CN101666940A - 一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于取向聚合物分散液晶材料制作可调导模共振滤光片的方法，将具有电控折变特性的取向聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal：PDLC)材料应用到导模共振滤光片中实现可调滤光片，通过调节外加电压改变取向PDLC材料折射率，从而达到调节滤光片共振波长的目的。由于光致固化相分离过程中取向电场的作用，取向PDLC材料中液晶指向矢平行于滤光片膜层表面有序排列，这样可最大程度地利用了液晶的折射率各向异性，增大PDLC材料的折射率调控深度，故该可调导模共振滤光片可实现较大的共振波长调节范围。本发明具有结构简单、实施方便、峰值反射率高、波长调节范围宽、窄带光谱、调节波长快速、利于小型集成等特点，可广泛应用在光学仪器、光学探测、光学测量及生物医学等领域。
Description
技术领域
本发明为一种光学滤光片器件，具体涉及到利用取向聚合物分散液晶材料的电控折变特性的一种可调窄带滤光片，在光学仪器、光学探测、光学测量及生物医学等领域有应用前景。
背景技术
可调滤光器件在许多光学系统中起着重要作用，广泛存在于光学仪器、光学探测、光信息处理、光学测量及生物医学等领域，通常包括声光调节、电光调节、机械调节三种可调滤光原理。声光调节是利用各向异性晶体在声光互作用下的反常布拉格衍射效应制成可调系统，虽然具有结构紧凑，响应速度快的特点，但是价格昂贵、装配精度要求高、通光口径小等不足。利用晶体的电光效应进行电光调节的滤光器件工作过程要求施加高电压，限制了其应用范围。机械调节方式是通过改变系统中器件的物理参数如厚度、夹角等，达到调节滤光系统光谱特性的目的，主要缺点是响应速度慢、结构复杂、耗能，如中国发明专利“相对位置可独立调整的通道通带滤光片”(专利申请号：200410067052.7)，与传统的窄带滤光片和带通滤光片不同，该专利采用了基于Fabry-Perot标准具的对称结构，通过改变滤光片几个中间层的厚度来实现对滤光片的调节，并且通道的调节是独立的，调节一个通道不会改变另一个通道的位置，具有相当的优点，但是在该专利中对滤光片几个中间层厚度调节的过程是非常复杂的，而且响应速度慢，耗能。
发明内容
发明目的：为克服可调滤光片响应速度慢、结构复杂、不利于小型集成、耗能等缺点，本发明提供了一种结构简单，具有高的峰值反射率和窄带光谱，通过调节外加电压改变取向聚合物分散液晶材料层折射率来调节波长的窄带通可调滤光片。本发明所述的可调导模共振滤光片是基于取向聚合物分散液晶材料和导模共振结构而设计的一种全新的可调导模共振滤光片，具有结构简单、实施方便、峰值反射率高、波长调节范围宽、窄带光谱、调节波长快速、利于小型集成等特点。
技术方案：基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，它包括基底层，位于基底层上的半导体透明导电膜氧化铟锡ITO层，光栅层和取向PDLC层叠加构成，滤光片由半导体透明导电膜ITO层，光栅层和取向PDLC层多层膜组成。基底材料可以选用玻璃，入射媒质为空气，ITO薄膜采用电子束蒸发。光栅层高低折射率材料分别为光刻胶和取向PDLC材料。通过计算机优化，合理选取各层膜的厚度，并在两透明电极ITO层上接上控制电压，调节控制电压即可实现对可导模共振滤光片共振波长的调节。本发明中取向PDLC是预聚混合物在取向电场作用下受光照发生光致聚合相分离固化后形成的材料，因为在制备PDLC膜层时有取向电场存在，所以在无驱动电压控制时液晶指向矢也是平行膜层表面有序排列的，这样就最大程度地利用了液晶的折射率各向异性，增大了PDLC材料的折射率调控深度，使可调导模共振滤光片有较大的共振波长调节范围。
所述的一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其特征在于：所述的取向PDLC是PDLC预聚混合物在平行于光栅层表面的取向电场作用下受光照发生光致聚合相分离固化后形成的材料，由于取向电场的存在，固化后在没有电场的情况下取向PDLC中液晶指向矢是平行于光栅层表面有序排列的。
所述的可调导模共振滤光片最大程度地利用了液晶的折射率各向异性，增大了PDLC材料的折射率调控深度，从而增大了可调导模共振滤光片共振波长的调节范围。
所述的可调导模共振滤光片结构中光栅层的低折射率区为取向聚合物分散液晶材料。
所述的取向PDLC层上下形成透明导电膜氧化铟锡层(ITO)，能施加电压使取向聚合物分散液晶材料产生电控折变效应。
所述的可调导模共振滤光片结构中ITO层不仅作为对取向PDLC施加电压的电极层，而且还作为导模共振滤光片的波导层。
所述的可调导模共振滤光片结构中取向聚合物分散液晶材料的折射率被用来调节波长。
所述的取向聚合物分散液晶材料的折射率是由外加电压来调节。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：利用取向聚合物分散液晶材料的电控折变特性和导模共振滤光片相结合制成的一种可调窄带通滤光片，其结构简单，具有高峰值反射率、宽共振波长调节范围、窄带光谱、调节共振波长快速及利于小型集成等优点，在光学仪器、光学探测、光学测量及生物医学等领域有应用前景。
附图说明
图1是基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片结构示意图，图中从下到上依次为：1是玻璃基底层、2是氧化铟锡(ITO)膜层2、3是光栅高折射率的光刻胶、4是光栅低折射的取向PDLC，5是取向PDLC膜层、6是氧化铟锡(ITO)膜层、7是入射媒质；
图2是为发明的空气中0°入射角，TE偏振入射，不同控制电压对应不同取向PDLC折射率时的可调导模共振滤光片的反射光谱特性曲线，图中分别示出了折射率为1.5026、1.5530及1.6034时滤光片的反射光谱特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明，以下实施例是对本发明的解释，是本发明的比较好的应用形式，而本发明并不局限于以下实施例。
一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其结构示意图如图1所示。所选用材料为取向PDLC，ITO，SiO2，它包括石英基底层1、ITO导电电极层2、光栅层、取向PDLC层5、ITO导电电极层6以及入射媒质层7，入射媒质层为空气；具体参数是：光栅周期460nm，占空比0.5，光栅槽深270nm，光栅高低折射率材料分别是光刻胶和取向PDLC，对应折射率分别为nH和nL，nH值为1.7，nL值介于1.5026到1.6034之间，随外加电压的改变而改变(取向PDLC折射率随电压不同而改变)，ITO不仅作为电极层而且作为波导层，折射率n1为2.0，取向PDLC层厚度d3为325nm，折射率n3介于1.5026到1.6034之间，随外加电压的改变而改变(取向PDLC折射率随电压不同而改变)，具体步骤如下：
1.用电子蒸发法在石英基底层1上镀上一层厚度d1为160nm的透明导电膜ITO层2；
2.用旋涂法在ITO层2上镀上一层厚度d2为270nm的光刻胶并烘干；
3.在光刻胶上用光刻技术将光栅层中用来填充取向PDLC材料的区域的光刻胶除去，以便在此区域中填充PDLC预聚材料制作光栅层；
4.采用旋涂法在光栅层上涂覆PDLC预聚材料，此涂覆过程不但将光栅层低折射区域的PDLC预聚材料填充好，而且在光栅层表面上也形成一层PDLC预聚材料；
5.将涂覆好的预聚材料(包括光栅层的PDLC预聚材料和取向PDLC层5的预聚材料)置于方向平行于光栅层表面的电场当中，同时用Ar+激光器514nm的光波照射，使预聚材料发生光致聚合相分离形成取向PDLC材料，这样取向PDLC层5和光栅层就制做好了，取向PDLC层5厚度d3为325nm；
6.在取向PDLC层5上镀上一层ITO层6，厚度d1为160nm。
这样得到如图1所示的可调导模共振滤光片。
通过透明电极ITO层对可调导模共振滤光片结构中的取向PDLC施加驱动控制电压，可以改变取向PDLC材料的折射率，从而改变滤光片的共振波长，实现导模共振滤光片共振波长的可调性。图2为光波以0°入射角，TE偏振入射，不同电压对应不同取向PDLC折射率时可调滤光片的反射光谱特性曲线。本发明成功实现了一种基于取向聚合物分散液晶材料特性的可调导模共振滤光片。
基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，它包括基底层，位于基底层上的半导体透明导电膜氧化铟锡ITO层，光栅层和取向PDLC层叠加构成，滤光片由半导体透明导电膜ITO层，光栅层和取向PDLC层多层膜组成。基底材料可以选用玻璃，入射媒质为空气，ITO薄膜采用电子束蒸发。光栅层高低折射率材料分别为光刻胶和取向PDLC材料。通过计算机优化，合理选取各层膜的厚度，并在两透明电极ITO层上接上控制电压，调节控制电压即可实现对可导模共振滤光片共振波长的调节。本发明中取向PDLC是预聚混合物在取向电场作用下受光照发生光致聚合相分离固化后形成的材料，因为在制备PDLC膜层时有取向电场存在，所以在无驱动电压控制时液晶指向矢也是平行膜层表面有序排列的，这样就最大程度地利用了液晶的折射率各向异性，增大了PDLC材料的折射率调控深度，使窄带通可调滤光片有较大的共振波长调节范围。
所述的一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其特征在于：所述的取向PDLC是PDLC预聚混合物在平行于光栅层表面的取向电场作用下受光照发生光致聚合相分离固化后形成的材料，由于取向电场的存在，固化后在没有电场的情况下取向PDLC中液晶指向矢是平行于光栅层表面有序排列的。
所述的可调导模共振滤光片最大程度地利用了液晶的折射率各向异性，增大了PDLC材料的折射率调控深度，从而增大了可调导模共振滤光片共振波长的调节范围。
所述的可调导模共振滤光片结构中光栅层的低折射率区为取向聚合物分散液晶材料。
所述的取向PDLC层上下形成透明导电膜氧化铟锡层(ITO)，能施加电压使取向聚合物分散液晶材料产生电控折变效应。
所述的可调导模共振滤光片结构中ITO层不仅作为对取向PDLC施加电压的电极层，而且还作为导模共振滤光片的波导层。
所述的可调导模共振滤光片结构中取向聚合物分散液晶材料的折射率被用来调节波长。
所述的取向聚合物分散液晶材料的折射率是由外加电压来调节。
Claims (5)
1.一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其特征在于：将具有电控折变特性的取向聚合物分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal：PDLC)材料应用到导模共振滤光片中实现可调滤光片，通过外加控制电压调节滤光片中取向PDLC材料的折射率，从而实现对可调导模共振滤光片共振波长的调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其特征在于：所述的取向PDLC是PDLC预聚混合物在平行于光栅层表面的取向电场作用下受光照发生光致聚合相分离固化后形成的材料，由于取向电场的存在，固化后在没有电场的情况下取向PDLC中液晶指向矢是平行于光栅层表面有序排列的。
3.根据权利要求1所述的一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其特征在于：可调导模共振滤光片最大程度地利用了液晶的折射率各向异性，增大了PDLC材料的折射率调控深度，从而增大了可调导模共振滤光片共振波长的调节范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片，其特征在于：所述的可调导模共振滤光片结构中的光栅层的低折射率区为取向聚合物分散液晶材料。
5.一种制造如权利要求1-4所述的基于取向聚合物分散液晶材料的可调导模共振滤光片的方法，其特征在于：包括如下具体制作步骤：
①.用电子蒸发法在石英基底层上镀上一层厚度为160nm的透明导电膜ITO层；
②.用旋涂法在ITO层上镀上一层厚度为270nm的光刻胶并烘干；
③.在光刻胶上用光刻技术将光栅层中用来填充取向PDLC材料的区域的光刻胶除去，以便在此区域中填充PDLC预聚材料制作光栅层；
④.采用旋涂法在光栅层上涂覆PDLC预聚材料，此涂覆过程不但将光栅层低折射区域的PDLC预聚材料填充好，而且在光栅层表面上也形成一层PDLC预聚材料；
⑤.将涂覆好的预聚材料(包括光栅层的PDLC预聚材料和取向PDLC层的预聚材料)置于方向平行于光栅层表面的电场当中，同时用Ar+激光器514nm的光波照射，使预聚材料发生光致聚合相分离形成取向PDLC材料，这样取向PDLC层和光栅层就制做好了，取向PDLC层厚度为325nm；
⑥.在取向PDLC层上镀上一层ITO层，厚度为160nm。
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