CN105404056B - 一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统 - Google Patents

一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统，包括:相对设置的第一基板和第二基板，以及位于第一基板和第二基板之间的液晶层和间隔粒子；第一基板和第二基板近邻液晶层的一侧设置有光控取向膜，邻近第一基板和/或第二基板的光控取向膜具有多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成光控取向膜的工作区，光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光，提高了液晶退偏器的普适性，且结构简单，成本低。

Description

一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统
技术领域
本发明涉及液晶取向控制技术领域，尤其涉及一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统。
背景技术
随着社会的发展，光通信在日常生活中扮演越来越重要的角色。由于不同偏振态的入射光对光纤及光器件的偏振特性的不同，在光信息传输时会受到不同的影响。因此，消除偏振相关的损害就成了一项重要工作。另外，很多涉及光学的探测器都具有偏振敏感性，所以需在探测器前加一个退偏器来消除探测器的偏振灵敏度对入射偏振的依赖性，达到提高测量精度目的。现在退偏器已经广泛应用于天文学仪器、激光加工、激光医学、光纤通讯等的光电测量仪器中，因此退偏器的研究十分具有现实意义。
目前的退偏器或者体系复杂，或者只适用于宽波段进行频域退偏，或者需限定入射光的偏振角度，有些还需对其进行加电调节，限制了退偏器的使用。本发明可改进上述提到的缺点，以低成本制备出普适的液晶退偏器。
发明内容
本发明提供一种液晶退偏器、制备方法和退偏测试系统，以提高液晶退偏器的普适性，且结构简单，成本低。
第一方面，本发明实施例提供了一种液晶退偏器，包括：
相对设置的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；
其中，所述第一基板与所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；
所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜具有多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。
进一步的，所述微区的形状为多边形、圆形或椭圆形，同一组微区图形中各微区的面积相同。
进一步的，微区图形组的数量为18的n倍，多组微区图形的分子指向矢方向依次间隔n为正整数。
进一步的，所述光控取向膜的工作区尺寸为1.4×1mm2，所述微区的尺寸为58×58μm2。
进一步的，所述液晶层的材料为向列相液晶；所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
进一步的，入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π。
第二方面，本发明实施例还提供一种退偏测试系统，包括：
第一方面所述的液晶退偏器；
位于所述液晶退偏器入光侧的光源，以产生入射光；
位于所述液晶退偏器出光侧的偏振分析仪，以测试出射光的偏振度。
第三方面，本发明实施例还提供一种液晶退偏器的制备方法，包括：
在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；
在第一基板上设置间隔粒子，并与所述第二基板封装，其中所述第一基板的光控取向膜一侧与所述第二基板的光控取向膜一侧相对设置；
对邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜进行多步分区曝光，以形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区；
在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。
进一步的，对邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜进行多步分区曝光，以形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，包括：
随机产生多组曝光图形，每组曝光图形包括多个随机分布的曝光微区，多组曝光图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区；
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光，以在所述光控取向膜的工作区形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区。
进一步的，曝光图形组的数量为18的n倍，多组曝光图形对应的诱导光偏振方向依次间隔n为正整数。
本发明通过在相对设置的第一基板和第二基板上设置光控取向膜，并在邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜上设置多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。本发明提供的液晶退偏器相比于现有的退偏产品使用范围广，结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种液晶退偏器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的多组分子指向矢方向不同的微区图形拼接示意图；
图3为图2中虚线所示区域对应液晶分子指向矢方向随机分布的模拟示意图；
图4为满足入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π条件下的液晶退偏器样品的显微图；
图5为本发明实施例二提供的一种退偏测试系统结构示意图；
图6为采用1550nm单色激光光源的退偏测试结果；
图7为采用ASE宽带光源的退偏测试结果；
图8为本发明实施例三提供的一种液晶退偏器的制备方法的流程示意图；
图9为本发明实施例三提供的一种多步分区曝光示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
本发明实施例提供一种液晶退偏器，图1为本发明实施例一提供的一种液晶退偏器的剖面结构示意图，如图1所示，所述液晶退偏器包括：相对设置的第一基板11和第二基板12，以及位于所述第一基板11和第二基板12之间的液晶层13；其中，所述第一基板11与所述第二基板12之间设置有间隔粒子14，以支撑所述液晶层13；所述第一基板11和第二基板12近邻所述液晶层13的一侧设置有光控取向膜15和光控取向膜16。邻近所述第一基板的光控取向膜15，以及邻近所述第二基板的光控取向膜16中的至少一个中具有多组分子指向矢方向不同的微区图形，优选的光控取向膜15和光控取向膜16均具有多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。
本发明实施例通过将邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜设置多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，因此光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，当偏振入射光照射到本实施例提供的液晶退偏器上时，随机分布的液晶分子将偏振入射光转换为非偏振光。
图2为本发明实施例一提供的多组分子指向矢方向不同的微区图形拼接示意图。
如图2所示,各组微区图形的分子指向矢方向不同。图2中用亮暗程度表示微区图形的分子指向矢方向，由暗到亮表示分子指向矢方向从0°到170°变化。每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的光控取向膜分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形就可以进而控制液晶退偏器的液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，入射光光斑照射到光控取向膜的工作区后，照射在液晶退偏器的偏振光转换为非偏振光。图3为图2中虚线所示区域对应液晶分子指向矢方向随机分布的模拟示意图，图3中液晶分子指向矢与该位置处微区的光控取向膜分子指向矢方向相同。
需要说明的是，图2示例性的设置所述微区图形中的各微区为正方形，并非对本实施例的限定，在其他实施方式中，所述微区的形状还可以是其他多边形，例如长方形、五边形和六边形等，还可以是圆形或椭圆形。优选的，所述多组微区图形中的多个微区能够无缝拼接成所述光控取向膜的工作区。进一步的，同一组微区图形中各微区的面积可以相同也可以不同。优选的，设置同一组微区图形中各微区的面积相同，这样设置的好处是，在将多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区时更容易做到无缝拼接。
在上述实施例的基础上，优选的，微区图形组的数量为18的n倍，多组微区图形的分子指向矢方向依次间隔n为正整数。例如，设置18组微区图形，18组微区图形的分子指向矢方向依次间隔10°，从为0°依次增加到170°。当设置36组微区图形时，相应的36组微区图形的分子指向矢方向依次间隔5°。
进一步，优选的，设置所述光控取向膜的工作区尺寸为1.4×1mm2，所述微区的尺寸为58×58μm2。
可选的，所述液晶层的材料为向列相液晶；所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
进一步的，在上述实施例基础上，优选的，可以控制间隔粒子的尺寸调整第一基板和第二基板之间的距离，以实现入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π，图4为满足入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π条件下的液晶退偏器样品的显微图。这样设置的好处是，当入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π时，入射光照射到所述液晶退偏器后，每个微区相对于入射光都是一个快轴方向不同的二分之一波片，该等效的二分之一波片快轴方向与微区的分子指向矢方向垂直，从而入射光经过每个微区后偏振方向发生了不同的变化，从整个光控取向膜工作区来看，经液晶退偏器出射的任一偏振方向的光所占百分比都不具优势，达到整体范围退偏的效果。
本发明实施例提供的液晶退偏器不仅适用于不同偏振态的单色入射光，且适用于宽波段整体的频域退偏，可满足其在天文学仪器、激光加工、激光医学、光纤通讯等众多研究领域的应用需求。
实施例二
本发明实施例二还提供一种退偏测试系统，图5为本发明实施例二提供的一种退偏测试系统结构示意图，如图5所示，所述系统包括：上述实施例所述的液晶退偏器21，位于所述液晶退偏器21入光侧的光源22以产生入射光，位于所述液晶退偏器21出光侧的偏振分析仪23，以测试出射光的偏振度。
本发明实施例可以将照射在液晶退偏器的入射偏振光转换为非偏振光，该系统结构简单，且无需电调节，成本低。
在上述实施例的基础上，优选的，所述偏振态消除系统还包括：位于所述光源22和所述液晶退偏器21之间的偏振片24以控制入射光的偏振方向。这样设置的好处是，可以通过偏振片24控制产生不同偏振方向的入射光，从而实现对不同偏振方向的入射光的偏振态消除测试。
在上述实施例的基础上，优选的，光源为1550nm单色激光光源，这样设置的好处是，1550nm单色激光光源为通讯波段的波长，此波长的偏振光经液晶退偏器退偏后可广泛应用在光纤通讯中。
图6为采用1550nm单色激光光源的测试结果。从图中可以看出，无论改变入射光的偏振方向至什么角度，都可以达到偏振度低于4％的退偏效果，而对于任一椭圆或圆偏振态的入射光，均可以看做两个相互垂直的线偏光的叠加，故都可以达到退偏的效果。
在上述实施例的基础上，优选的，光源为1520-1610nm的放大自发辐射ASE宽带光源，这样设置的好处是，可以测试一定范围内液晶退偏器的退偏效果。图7为采用ASE宽带光源的测试结果。从图7中可以看出，无论改变入射光的偏振方向至什么角度，液晶退偏器也都可以达到偏振度低于4％的退偏效果，进而可以说明，即使对于入射光为任一椭圆或圆偏振态的宽带光源，都可以达到退偏的效果。
实施例三
本发明实施例三还提供一种液晶退偏器的制备方法，图8为本发明实施例三提供的一种液晶退偏器的制备方法的流程示意图，如图8所示。所述方法包括：
步骤110、在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；
可选的，在形成光控取向膜之前，为增加光控取向膜与第一基板和第二基板的浸润性和粘附性，用ITO(氧化铟锡导电膜)洗液(丙酮、酒精等混合试剂)进行超声清洗30分钟，然后再用超纯水超声清洗两次，各10分钟。在120℃烘箱中烘干40分钟后，进行UVO(紫外臭氧)清洗30分钟。
可选地，在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜，可以采用下列方式：
将光控取向材料旋涂在第一基板和第二电极的一侧，旋涂参数为：低速旋涂5秒，转速800转/分钟，高速旋涂40秒，转速3000转/分钟；
将旋涂有光控取向材料的第一基板和第二基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向膜。
步骤120、在第一基板上设置间隔粒子，并与所述设置有第二电极的第二基板封装，其中所述第一基板的光控取向膜一侧与所述第二基板的光控取向膜一侧相对设置；
其中，间隔粒子的尺寸可以根据具体需要进行选取，通过选取不同尺寸的间隔粒子，可以调整第一基板和第二基板之间的距离，以实现入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π。
步骤130、对邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜进行多步分区曝光，以形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区；
光控取向膜中的分子指向矢可通过诱导光的偏振方向进行设定，具体的可以通过多步分区曝光，在所述光控取向膜上多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区。
步骤140、在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。
本发明实施例提供的方法通过在邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜上曝光形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光，相比于现有的退偏产品使用范围广，结构简单，成本低。
在上述实施例的基础上，优选的，对邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜进行多步分区曝光，以形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，包括：
随机产生多组曝光图形，每组曝光图形包括多个随机分布的曝光微区，多组曝光图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区；
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光，以在所述光控取向膜的工作区形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区。
其中，优选的，曝光图形组的数量为18的n倍，多组曝光图形对应的诱导光偏振方向依次间隔n为正整数。
图9为本发明实施例三提供的一种多步分区曝光示意图，如图9所示，通过计算随机产生18组曝光图形，依次为第一曝光图形到第十八曝光图形，所述第一曝光图形到第十八曝光图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，每组曝光图形包括24个随机分布的曝光微区，所述曝光微区的形状可以是多边形、圆形或椭圆形，图9示例性的设置为正方形。且同一组曝光图形中的曝光微区分子指向矢方向相同，同一组曝光图形中各曝光微区的面积可以相同，也可以不同，图9示例性的设置同一组曝光图形中各曝光微区的面积相同。
采用数控微镜阵光刻系统，依次选择第一曝光图形到第十八曝光图形进行曝光，第一曝光图形到第十八曝光图形对应的诱导光方向分别为0°到170°，在光控取向膜的工作区分别对应形成了18组分子指向矢方向不同的微区图形。其中，采用0°偏振诱导光方向和第一曝光图形，在光控取向膜的工作区形成的微区图形的分子指向矢方向为90°；采用10°偏振诱导光方向和第二曝光图形，在光控取向膜的工作区形成的微区图形的分子指向矢方向为100°；依次类推，采用170°偏振诱导光方向和第十八曝光图形，在光控取向膜的工作区形成的微区图形的分子指向矢方向为80°。经多步分区曝光后，在所述光控取向膜的工作区形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区。图中亮暗程度表示微区图形的分子指向矢方向，由暗到亮表示分子指向矢方向从0°到170°变化。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种液晶退偏器，其特征在于，包括：
相对设置的第一基板和第二基板，以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；
其中，所述第一基板与所述第二基板之间设置有间隔粒子，以支撑所述液晶层；
所述第一基板和第二基板近邻所述液晶层的一侧设置有光控取向膜，邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜具有多组分子指向矢方向不同的微区图形，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同；所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。
2.根据权利要求1所述的液晶退偏器，其特征在于，所述微区的形状为多边形、圆形或椭圆形，同一组微区图形中各微区的面积相同。
3.根据权利要求1所述的液晶退偏器，其特征在于，微区图形组的数量为18的n倍，多组微区图形的分子指向矢方向依次间隔n为正整数。
4.根据权利要求1所述的液晶退偏器，其特征在于，所述光控取向膜的工作区尺寸为1.4×1mm2，所述微区的尺寸为58×58μm2。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶退偏器，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶；所述光控取向膜的材料为偶氮染料。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的液晶退偏器，其特征在于，入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差等于π。
7.一种退偏测试系统，其特征在于，包括：
权利要求1-6中任一项所述的液晶退偏器；
位于所述液晶退偏器入光侧的光源，以产生入射光；
位于所述液晶退偏器出光侧的偏振分析仪，以测试出射光的偏振度。
8.一种液晶退偏器的制备方法，其特征在于，包括：
在第一基板和第二基板的一侧形成光控取向膜；
在第一基板上设置间隔粒子，并与所述第二基板封装，其中所述第一基板的光控取向膜一侧与所述第二基板的光控取向膜一侧相对设置；
对邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜进行多步分区曝光，以形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区；
在所述第一基板和所述第二基板之间灌注液晶层，所述光控取向膜中多组分子指向矢方向不同的微区图形控制所述液晶层中的液晶分子指向矢随机分布，以使照射在液晶退偏器的入射的偏振光转换为非偏振光。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对邻近所述第一基板和/或第二基板的所述光控取向膜进行多步分区曝光，以形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区，包括：
随机产生多组曝光图形，每组曝光图形包括多个随机分布的曝光微区，多组曝光图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区；
采用数控微镜阵光刻系统，根据曝光次序选择对应的曝光图形，以及对应的诱导光偏振方向，依次进行曝光，以在所述光控取向膜的工作区形成多组分子指向矢方向不同的微区图形，其中，每组微区图形包括多个随机分布的微区，且同一组微区图形中的微区分子指向矢方向相同，所述多组分子指向矢方向不同的微区图形相互拼接形成所述光控取向膜的工作区。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，曝光图形组的数量为18的n倍，多组曝光图形对应的诱导光偏振方向依次间隔n为正整数。
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