CN100353216C - 手性液晶退偏器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种手性液晶退偏器及其制备方法。本发明的手性液晶退偏器包括光学透明材料，在光学透明材料上加工有楔形或梯形槽阵列，并涂敷形成取向膜，并诱导手性液晶自组织成为具有晶体特征的结构；光学透明材料贴合形成具有楔形或梯形空腔的液晶盒，液晶盒内灌注具有旋光性质的手性分子和具有双折射特性的液晶组成的混合物。当手性液晶退偏器为单楔形结构时还包括控制楔角的垫片。手性液晶退偏器兼具楔形晶体退偏器和旋光晶体退偏器的特点，可在宽光谱范围内实现单色光退偏，且对任意方向的入射偏振光都有很好的退偏效果。本发明制作工艺简单，成本大幅度降低，特别是对于大口径光束退偏优势更加明显。
Description
技术领域
本发明属于控制光偏振的器件或装置领域，具体涉及一种手性液晶退偏器及其制备方法。
背景技术
在光纤、大气或海面等介质中传播的光，其偏振特性会发生很大变化。如何控制或消除因偏振态变化而带来的影响，是强激光、高精度光谱辐射测量、空间光学遥感、光通讯等众多技术领域所关注的问题。美国等国家的学者对退偏器件在遥感器、强激光等方面的应用研究较多，并在CZCS、EAWIFS、MODIS2N、MERIS等遥感器中得到应用。
目前常用的退偏器主要是利用晶体二向色性，即入射光经过二向色性晶体后，由于各波长具有不同的位相延迟，产生了不同椭偏率的椭圆偏振光，出射光束由多种偏振状态的偏振辐射组合而成，结果使出射光接近非偏振。通过改变光学器件中的介质的光学性质来改变、控制光的传输方向。其中，楔形晶体退偏器和石英旋光退偏器较为常用。
楔形晶体退偏器为斜劈状，光轴方向与通光面平行，入射平面偏振光振动方向应与晶体光轴方向成45°夹角，因器件的厚度在不断变化，透过光束包含了由从圆偏振、椭圆偏振到线偏振的多种偏振态势的微光束的空间迭加，从而起到退偏的作用。楔形晶体退偏器对入射光的偏振方向有严格的要求，其应用受到诸多限制，并有光束偏折现象，且晶体光楔加工困难，大口径的晶体光楔非常昂贵。
石英旋光退偏器根据石英晶体的旋光性研制的复合型退偏器，是由左旋和右旋两部分石英棱镜组成，两块棱镜大小相等，结构角一致。偏振光沿光轴方向传输，通光面中的不同部位将对应着不同的厚度，旋过的角度也不同，出射光束将是一束混合迭加的退偏光束。石英旋光退偏器对入射光偏振方向非常敏感，一旦入射光偏振方向发生变化，退偏效果就受到很大影响。
美国专利U.S.Appl.NO.097471、U.S.Appl.NO.256785采用分光相位延迟的方法来实现退偏，包括分束和合成等精密器件，但结构复杂，成本高昂。
发明内容
本发明要解决的技术问题上提供一种手性液晶退偏器及其制备方法。
本发明的手性液晶退偏器是一种可以控制或消除因偏振态变化而带来不利影响、退偏时不依赖于入射光的偏振态和偏振方向、易于制作、成本较低、性能优异的光学退偏器。
本发明的手性液晶退偏器，包括第一光学透明材料和第二光学透明材料，在第二光学透明材料上设置有楔形槽阵列或梯形槽阵列；第一光学透明材料和第二光学透明材料贴合形成具有楔形阵列的空腔或梯形阵列的空腔的液晶盒，液晶盒内设置有由聚酰亚胺溶液形成的第一取向膜和第二取向膜，第一取向膜覆盖在第一光学透明材料的内表面上，第二取向膜覆盖在第二光学透明材料内表面上，液晶盒内灌注有具有旋光性质的手性分子和具有双折射特性的液晶组成的手性液晶混合物，第一取向膜和第二取向膜诱导手性液晶自组织为晶体特征的结构。
所述的具有旋光性质的手性分子和具有双折射特性的液晶组成的手性液晶混合物的组成为：
Δn值为0.07～0.35的液晶 质量百分比为65％～95％；
手性分子 质量百分比为35％～5％。
所述的第二光学透明材料上设置的楔形槽阵列采用单楔形结构替代，在单楔形结构的空腔液晶盒的大端设置有控制楔角大小的垫片)。
所述的取向膜摩擦方向为第一取向膜与第二取向膜的摩擦方向相互平行。
本发明的手性液晶退偏器的制备方法，包括下列内容：
a)将第一光学透明材料和第二光学透明材料分别切割成所需尺寸，并进行磨边，在第二光学透明材料上加工出楔形槽阵列；
b)利用超声波清洗机对第一光学透明材料和第二光学透明材料进行清洗；
c)在110℃，1000级洁净条件下，烘干30-40分钟；
d)在第一光学透明材料表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第一取向膜；
e)在第二光学透明材料表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第二取向膜；
f)将第一取向膜和第二取向膜进行摩擦处理；
g)将处理过的第一光学透明材料和第二光学透明材料对位贴合，涂覆取向膜的一面为内表面，并使第一取向膜的摩擦方向和第二取向膜的摩擦方向平行；然后灌注手性液晶混合物，封边。
本发明的手性液晶退偏器的另一种制备方法，包括下列内容：
a)将第一光学透明材料和第二光学透明材料切割成所需尺寸，并进行磨边；
b)利用超声波清洗机对第一光学透明材料和第二光学透明材料进行清洗；
c)在110℃，1000级洁净条件下烘干30-40分钟；
d)在第一光学透明材料表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第一取向膜；
e)在第二光学透明材料表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第二取向膜；
f)将第一取向膜和第二取向膜进行摩擦处理；
g)将处理过的第一光学透明材料和第二光学透明材料对位贴合，使用垫片来控制楔角，涂覆取向膜的一面为内表面，并使第一取向膜的摩擦方向和第二取向膜的摩擦方向平行，然后灌注手性液晶混合物，封边。
本发明的手性液晶退偏器包括具有空间几何结构的液晶盒，液晶盒灌注有手性分子和液晶组成的手性液晶混合物(简称手性液晶)，液晶和液晶盒的界面是取向膜，取向膜可诱导液晶盒内手性液晶自组织为有晶体特征的组织结构。手性液晶只有在小于100μm的盒厚，在取向膜的诱导下才具有较好的晶体特征，随口径的增大，楔形高度也增大，超过100μm后就需要设计为阵列结构，这种大口径的手性液晶退偏器通常应用于大于5mm的光束直径。当应用于小于5mm光束直径的小口径手性液晶退偏器不需要复杂的空间结构，可由上下光学透明材料组成楔形盒，用垫片来控制退偏器的楔角，楔形盒内灌注手性液晶，液晶和液晶盒的界面为取向膜。
空间几何结构，如三角形的楔形、梯形的斜劈或楔形斜劈阵列等，可使手性液晶膜层厚度在不断变化，透过的光束就包含了由从圆偏振、椭圆偏振到线偏振的多种偏振态势的微光束的空间迭加，从而起到退偏的作用；手性分子具有螺旋结构，和液晶组成混合物时，在取向膜的诱导下，可自组织为具有晶体结构和旋光性质的手性液晶，在不同部位将对应着不同的厚度的手性液晶膜层，旋过的角度也不同，出射光束将是一束混合迭加的退偏光束。取向膜沿特定方向摩擦处理后，诱导手性液晶取向，才具有对偏振光进行调制的能力。
手性液晶退偏器退偏器适用于任意偏振方向和偏振态(线偏振、圆偏振、椭圆偏振)，适用波长在0.4um～20um，口径可在1mm到数百mm范围内调整。
本发明利用手性液晶的旋光性和双折射，以及具有空间几何结构的液晶盒，使入射偏振光的出射光束由2π内长轴方向均匀分布的椭圆偏振光组合而成，即偏振态不再具某方向的优先取向。手性液晶退偏器包括具有空间几何结构的液晶盒、手性液晶、诱导液晶盒内手性液晶自组织为有晶体特征结构的取向膜。主要应用于强激光、光通讯、光学遥感、光谱分析等对光的偏振态敏感的诸领域。
手性液晶退偏器兼具楔形晶体退偏器和旋光晶体退偏器的优点，更为突出的是可在宽光谱范围内实现单色光退偏，且对任意入射偏振光方向都有很好的退偏效果。手性液晶退偏器制作工艺简单，成本大幅下降，特别对于大口径光束退偏，优势明显。
附图说明
图1为本发明的手性液晶退偏器楔形阵列结构示意图，(a)为手性液晶退偏器主视图，(b)为手性液晶退偏器俯视剖面图。
图2为本发明应用于光束直径小于5mm的小口径手性液晶退偏器结构示意图，(a)为手性液晶退偏器主视图，(b)为手性液晶退偏器俯视剖面图。
图3为本发明的手性液晶退偏器应用示例情况图(a)、(b)、(c)。
图4为本发明的手性液晶退偏器检测光路图。
图5为本发明的手性液晶退偏器退偏后光束偏振态检测图。
图6为0.6328μm激光通过起偏器、手性液晶退偏器和检偏器时，旋转检偏器取得的信号情况图(a)、(b)。
图中：1.第一光学透明材料 2.第二光学透明材料 3.第一取向膜 4.垫片 5.第二取向膜 6.手性液晶混合物 7.摩擦方向 8.封边胶
具体实施方式
下面结合附图对本发明的手性液晶退偏器进行详细的描述。
图1为大口径手性液晶退偏器楔形阵列结构示意图，(a)为手性液晶退偏器主视图，(b)为手性液晶退偏器俯视剖面图。
本发明的手性液晶退偏器，其中第一光学透明材料1和第二光学透明材料2采用玻璃，手性液晶退偏器由具有楔形槽阵列的第一光学透明材料上基板玻璃和第二光学透明材料下基板玻璃组成；构成楔形的玻璃表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液形成第一取向膜3和第二取向膜5；经摩擦处理，形成沟道，液晶分子沿沟道排布，形成结构有序的晶体，第一取向膜3和第二取向膜5的摩擦方向平行且沿图1(a)中摩擦方向7所示。楔形阵列空腔内灌注具有旋光性质的手性分子和具有双折射特性的液晶组成的手性液晶混合物6，然后用封边胶8封边。手性液晶只有在小于100μm的盒厚，在取向膜的诱导下才具有较好的晶体特征。随口径的增大，楔形高度也增大，超过100μm后就需要设计为阵列结构。
图2为小口径手性液晶退偏器结构示意图，(a)为手性液晶退偏器主视图，(b)为手性液晶退偏器俯视剖面图。较小口径的退偏器可制成单楔形结构，包括第一光学透明材料1和第二光学透明材料2，第一取向膜3和第二取向膜5，第一取向膜3和第二取向膜5的摩擦方向须平行且沿摩擦方向7所示方向，控制楔角的垫片4，手性分子和液晶所组成的手性液晶混合物6。
本发明的手性液晶退偏器，光学玻璃也可采用塑料、晶体等光学材料替代。空间结构可采用楔形、梯形、梯形阵列、梯形斜劈等结构。
手性液晶退偏器制备方法：
将光学透明材料玻璃切割成所需的尺寸形状，对透明材料进行磨边。利用超声波清洗机对透明材料进行清洗，将玻璃上各种污染物和黏附的灰尘等彻底清洗干净。然后在110℃，1000级洁净条件下烘干35分钟。接下来在玻璃上涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在清洗后的透明玻璃上形成100nm左右的第一取向膜3和第二取向膜5，控制好膜的均匀性。在80℃的烤箱里预固化，正式固化温度为190℃。
第一取向膜3和第二取向膜5的摩擦处理是制作退偏器中重要的环节，和普通液晶盒相比，手性液晶退偏器具有楔形等空间几何结构，摩擦工艺更杂，需根据空间几何结构来安排摩擦方向。为使手性液晶取向更为有序，第一取向膜3和第二取向膜5的摩擦方向相互平行，沿图2(a)中楔面所示摩擦方向7的方向。
对于小口径手性液晶退偏器，使用垫片4来控制楔角；对于大口径的手性液晶退偏器，把具有空间几何结构的上下玻璃对好位置，贴合，灌注手性液晶6，用封边胶8封边。
手性液晶的配制过程，手性分子具有螺旋结构，作为添加剂添加在液晶中，形成具有旋光性质的手性液晶。如本发明中采用市售Merck公司生产的手性分子CB15与Δn值为0.272的液晶BL-038组成的手性液晶混合物，当液晶的质量百分比为90％，手性分子质量百分比为10％时，对线偏振绿激光实现很好的退偏。根据具体使用要求，可选择Δn值为0.07～0.35(Δn＝ne-no)的单体液晶或混合液晶，质量百分比为65～95％，对红外等较长波长的光退偏，选择较高质量百分比；对较短波长的光退偏，选择较低质量百分比。添加适当的左旋或者右旋手性分子，质量百分比为35％～5％，对红外等较长波长的光退偏，选择较低质量百分比；对较短波长的光退偏，选择较高质量百分比，以获得具有螺旋结构的手性液晶混合物，手性液晶的螺距应大于需要消偏的入射光波长，加热至液晶清亮点温度以上充分混合。
手性液晶退偏器应用情况如图3所示。
图3(a)所示，光纤激光器没有受到干扰时，经检偏器后，输出激光功率稳定。
图3(b)所示，由于光纤双折射特性，光纤激光器的输出光或经光纤传输光的偏振态会随温度、压力和弯曲等各种因素变化，经起偏器起偏后，其输出功率会出现较大起伏。
通常采用主动退偏的光纤激光器系统，两束偏振态正交的激光种子源叠加为圆偏振态，以减少传输过程中因偏振态的变化带来的影响，其缺点是结构复杂，成本高昂，技术难度大。因此被动退偏具有迫切的需求。
图3(c)所示，在起偏器前加上手性液晶退偏器就可以改善由上述温度、压力和弯曲等各种因素造成的影响，激光输出功率稳定。
退偏器退偏试验检测：实验检测光路图如图4所示，单波长激光器发射的椭圆偏振激光束通过起偏器后变成线偏振光，然后经过手性液晶退偏器的退偏作用变成非偏振光，最后经过检偏器被光电探测器接收，信号经示波器读出处理。在具体检测时，先固定起偏器的偏振方向不动，然后旋转检偏器来检测液晶退偏器的退偏度；接下来改变起偏器的偏振方向，再旋转检偏器来检测液晶退偏器对入射偏振光的敏感程度。
实验结果如图5、图6所示。
图5中，手性液晶退偏器退偏后的光束偏振态在空间几乎各向同性分布，偏振方态不再具某方向的优先取向，即实现了退偏。
图6中，横坐标描述了检偏器旋转角度的变化，纵坐标表示了射出激光光强的变化，图6(a)表示没有退偏的情况，激光光强经检偏器后发生周期性的变化；图6(b)表示经手性液晶退偏器退偏后，激光光强经检偏器后几乎不变，表明偏振态在空间不再具某方向的优先取向，实现了退偏。
Claims (5)
1.一种手性液晶退偏器，其特征在于：所述的手性液晶退偏器包括第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)，在第二光学透明材料(2)上设置有楔形槽阵列或梯形槽阵列；第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)贴合形成具有楔形阵列的空腔或梯形阵列的空腔的液晶盒，液晶盒内设置有由聚酰亚胺溶液形成的第一取向膜(3)和第二取向膜(5)，第一取向膜(3)覆盖在第一光学透明材料(1)的内表面上，第二取向膜(5)覆盖在第二光学透明材料(2)内表面上，液晶盒内灌注有具有旋光性质的手性分子和具有双折射特性的液晶组成的手性液晶混合物(6)，第一取向膜(3)和第二取向膜(5)诱导手性液晶自组织为晶体特征的结构；
所述的具有旋光性质的手性分子和具有双折射特性的液晶组成的手性液晶混合物(6)的组成为：
Δn值为0.07～0.35的液晶 质量百分比为65％～95％；
手性分子 质量百分比为35％～5％。
2.根据权利要求1所述的手性液晶退偏器，其特征在于：所述的第二光学透明材料(2)上设置的楔形槽阵列采用单楔形结构替代，在单楔形结构的空腔液晶盒的大端设置有控制楔角大小的垫片(4)。
3.根据权利要求1或2任一所述的手性液晶退偏器，其特征在于：所述的取向膜摩擦方向为第一取向膜(3)与第二取向膜(5)的摩擦方向相互平行。
4.一种用于权利要求1所述的手性液晶退偏器的制备方法，其特征在于包括下列内容：
a)将第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)分别切割成所需尺寸，并进行磨边，在第二光学透明材料(2)上加工出楔形槽阵列；
b)利用超声波清洗机对第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)进行清洗；
c)在110℃，1000级洁净条件下，烘干30一40分钟；
d)在第一光学透明材料(1)表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第一取向膜(3)；
e)在第二光学透明材料(2)表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第二取向膜(5)；
f)将第一取向膜(3)和第二取向膜(5)进行摩擦处理；
g)将处理过的第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)对位贴合，涂覆取向膜的一面为内表面，并使第一取向膜(3)的摩擦方向和第二取向膜(5)的摩擦方向平行；然后灌注手性液晶混合物(6)，封边。
5.一种用于权利要求2所述的手性液晶退偏器的制备方法，其特征在于包括下列内容：
a)将第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)切割成所需尺寸，并进行磨边；
b)利用超声波清洗机对第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)进行清洗；
c)在110℃，1000级洁净条件下烘干30-40分钟；
d)在第一光学透明材料(1)表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第一取向膜(3)；
e)在第二光学透明材料(2)表面涂覆浓度为4％的聚酰亚胺溶液，在温度70℃-80℃的烤箱里先进行预固化，再在温度为180℃-200℃下进行正式固化，形成100nm左右的第二取向膜(5)；
f)将第一取向膜(3)和第二取向膜(5)进行摩擦处理；
g)将处理过的第一光学透明材料(1)和第二光学透明材料(2)对位贴合，使用垫片(4)来控制楔角，涂覆取向膜的一面为内表面，并使第一取向膜(3)的摩擦方向和第二取向膜(5)的摩擦方向平行，然后灌注手性液晶混合物(6)，封边。
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