的偏轉(zhuǎn)組合，輔助電壓V=4 V，上下兩束光的光功率分別是P1=0.95 mW，P1=0.74 mW。（a）向列子對(duì)的入射位置在ITO 刻蝕區(qū)域；（b）向列子對(duì)的入射位置在ITO 刻蝕區(qū)域和ITO 區(qū)域分界線的兩側(cè)。Fig.6 Combination of deflection by nematicons pairs at different incidence positions under tilted incidence，with assisted voltage V=4 V，and the input optical power of the upper and lower beams are P1=0.95 mW，P1=0.74 mW.（a） Incidence position of the nematicon pairs is in the ITO etching region；（b） Incidence position of the nematicon pairs is on both sides of the dividing line between the ITO etching region and the ITO region.

3.3 向列子對(duì)的偏轉(zhuǎn)在外場(chǎng)下的調(diào)諧

液晶作為一種軟物質(zhì)材料，在外場(chǎng)的作用下可以表現(xiàn)出極高的敏感性，可以快速地響應(yīng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)等外場(chǎng)［27］。利用這種優(yōu)異的外場(chǎng)響應(yīng)特性，可以實(shí)現(xiàn)兩束光從平行狀態(tài)到會(huì)聚或發(fā)散狀態(tài)的切換。這方面的研究可以幫助向列子應(yīng)用到光信息處理中的光學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，例如光開關(guān)、光邏輯門等光學(xué)器件［6，28］。

通過將定制條紋的寬度縮小到300 μm 可以實(shí)現(xiàn)圖7 中展示的效果。在不施加電壓時(shí)，兩束光沿平行方向向前傳輸，如圖7（a）（c）所示。當(dāng)施加大小為3.5 V 的電壓后，ITO 區(qū)域和刻蝕電極區(qū)域之間的液晶分子沿盒厚方向形成了折射率梯度，導(dǎo)致光束在新的液晶分子排列中呈現(xiàn)出偏轉(zhuǎn)，圖7（b）中的雙光束入射在刻蝕電極區(qū)域，兩束光傾向于偏轉(zhuǎn)到最靠近自身的ITO 區(qū)域。由于上下兩光束距離ITO 區(qū)域和刻蝕區(qū)域的分界線之間的距離不同，正如3.1 節(jié)中入射位置對(duì)向列子偏轉(zhuǎn)的影響，因此，位于上方的光束向上產(chǎn)生約16°的傾角，位于下方的光束向下產(chǎn)生約25°的傾角。圖7（d）中的雙光束入射在ITO 電極區(qū)域的邊界處，在傳輸過程中兩束光向ITO 區(qū)域的中心靠近，位于上方的光束向下產(chǎn)生約10°的偏轉(zhuǎn)，位于下方的光束向上產(chǎn)生約6°的偏轉(zhuǎn)，兩束光傳輸?shù)哪┒水a(chǎn)生交叉。

圖7 通過電壓調(diào)節(jié)向列子對(duì)的偏轉(zhuǎn)。（a）（c）V=0 V；（b）（d）V=3.5 V。Fig.7 Deflection of the nematicon pairs is modulated by voltage. （a）（c）V=0 V；（b）（d）V=3.5 V.

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種具有定制寬度的條狀電極圖案的液晶盒結(jié)構(gòu)，利用定制條紋電極實(shí)現(xiàn)了液晶分子的周期性排列。在液晶分子的不同取向區(qū)域，入射的激光束可以發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)。在電極寬度為910 μm 的液晶盒中，改變光束入射位置的不同可以實(shí)現(xiàn)單光束產(chǎn)生約60°范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)；雙光束入射到不同的位置中會(huì)產(chǎn)生多種不同偏轉(zhuǎn)方向的組合，其中包括兩光束同時(shí)向遠(yuǎn)離彼此的方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和其中任意一束單光束的向上或向下偏轉(zhuǎn)；當(dāng)傾斜入射雙光束時(shí)，兩束光會(huì)產(chǎn)生非線性全反射，在入射界面處產(chǎn)生古斯-漢欣位移。在改變電極寬度為300 μm 后，當(dāng)雙光束入射在刻蝕區(qū)域時(shí)，通過施加電壓可以實(shí)現(xiàn)平行入射的雙光束產(chǎn)生相互發(fā)散的效果，兩光束形成約40°的張角。當(dāng)雙光束入射在ITO 電極區(qū)域時(shí)，通過施加電壓可以實(shí)現(xiàn)平行入射的雙光束產(chǎn)生相互會(huì)聚的效果，兩光束向內(nèi)交匯并產(chǎn)生交叉。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果有利于將向列子應(yīng)用于全光電路、全光開關(guān)的新一代光子波導(dǎo)。