CN110058340A - 一种液晶偏振光栅制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种液晶偏振光栅制备方法，属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，主要针对目前液晶偏振光栅制备光路相对复杂、易受外界干扰、灵活性较差等问题。本发明使用楔形液晶盒对入射激光进行分束，利用波片改变光束的偏振态，两束光干涉之后在一定区域内形成偏振方向随位置线性变化的图案，最终照射光敏涂层诱使液晶分子进行取向，制备形成液晶偏振光栅。本发明通过控制施加在楔形盒两侧的电压大小来改变分束之后两束光的夹角，可同时实现不同周期大小液晶偏振光栅的制备。本发明所公布的液晶偏振光栅制备方法简单可靠、成本低、方便灵活，是一种液晶偏振光栅工程化应用的理想制备方案。

Description

一种液晶偏振光栅制备方法
技术领域
本发明属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，具体是指一种液晶偏振光栅制备方法。
背景技术
液晶偏振光栅是一种新型的高效功能性液晶器件，其本质是通过调控液晶光轴的空间分布来实现对入射光相位、偏振态等的调制，这类光学元件表现出的独特性能能够在一定程度上突破原有光学元件的性能极限。液晶偏振光栅结构的最主要特性是光敏材料发生光交联反应促使液晶分子规则取向，液晶分子光轴在一维方向上连续线性变化，且在一个周期内旋转180°。正是由于该特殊结构，液晶偏振光栅能够将一束圆偏振光以100％的理论衍射效率完全偏向某一个级次，偏转的方向受其入射偏振态控制，每个液晶偏振光栅都可以看作一个二元或者三元光束偏转器件，这是其它任何光栅器件都难以实现的。
为了实现上述特殊结构，液晶偏振光栅的制备通常采用光控取向技术，即利用紫外偏振光照射光敏材料使其发生物理和化学反应，产生各向异性的表面作用力，进而诱导液晶分子定向排列。当前，干涉曝光系统是目前液晶偏振光栅较为理想的制备方法，其包括传统双光束干涉光路、迈克尔逊干涉光路、马赫-曾德干涉光路以及采用双折射棱镜实现曝光等等。然而，当前双光束干涉光路、迈克尔逊干涉光路、马赫-曾德干涉光路等光路结构较为复杂，调整精度和成本较高，也比较容易受到震动和环境扰动的影响，采用渥拉斯顿、洛匈等双折射棱镜实现光束分离曝光虽然光路简单可靠，但由于难以同时实现不同周期液晶偏振光栅的制备，因此缺乏灵活性和普遍性。针对上述背景，本发明利用楔形液晶盒对入射激光进行分束，通过控制施加在楔形盒两侧的电压大小来改变分束之后两束光的夹角，从而实现不同周期液晶偏振光栅的制备。相较于之前制备方法，本发明所公布的一种液晶偏振光栅制备方法简单可靠、成本低、方便灵活，可同时实现不同周期液晶偏振光栅的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液晶偏振光栅制备方法，解决当前液晶偏振光栅制备光路复杂、成本高、灵活性差、难以量产等实际问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于，该方法使用楔形液晶盒对入射激光进行分束，通过控制施加在楔形盒两侧的电压大小来改变分束之后两束光的夹角，利用波片改变光束的偏振态，两束光干涉之后在一定区域内形成偏振方向随位置线性变化的二维图案，最终照射光敏涂层诱使液晶分子进行取向，制备形成液晶偏振光栅。
本发明中制备光路包括，
激光器：产生制备光路所需的激光；
扩束准直器：将激光进行扩束和准直，形成均匀入射光斑；
起偏器：使出射激光起偏，产生线偏振光；
楔形液晶盒：将入射激光分为o光和e光，且o光和e光产生一定的夹角，通过控制施加在楔形盒两侧的电压大小来改变分束之后两束光的夹角大小；
四分之一波片：将线偏振光转变为圆偏振光；
光控取向玻璃基板：涂有光敏材料，经激光照射后发生光交联反应，诱使液晶分子取向。
液晶偏振光栅中液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶分子的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：
式中代表x位置处液晶分子的指向矢，Λ是液晶偏振光栅的周期。
本发明通过改变施加在楔形盒两侧的电压大小可以改变分束之后两束光的夹角，从而可以实现不同周期液晶偏振光栅的制备；
本发明中楔形液晶盒由玻璃基板、间隙隔垫物、导电层、取向层、液晶和电压控制单元构成，在初始状态下，液晶分子光轴排列方向与基板平行，基板两侧液晶分子取向方向反平行。
本发明中制备光路各元件满足一定的角度关系，按以下方向建立坐标系，以楔形盒中液晶分子快轴方向为X轴，以光传播方向为Y轴，以平行于楔形盒中玻璃基板且沿液晶分子慢轴方向为Z轴，起偏器方向和四分之一波片方向与X轴呈45°或者-45°。
一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一，制备楔形液晶盒，清洗带有导电膜的玻璃基板，在玻璃基板导电膜一侧旋涂摩擦取向剂，高温下固化，在摩擦机下进行摩擦取向，在一部分玻璃基板上制作边框胶，两侧放置不同厚度的间隙隔垫物，将另一部分玻璃基板分别反平行放置于上述基板之上，压制成盒，灌注液晶之后封口；
步骤二，准备光控取向玻璃基板，在玻璃基板上面旋涂光敏材料，高温下使光敏材料固化；
步骤三，调整光路、照射光控取向玻璃基板，按照上述制备光路结构和角度关系调整光路，打开激光器照射光控取向玻璃基板，使光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案；
步骤四，在照射之后的光控取向玻璃基板上面旋涂反应型液晶，在氮气保护环境下利用紫外光对其进行照射、固化，按照半波条件确定旋涂次数和转速等，最终制备形成液晶偏振光栅。
本发明在制备楔形液晶盒时包括但不限于使用摩擦取向剂，也可使用光控取向剂。
本发明在使用照射之后的光控取向玻璃基板时包括但不限于旋涂反应型液晶，也可制备成盒之后灌注普通液晶。
与现有制备方法相比，本发明具有如下优点和有益效果：与传统双光束干涉光路、迈克尔逊干涉光路、马赫-曾德干涉光路相比，本发明所公布的一种液晶偏振光栅制备方法所用元件较少，结构简单，抗干扰能力较强；与采用渥拉斯顿、洛匈等双折射棱镜实现光束分离曝光相比，本发明所公布的一种液晶偏振光栅制备方法能够同时实现不同周期液晶偏振光栅的制备，调节范围较大，方便灵活。
附图说明
图1为本发明所要制备的液晶偏振光栅的结构图；
图2为本发明所要使用的楔形液晶盒结构示意图，其中包括玻璃基板1和2、间隙隔垫物7和8、导电层3和4、取向层5和6、液晶层9和电压控制单元；
图3为本发明所公布的一种液晶偏振光栅制备光路图，其中包括激光器1、扩束准直器2、起偏器3、楔形液晶盒4、四分之一波片7和光控取向玻璃基板9，5为o光衍射区域，6为e光衍射区域，8为两束光有效干涉区域；
图4为本发明所公布的一种液晶偏振光栅制备光路经偏振片之后的干涉图样；
图5为本发明所制备的液晶偏振光栅的偏光显微镜形貌图；
图6为本发明所制备的液晶偏振光栅的偏光显微镜形貌图；
图7为本发明所制备的液晶偏振光栅的光束衍射效果图。
具体实施方式
1、楔形液晶盒的制备
1)图2为楔形液晶盒的结构示意图，其中包括玻璃基板、间隙隔垫物、导电层、取向层、液晶层和电压控制单元。
2)首先利用丙酮、乙醇和超纯水对基板进行清洗，待烘干后在基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，其厚度约为20nm，在玻璃基板导电膜一侧旋涂摩擦取向剂，230℃高温下固化，随后在摩擦机下进行摩擦取向，在一部分玻璃基板上制作边框胶，两侧分别放置3μm和100μm的间隙隔垫物，将另一部分玻璃基板反平行放置于该基板之上，压制成盒，灌注液晶之后封口；
2、光控取向玻璃基板的准备
首先利用丙酮、乙醇和超纯水对基板进行清洗，待烘干后在基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，其厚度约为20nm，随后在ITO导电薄膜上面旋涂光敏材料SD1，其厚度约为80nm，120℃下使光敏材料固化。
3、调整光路、照射光控取向玻璃基板
利用405nm激光作为光源，按照制备光路结构和角度关系调整光路，经偏振片之后的干涉图样如图4所示，打开激光器持续照射光控取向玻璃基板10min，使光控取向剂充分发生光交联反应，记录曝光图案；
4、制备光栅
在照射之后的光控取向玻璃基板上面旋涂反应型液晶ROF，在氮气保护环境下利用全波段紫外光对其进行照射、固化5min，按照532nm激光半波条件反复旋涂三次，最终制备形成液晶偏振光栅。
5、液晶偏振光栅形貌检测和衍射效果测试
由于液晶偏振光栅中液晶分子的光轴在平面内是连续变化的，一个周期内液晶分子光轴的角度旋转180o，因此需要利用偏光显微镜观察其形貌。图5给出的是楔形液晶盒不施加电压时所制备液晶偏振光栅的形貌，理论上光栅周期为110μm，图6给出的是对楔形液晶盒施加V＝3.5V时所制备液晶偏振光栅的形貌，理论上光栅周期为209μm，可以看出，利用本发明方法所制备的液晶偏振光栅条纹轮廓清晰、对比度高、缺陷少，且光栅周期值与理论值基本完全一致。
利用一束532nm的线偏振光激光器垂直照射图5所制备的液晶偏振光栅，衍射图样如图7(a)所示，可以看出，所制备液晶偏振光栅的光束衍射现象明显，±1级衍射亮度几乎相同，0级几乎不可见，定量测试表明，该液晶偏振光栅的本征衍射效率普遍大于95％，符合液晶偏振光栅的衍射特性。当在激光器和液晶偏振光栅之间加入四分之一波片，使入射线偏振光转变为圆偏振光之后，其衍射图样如图7(b)和(c)所示，可以看出，激光光束能够几乎完全偏向某一个级次，且衍射效率接近100％，再次证实了所制备液晶偏振光栅的特有性质，也证明了本发明所公布的该制备方法的可行性。

Claims (9)

1.一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：该方法使用楔形液晶盒对入射激光进行分束，通过控制施加在楔形盒两侧的电压大小来改变分束之后两束光的夹角，利用波片改变光束的偏振态，两束光干涉之后在一定区域内形成偏振方向随位置线性变化的图案，最终照射光敏涂层诱使液晶分子进行取向，制备形成液晶偏振光栅。
2.根据权利要求1所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：制备光路包括，
激光器：产生制备光路所需的激光；
扩束准直器：将激光进行扩束和准直，形成均匀入射光斑；
起偏器：使出射激光起偏，产生线偏振光；
楔形液晶盒：将入射激光分为o光和e光，且o光和e光产生一定的夹角，通过控制施加在楔形盒两侧的电压大小来改变分束之后两束光的夹角大小；
四分之一波片：将线偏振光转变为圆偏振光；
光控取向玻璃基板：涂有光敏材料，经激光照射后发生光交联反应，诱使液晶分子取向。
3.根据权利要求1所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：液晶偏振光栅中液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶分子的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：
式中代表x位置处液晶分子的指向矢，Λ是液晶偏振光栅的周期。
4.根据权利要求1所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：通过改变施加在楔形盒两侧的电压大小可以改变分束之后两束光的夹角，从而可以实现不同周期液晶偏振光栅的制备。
5.根据权利要求2所述的制备光路结构，其特征在于：楔形液晶盒由玻璃基板、间隙隔垫物、导电层、取向层、液晶和电压控制单元构成，在初始状态下，液晶分子光轴排列方向与基板平行，基板两侧液晶分子取向方向反平行。
6.根据权利要求2所述的制备光路结构，其特征在于：制备光路中各元件满足一定的角度关系，按以下方向建立坐标系，以楔形盒中液晶分子快轴方向为X轴，以光传播方向为Y轴，以平行于楔形盒中玻璃基板且沿液晶分子慢轴方向为Z轴，起偏器方向和四分之一波片方向与X轴呈45°或者-45°。
7.一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一，制备楔形液晶盒，清洗带有导电膜的玻璃基板，在玻璃基板导电膜一侧旋涂摩擦取向剂，高温下固化，在摩擦机下进行摩擦取向，在一部分玻璃基板上制作边框胶，两侧放置不同厚度的间隙隔垫物，将另一部分玻璃基板分别反平行放置于上述基板之上，压制成盒，灌注液晶之后封口；
步骤二，准备光控取向玻璃基板，在玻璃基板上面旋涂光敏材料，高温下使光敏材料固化；
步骤三，调整光路、照射光控取向玻璃基板，按照上述制备光路结构和角度关系调整光路，打开激光器照射光控取向玻璃基板，使光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案；
步骤四，在照射之后的光控取向玻璃基板上面旋涂反应型液晶，在氮气保护环境下利用紫外光对其进行照射、固化，按照半波条件确定旋涂次数和转速等，最终制备形成液晶偏振光栅。
8.根据权利要求8所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：制备楔形液晶盒包括但不限于使用摩擦取向剂，也可使用光控取向剂。
9.根据权利要求8所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：照射之后的光控取向玻璃基板包括但不限于旋涂反应型液晶，也可制备成盒之后灌注普通液晶。
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