CN111522159A - 一种液晶光栅及其控制方法和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶光栅及其控制方法和制备方法，包括基板、电极层、取向膜以及液晶层，电极层设置于基板的一侧，取向膜设置于电极层远离基板的一侧，液晶层设置于取向膜远离电极层的一侧；电极层具有图案呈设定分布的正极和负极，以对液晶层施加设定的电场；取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，以使液晶层中的液晶分子自组装成设定的层状液晶油纹周期结构。本发明具有制备工艺简单、成本低、高偏振依赖以及光栅参数可调谐的优点。

Description

一种液晶光栅及其控制方法和制备方法

技术领域

本发明涉及光学元件及其控制方法和制备方法，特别是涉及一种液晶光栅及其控制方法和制备方法。

背景技术

光栅是一种基于周期结构使光束产生色散偏折的光学元件，普通光栅器件多采用玻璃、金属等材料，无法对光栅周期，光栅朝向以及折射率分布等参数进行调节。基于液晶材料的光栅器件融合了材料的大双折射性、介电各向异性以及多重相态的特点，由于易受电、磁、光、热等外场的控制，具备可动态调谐的能力。此外，液晶光栅因其材料特征还具有质量轻、集成度高、调制范围大、功耗低、精度高等优势。因此，液晶光栅装置在光束整形、光电开关、光谱分析、图像显示等领域都有着良好的应用前景。

传统的液晶光栅一般基于栅状结构的固定取向，几何结构限制或者图形化电极实现，但是光栅功能相对单一，无法实现结构参数的动态重构。如何简单高效地实现液晶光栅元件的快速制备和多参数调控需要进一步研究。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种液晶光栅，以实现光栅结构的多参数调控和高偏振相关性；本发明的目的之二是提供液晶光栅的控制方法；本发明的目的之三是提供一种液晶光栅的制备方法，实现多参数调控液晶光栅的快速制备，简化制备工艺，降低成本。

技术方案：本发明的液晶光栅装置，包括基板、电极层、取向膜以及液晶层，电极层设置于基板的一侧，取向膜设置于电极层远离基板的一侧，液晶层设置于取向膜远离电极层的一侧；电极层具有图案呈设定分布的正极和负极，以对液晶层施加设定的电场；取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，以使液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶油纹周期结构。

其中，取向膜上的控制图形可以通过摩擦取向或光控取向等方式获得，并且，取向膜对液晶层中的液晶分子有锚定作用，使得液晶层中邻近取向膜的液晶分子的分子指向矢排布与取向膜的分子指向矢排布相同。在取向膜对液晶层中的液晶分子的锚定作用以及液晶层远离取向膜一侧空气对液晶的锚定作用下，液晶层中的液晶分子自组装成设定分布的液晶油纹周期结构。

电极的图案可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方式获得，并且，电极的图案与取向膜的控制图案良好对准，使得电极产生与取向膜控制图案相关的设定的电场分布。液晶层中的液晶分子受到电极产生的电场的作用而重排，使得液晶层中自组装的液晶油纹周期结构发生重构。

发明原理：本发明是基于自组装液晶油纹结构的液晶光栅，通过控制取向膜的分子指向矢分布，使得在取向膜一侧生长出的按设定分布的液晶油纹周期结构具有各向异性光学性质，结合图案化电极产生的按设定分布的电场驱动，液晶油纹周期结构可产生周期大小变化和朝向变化，进而使得最终获得液晶光栅装置具有高偏振依赖和参数可调谐的特点。

本发明中采用近晶相液晶材料，液晶油纹结构的形成条件是对抗性边界取向，体现在本发明中是取向膜所带来的平行取向作用，以及液晶/空气界面处固有的垂直取向效果；而电极层在电极覆盖区和电极间区域分别产生不同朝向的电场，从而改变液晶层的所受平行取向和垂直取向的比重，进而影响最终结构。即：不加电场时，仅受底面平行锚定力，表面张力，以及液晶层内的体弹性力；加电场后，在电极覆盖区施加了竖直取向的作用力，而在电极间区域施加了水平取向的作用力，施加不同电压，这种力的大小不同，组装出的结构不同，技术效果不同。

取向膜的分子指向矢分布，电极的图案化结构，以及生长出的液晶油纹周期结构有多种设置方式；其中，产生的液晶油纹的朝向始终垂直于取向膜的分子指向矢方向。

优选地，所述控制图形呈方形、栅状或圆盘状；即控制图形选自如下任一种：

所述控制图形呈方形，控制图形中的分子指向矢朝向相同，呈单方向的均一取向；分子指向矢的取向可沿水平方向、竖直方向或沿任意角度，满足分子指向矢的朝向相同即可。液晶油纹周期结构为液晶油纹阵列，所述取向膜具有分子指向矢分布呈单方向的方形控制图形，以使所述液晶层中的液晶分子自组装形成液晶油纹阵列。

或者，所述控制图形呈栅状，控制图形包括周期排布的多个呈矩形的控制图形单元，每个控制图形单元包括多列子控制图形，其中，至少两列子控制图形中的分子指向矢朝向不同。即液晶油纹周期结构为液晶油纹阵列，取向膜具有分子指向矢分布呈栅状的控制图形，以使所述液晶层中的液晶分子自组装形成液晶油纹阵列。

或者，所述控制图形呈圆盘状，圆盘状控制图形中的分子指向矢关于圆盘圆心沿径向呈放射状，以使液晶层中的液晶分子自组装形成同心圆环液晶油纹周期结构。即：取向膜具有分子指向矢分布呈圆盘状的控制图形，以使所述液晶层中的液晶分子自组装形成同心圆环液晶油纹周期结构；其中，所述圆盘状控制图形的分子指向矢分布关于圆盘圆心呈沿径向方向的放射状；所述同心圆环液晶油纹周期结构包括多个曲率半径沿所述径向方向变化的环形液晶油纹结构；所述环形液晶油纹结构沿所述径向方向的线宽一致。

进一步地，所述控制图形呈方形，控制图形的边长为d，d≥10μm。

进一步地，所述控制图形呈栅状，栅状控制图形中的每个子控制图形内取向膜的分子指向矢与所述子控制图形的列方向的边界夹角为θ，-90°＜θ＜90°。

进一步地，所述控制图形呈栅状，子控制图形沿行方向的长度为a，a≥10μm；子控制图形沿列方向的长度为b，b≥10μm。

进一步地，所述控制图形呈圆盘状，该控制图形的半径为r，r≥30μm。

优选地，所述液晶层的厚度为0.71～1.95μm。

优选地，所述电极层的正极和负极呈叉指形分布，正极和负极分别具有呈交错排列的矩形电极单元，所述电极单元具有长边和短边，并沿短边方向排列；电极产生的电场方向的面内分量方向与电极单元的短边方向平行。电极单元的短边长度为w₁，电极单元的长边长度为w₂，沿短边方向的相邻电极单元的间距为s；其中，w₁≥10μm，w₂≥10*w₁，s≥10μm。所述控制图形呈方形，取向膜具有分子指向矢呈单方向的方形控制图形，其取向方向与电极单元的长边方向具有夹角ξ，0°≤ξ＜180°。

本发明还提供了所述液晶光栅的控制方法，包括：在液晶光栅的电极层上施加不同大小的电压，调谐所述液晶光栅中液晶油纹结构的周期大小和朝向，以实现液晶光栅的多参数调控；采用偏振方向可调的线偏振光垂直照射所述液晶光栅，产生高偏振依赖的光束衍射。

本发明中的液晶光栅的制备方法包括：

(1)在基板一侧形成电极；

其中，基板可采用光透过率大于或等于85％的柔性基板或刚性基板，可以选用石英玻璃或普通玻璃。电极采用透明电极，如透明电极为氧化铟锡薄膜，并采用湿法刻蚀获得所需图案的结构电极。

(2)在电极远离基板一侧形成取向膜；

可选的，取向膜为光控取向膜。在形成光控取向膜之前，为增加光控取向膜与基板的浸润性和粘附性，用洗液(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。

可选的，光控取向膜的材料包括光交联材料、光降解材料和光致顺反异构材料中的至少一种。

可选的，在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基板的一侧，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基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向膜，厚度可为30nm～50nm。

(3)对取向膜进行取向处理，以形成分子指向矢呈设定分布的控制图形。

(4)在取向膜远离基板一侧形成液晶层，取向膜的控制图形控制液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶油纹周期结构；

可选的，液晶层材料为近晶相液晶材料，具体可以选用4’-正辛基-4-氰基联苯。

有益效果：本发明的液晶光栅具有光栅结构多参数可调、高偏振依赖以及制备工艺简单、成本低的优点；相比于现有技术中的液晶光栅，本发明基于自组装液晶油纹结构，由于这种多层级结构在外场作用下的重构特性，液晶油纹光栅具备灵活可调的能力，可实现电场控制下的周期调节、朝向变化、以及开关切换，而油纹结构固有的各向异性特征赋予了液晶光栅高偏振依赖的特点，解决了现有技术中液晶光栅装置功能单一、可调参数有限的问题。同时，自组装的制备工艺易于实现，简化了液晶光栅的制作流程，降低了光栅器件成本。

附图说明

图1是本发明的液晶光栅装置的结构示意图；

图2是本发明的一种取向膜的分子指向矢分布的俯视图；

图3是一种液晶层厚度与相应生长出的液晶光栅的周期的对应关系示意图；

图4是一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图；

图5是图4所示液晶光栅装置的一种偏振光衍射图；

图6是一种液晶层厚度与相应生长出的液晶光栅的一阶衍射效率的对应关系示意图；

图7是一种液晶层厚度与相应生长出的液晶光栅的一阶衍射角的对应关系示意图；

图8是一种液晶油纹的结构示意图；

图9是一种叉指形电极的俯视图；

图10是图9中A处的放大图；

图11是图9所示叉指形电极的一种电场分布的示意图；

图12是图10所示为实施例1的叉指形电极驱动下的一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图；

图13是图10所示为实施例2的叉指形电极驱动下的另一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图；

图14是实施例3的另一种取向膜的分子指向矢分布的俯视图；

图15是另一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图；

图16是图15所示液晶光栅装置的一种偏振光衍射图；

图17是图15所示液晶光栅装置的另一种偏振光衍射图；

图18是又一种取向膜的分子指向矢分布的俯视图；

图19是又一种液晶光栅装置的显微镜照片图；

图20是一种液晶光栅装置的制备方法的流程图；

图21是一种掩膜版的图案；

图22是另一种掩膜版的图案；

图23是实施例3的一种叉指形电极的示意图；

图24是实施例4的一种环形电极的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

以下实施例中使用到的原料和试剂均为市售。

实施例1：

本实施例提供的一种液晶光栅的结构示意图如图1所示，其包括：基板40、电极30、取向膜20以及液晶层10。电极30设置于基板40的一侧，取向膜20设置于电极30远离基板40的一侧，液晶层10设置于取向膜20远离电极30的一侧；电极30具有图案呈设定分布的正极和负极，以对液晶层10施加设定的电场；取向膜20具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，以使液晶层10中的液晶分子自组装成设定的液晶油纹周期结构。

其中，取向膜20上的控制图形可以通过摩擦取向或光控取向等方式获得，并且，取向膜20对液晶层10中的液晶分子有锚定作用，使得液晶层10中邻近取向膜20的液晶分子的分子指向矢排布与取向膜20的分子指向矢排布相同。在取向膜20对液晶层10中的液晶分子的锚定作用以及液晶层10远离取向膜20一侧空气对液晶的锚定作用下，液晶层10中的液晶分子自组装成设定分布的液晶油纹周期结构。电极30的图案可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方式获得，并且，电极30的图案与取向膜20的控制图案良好对准，使得电极30产生与取向膜20控制图案相关的设定的电场分布。液晶层10中的液晶分子受到电极30产生的电场的作用而重排，使得液晶层10中自组装的液晶油纹周期结构发生重构。

图2是本实施例提供的一种取向膜的分子指向矢分布的俯视图。参见图2，取向膜的分子指向矢分布呈单方向的方形控制图形。方形控制图形的边长尺寸为200μm，分子指向矢方向为平行于边的水平方向。在锚定能、液晶体弹性能、表面能的共同作用下，液晶膜内的液晶分子自组装成线型的液晶油纹结构。其中，产生的液晶油纹的朝向始终垂直于取向膜的分子指向矢方向，即液晶油纹周期结构沿方形控制图形的竖直方向分布。

图3是一种液晶层厚度与相应生长出的液晶光栅的周期的对应关系示意图。如图3所示，当液晶层厚度由0.71μm连续变化至1.95μm时，液晶光栅的周期由1.45μm连续变化至4.25μm。该液晶层厚度范围能够确保液晶油纹周期结构具备明显的折射率周期性变化，使不同位置的透过光束产生明显的相位差异，同时，也能避免液晶油纹周期结构在生长过程中因液晶层厚度过大而转化为焦锥畴结构，从而维持液晶油纹的线型特征。

图4是一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图。图4中的液晶光栅装置采用的取向膜的分子指向矢分布呈单方向的方形控制图形(如图2所示)，取向膜的分子指向矢为水平方向，液晶油纹的朝向为垂直于分子指向矢方向的竖直方向。液晶层厚度为1.50μm，对应生长出的液晶光栅的周期尺寸为3.10μm，如图4所示。

图5是图4所示液晶光栅装置的一种偏振光衍射图。入射光为线偏振光，入射光的传播方向沿液晶光栅装置中液晶层的层叠方向，入射光的偏振方向由水平方向逐渐变化至竖直方向，这里所说的水平方向指的是与液晶油纹的朝向垂直的方向，竖直方向指的是与液晶油纹的朝向平行的方向，衍射平面探测位置位于距液晶光栅装置3.5cm处。如图5所示，当入射光束的线偏振方向垂直于液晶油纹的朝向时，液晶光栅装置的一阶衍射光斑最亮，对应的一阶衍射效率为9.5％；当入射光束的线偏振方向逐渐偏离液晶油纹朝向的垂直方向时，液晶光栅装置的一阶衍射光斑逐渐变弱，衍射效率相应减小；当入射光束的线偏振方向平行于液晶油纹的朝向时，液晶光栅装置的一阶衍射光斑消失，一阶衍射效率为0％。可见，液晶光栅装置表现出高阶衍射的高偏振相关性，能够实现与入射光的偏振方向相关的差异化衍射。

图6是本发明实施例提供的一种液晶层厚度与相应生长出的液晶光栅的一阶衍射效率的对应关系示意图。当液晶层厚度由1.50μm减小至1.10μm时，液晶光栅的一阶衍射的最大衍射效率由9.5％减小至5.1％，当液晶层厚度继续减小至0.89μm时，液晶光栅的一阶衍射的最大衍射效率减小至4.0％。可见，随着液晶层厚度的减小，液晶光栅的衍射效率逐渐减小。主要原因在于，当液晶层厚度较小时，透过光束在经过不同位置时的相位差累积较小，故衍射效率较低。随着液晶层厚度增大，相位差逐渐接近于衍射的半波条件，衍射效率随之增大。

图7是本发明实施例提供的一种液晶层厚度与相应生长出的液晶光栅的一阶衍射角的对应关系示意图。如图7所示，当液晶层厚度由0.89μm增大至1.10μm时，液晶光栅的一阶衍射的衍射角由14.1°减小至12.4°，当液晶层厚度继续增大至1.50μm时，液晶光栅的一阶衍射的衍射角减小至9.5°。可见，随着液晶层厚度的增加，液晶光栅的衍射角逐渐减小，这主要是由液晶层厚度增大过程中液晶光栅的周期相应增大导致的(如图3所示)。

图8是本发明实施例提供的一种液晶油纹的结构示意图。下面将结合图8进一步说明上述技术方案中液晶油纹周期结构的光栅效果和高偏振相关性的机理。如图8所示，液晶油纹由展曲形变液晶层组成，其中，液晶分子垂直于液晶层排布，该液晶油纹具有多种晶界，分别为旋转晶界113，中心晶界112和垂直晶界111。在液晶油纹垂直于朝向的截面110内，液晶的分子指向矢在垂直晶界111两侧呈梯度变化分布，而在两相邻垂直晶界的中间区域，液晶分子指向矢垂直于底面排列。当线偏振光沿液晶层层叠方向入射，对于平行于截面110的线偏振，其感应到的是在液晶寻常折射率n_o和非寻常折射率n_e间连续变化的折射率分布，因此液晶油纹结构表现出呈周期变化的相位分布，具备相位型光栅的作用。而对于垂直于截面110的线偏振，其在各处均始终感应到液晶寻常折射率n_o，故不具备光栅效果。在上述情形下，基于液晶油纹周期结构的液晶光栅展现出明显的与入射线偏振光偏振方向相关的偏振依赖性。

其中，电极具有呈叉指形分布的正极和负极，正极和负极分别具有呈交错排列的矩形电极单元。电极产生的电场方向的面内分量方向与电极单元的短边方向平行。分子指向矢分布呈单方向的方形控制图形(如图2所示)的取向方向与电极单元的长边方向的夹角范围为ξ，0°≤ξ＜180°。这样设置可以对液晶油纹周期结构施加预先设定方向的电场。

图9是本发明实施例提供的一种叉指形电极的俯视图，电极单元沿短边方向的电极宽度的尺寸范围为w1≥10μm，电极单元沿长边方向的电极宽度的尺寸范围为w2≥10*w1，电极单元沿短边方向的电极间距的尺寸范围为s≥10μm。这样设置可以实现电极涂覆区产生竖直电场分布，电极间区域产生横向电场分布的效果，并能确保电极涂覆区域和电极间区域均有足够空间生长液晶油纹周期结构。

图10是图9中A处的放大图，电极单元沿短边方向的电极宽度为w1＝12.0μm，电极单元沿长边方向的电极宽度为w2＝1cm，电极单元沿短边方向的电极间距为s＝15.5μm(如图9所示)。图10展示了图9中电极单元沿短边方向的一个周期单元的局部放大图，其中，上侧的电极涂覆区211为正极，下侧的电极涂覆区212为负极，中间区域为电极间区域210。图11是图9所示叉指形电极的一种电场分布的示意图。如图11所示，电场线以拱形从电极涂覆区211经电极间区域210指向电极涂覆区212，其中，电极涂覆区211和电极涂覆区212的中心区域的上方主要为竖直电场，电极间区域210的上方主要为横向电场，而电极边界处的上方为连续变化的倾斜电场。

图12是图10所示叉指形电极驱动下的一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图。图12的液晶光栅装置的取向膜的分子指向矢分布呈单方向的方形控制图形(如图2所示)，其中，取向膜的分子指向矢分布的方向与电极单元的长边方向具有夹角ξ，ξ＝90°，即生长出的液晶油纹的朝向与电极单元的长边方向平行。液晶油纹结构受取向膜的水平锚定和空气界面处的竖直锚定共同作用而产生，其中，取向膜的水平锚定为主导因素。当在正负电极间施加20V电压，电极涂覆区产生的竖直电场可增强竖直锚定的效果，减小液晶层的有效厚度，进而造成液晶光栅周期的减小，对应的电极涂覆区上方的液晶光栅周期由1.89μm减小至1.35μm。电极间区域的横向电场对液晶层的作用与原本的水平锚定效果一致，故对液晶油纹结构无明显影响，对应的电极间区域上方的液晶光栅周期保持不变。当正负电极间电压继续增大至80V，电极涂覆区上方的液晶光栅的周期仍然保持1.35μm，而过大的横向电场使得电极间区域的液晶层整体沿电场方向排列，即与底面垂直，对应的液晶油纹结构无法组装，电极间区域的液晶光栅结构消失。可见，液晶光栅装置在叉指形电极的作用下，表现出可开关切换以及光栅周期可调的能力。

如图20所示为本实施例中的液晶光栅制备方法的流程图，该方法具体包括：

S110、在基板一侧形成电极。

基板选用石英玻璃，电极选用氧化铟锡薄膜，并采用湿法刻蚀获得所需图案的结构电极。

S120、在电极远离基板一侧形成取向膜。

取向膜为光控取向膜，光控取向膜的材料为酸性偶氮染料4，4’-二(4-羟基-3-羧基-苯偶氮基)联苯胺-2，2’-二磺酸。在形成光控取向膜之前，为增加光控取向膜与基板的浸润性和粘附性，用洗液(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。

其中，在基板的一侧形成光控取向膜，包括：将光控取向材料旋涂基板的一侧，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基板退火10分钟，退火温度为100℃，形成光控取向膜，厚度可为30nm～50nm。

S130、对取向膜进行取向处理，以形成分子指向矢呈设定分布的控制图形。

S140、在取向膜远离基板一侧形成液晶层，取向膜的控制图形控制液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶油纹周期结构；其中，液晶层材料为近晶相液晶材料4’-正辛基-4-氰基联苯。

在基板涂有取向膜一侧旋涂近晶相液晶材料，采用旋涂的方法，旋涂参数为：80℃温控，低速旋涂5秒，转速800转/分钟，高速旋涂30秒，转速3000转/分钟至12000转/分钟范围变化，以形成不同厚度液晶层；将旋涂有4’-正辛基-4-氰基联苯的基板由38℃向列相状态以0.2℃/分钟缓慢冷却至室温。

其中，步骤S130中，对取向膜进行取向处理，以形成分子指向矢呈设定分布的控制图形；处理过程包括：

对取向膜进行一次曝光；曝光无掩膜，诱导光的偏振方向决定取向方向，在控制图形内对取向膜进行均匀取向。

实施例2：

本实施例液晶光栅的结构与实施例1基本相同，区别在于取向膜的分子指向矢分布的方向与电极单元的长边方向具有夹角ξ，ξ＝135°。

图13是图10所示叉指形电极驱动下的另一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图。与图12所对应的液晶光栅装置的区别仅在于，取向膜的分子指向矢分布的方向与电极单元的长边方向具有夹角ξ，ξ＝135°，即生长出的液晶油纹的朝向与电极单元的长边方向夹角为45°。在正负电极间施加20V电压，同理，电极涂覆区上方的液晶光栅的周期由1.49μm减小至1.08μm，而电极间区域上方的液晶光栅的周期保持不变。其中，电极涂覆区仅受竖直电场作用，对应液晶光栅的朝向保持不变，而由于电极间区域的横向电场方向与取向膜水平锚定的方向不一致，同时为满足产生的液晶油纹结构的连续性，电极间区域的液晶光栅朝向发生逆时针旋转，转动角度为19°。当正负电极间电压继续增大至90V，同理，电极间区域的液晶光栅结构消失。可见，液晶光栅装置在叉指形电极的作用下，表现出光栅朝向可调的能力。

实施例3：

本实施例液晶光栅的结构与实施例1基本相同，区别在于取向膜的分子指向矢呈栅状。

图14是本实施例提供的另一种取向膜的分子指向矢分布的俯视图。参见图14，取向膜具有分子指向矢分布呈栅状的控制图形，栅状的控制图形包括多列单元格，即控制图形单元，如图14中左侧的虚线框所指的B区域所示，每个控制图形单元中包括两列子控制图形，即B区域内的左右两个取向周期子单元格；每个单元格中的取向膜的分子指向矢关于单元格的列方向的中心分割线镜像对称，即有两个尺寸相同的取向周期子单元格，且分子指向矢与单元格的列方向的中心分割线的夹角均为θ＝30°。每个取向周期子单元格的沿行方向的尺寸为a＝39.4μm，每个单元格的沿列方向的尺寸为b＝200μm。由于每个单元格内分布有两种不同朝向的液晶油纹结构，且液晶油纹在单元格的边界和中心分割线处均连续转折过渡，因此对于入射方向沿液晶光栅装置中液晶层层叠方向的线偏振光，其在两个取向周期子单元格及其边界处分别感应到不同的折射率分布，其光学效果相当于以单元格行方向尺寸2a为周期的相位型光栅。其中，在每个取向周期子单元格内，液晶油纹周期结构仍然具有液晶光栅的效果，因而最终生长出的液晶油纹阵列为二维液晶光栅，具有分别与液晶油纹自组装和栅状控制图形相关的两套周期。

图14仅示例性示出了控制图形中单元格的尺寸，取向周期子单元格的数量，取向周期子单元格的尺寸，以及取向周期子单元格中取向膜的分子指向矢方向，但并非对本申请的限定。每列单元格中包含多列取向周期子单元格，至少两列取向周期子单元格的分子指向矢分布朝向不同，每个取向周期子单元格内的取向膜的分子指向矢与取向周期子单元格的列方向的边界夹角为θ，-90°＜θ＜90°，每个取向周期子单元格沿行方向的尺寸范围为a≥10μm，每个单元格的沿列方向的尺寸范围为b≥10μm。这样设置能够确保生成的液晶油纹阵列为二维液晶光栅，同时，每个单元格中的每个取向周期子单元格内均有足够空间生长液晶油纹周期结构。

如图15所示是本发明实施例提供的另一种液晶光栅装置的正交偏光显微镜照片图。图15中的液晶光栅装置采用的取向膜具有分子指向矢分布呈栅状的控制图形(如图14所示)，控制图形单元呈矩形，每个控制图形单元具有左、右两列子控制图形，子控制图形为平行并排的矩形单元，子控制图形中的分子指向矢的取向夹角为30°，即分子指向矢与每个控制图形单元的中心分割线的夹角为15°，故液晶油纹在单元格边界及分割线处以夹角150°连续过渡连接。二维液晶光栅中液晶油纹的周期尺寸为2.0μm，栅状结构的周期尺寸为39.4μm，如图15所示。

图16是图15所示液晶光栅装置的一种偏振光衍射图。入射线偏振光的偏振方向沿栅状控制图形的列方向，衍射屏探测位置位于液晶光栅装置远离光源一侧的3.5cm处。如图16所示，液晶光栅装置具有两套衍射角不同的衍射图样，具有较大衍射角的二维光束偏折是由周期较小的局部自组装液晶油纹所引起，而具有较小衍射角的一维光束偏折是由栅状结构整体的折射率周期分布所引起。其中，由于在两种取向周期子单元格内，液晶油纹朝向分别与列方向间夹角±75°，故二维衍射光斑分别与列方向夹角±15°。

图17是图15所示液晶光栅装置的另一种偏振光衍射图。与图16所对应的衍射过程的区别仅在于，入射光偏振方向沿栅状控制图形的行方向。如图17所示，随着入射偏振方向的转动，衍射图样各阶对应的衍射效率发生变化。其中，与图16相比，一方面，由于线偏振光沿液晶油纹朝向的偏振分量增大，故油纹本身对应的二维衍射的衍射效率下降(如图5或图6所示)，光斑亮度明显减弱。另一方面，由于取向周期子单元格区域与其边界区域间的相位差有所减小，故取向结构对应的一维衍射的衍射效率也有所下降。

参见图16，图17，可以得出，图15所示液晶光栅装置能够在产生具备特定衍射角的二维衍射的同时，展现出与入射光偏振方向相关的衍射效率分布，同时通过任意设置取向结构的周期尺寸、液晶油纹的周期尺寸、以及液晶油纹的朝向，可以分别对液晶光栅装置的衍射角及偏振依赖特性进行调制。

本实施例中的液晶光栅的制备方法同实施例1基本相同，不同之处在于对取向膜进行取向处理(即步骤S130)，以形成分子指向矢呈设定分布的控制图形；处理过程包括：

对取向膜进行第一次曝光；第一次曝光无掩膜，诱导光的偏振方向为第一方向，对取向膜进行均匀取向；

对取向膜进行第二次曝光；第二次曝光的掩膜版包括遮光区和透光区；遮光区和透光区形成栅状阵列图案；沿行方向，遮光区和透光区间隔排布；诱导光的偏振方向为第二方向，对取向膜图案化取向，以使取向膜具有分子指向矢分布呈栅状的控制图形；

其中，第一方向与列方向的夹角为θ1，0°＜θ1＜90°；第二方向与列方向的夹角为θ2，-90°＜θ1＜0°；第一方向与第二方向关于列方向镜像对称。

图21是本实施例提供的一种掩膜版的图案。如图21所示，对取向膜进行取向处理，以形成分子指向矢呈栅状的控制图形的具体过程。设置第一次为全区域曝光，诱导光的偏振方向为75°，这里所说的偏振方向为75°指的是，将竖直方向(掩膜版图案的列方向)逆时针旋转75°所对应的方向，对光控取向膜进行均匀取向；设置第二次为图案化曝光，设置诱导光的偏振方向为-75°，采用如图21所示的掩膜版，其中，白色区域表示透光区域，即可进行曝光的区域，黑色区域表示遮光区域，即不进行曝光的区域，栅状图案中，任一单元格(任一个单元格均包含一黑一白区域)沿行方向的长度为39.4μm，沿列方向的长度为200μm。对取向膜进行上述取向处理之后，取向膜的分子指向矢分布如图14所示，液晶层的液晶分子自组装形成的液晶油纹阵列如图15所示，可用作液晶光栅的液晶油纹多朝向多列整齐排布。

图23是本实施例提供的一种叉指形电极的示意图。与实施例1中图9所示的叉指形电极的区别在于，电极单元沿短边方向的电极宽度的尺寸与栅状控制图形取向周期子单元格沿行方向的尺寸相同，即w1＝a；电极单元沿长边方向的电极宽度的尺寸大于栅状控制图形取向周期子单元格沿列方向的尺寸，即w2＞b；电极单元沿短边方向的电极间距与栅状控制图形取向周期子单元格沿行方向的尺寸相同，即s＝a。此外，电极结构与栅状控制图形的相对位置分布满足，电极结构在短边方向上与取向周期子单元格精确对准，而在长边方向上覆盖控制图形范围。这样设置可以实现对栅状控制图形内不同取向周期子单元所对应的液晶光栅产生不同的调制效果，电极涂覆区311与312所对应的油纹结构受到竖直电场调制，电极间区域310所对应的油纹结构受到横向电场调制。

实施例4：

本实施例液晶光栅的结构与实施例1基本相同，区别在于取向膜的分子指向矢呈圆盘状。

图18是本发明实施例提供的又一种取向膜的分子指向矢分布的俯视图。参见图18，取向膜具有分子指向矢分布呈圆盘状的控制图形，其中圆盘状控制图形的分子指向矢分布关于圆盘圆心呈沿径向方向的放射状。由于分子指向矢方向沿圆盘角向方向渐变排列，液晶层中的液晶分子自组装形成同心圆环液晶油纹周期结构，该结构包括多个曲率半径沿径向方向变化的环形液晶油纹。对应圆盘沿径向方向的半径尺寸为r≥30μm，这样设置能够确保在圆盘状控制图形内有足够空间生长同心圆环液晶油纹周期结构。

图19是本发明实施例提供的又一种液晶光栅装置的显微镜照片图。图19中的液晶光栅装置采用的取向膜具有分子指向矢分布呈圆盘状的控制图形(如图18所示)，分子指向矢关于圆盘圆心呈径向放射状。该液晶光栅装置的折射率分布整体沿径向方向周期性变化，而沿角向方向保持不变，故能起到普通圆形相位光栅的效果。可以理解的是，由于液晶油纹结构固有的光学特性，该圆形液晶光栅装置仍保持有偏振依赖的特点。圆形液晶光栅装置沿径向方向的半径尺寸为r＝60μm，液晶光栅的平均周期尺寸为2.0μm，如图19所示。

本实施例中的液晶光栅的制备方法同实施例1基本相同，不同之处在于对取向膜进行取向处理(即步骤S130)，以形成分子指向矢呈设定分布的控制图形；处理过程包括：

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，依次进行多次曝光；

其中，设置相邻步骤曝光图形的曝光区域部分重叠，诱导光偏振方向随曝光次序单调增加或单调减小，以使取向膜具有分子指向矢呈圆盘状的控制图形。

图22是本实施例提供的一种掩膜版的图案。如图22所示，对取向膜进行取向处理，以形成分子指向矢呈圆盘状的控制图形的具体过程。如图22所示，包含36个掩膜版，每个掩膜版中黑色区域为不曝光区域，白色区域为曝光区域。选用第一个掩膜版，设置诱导光的偏振方向为90°，此处所说的偏振方向为90°指的是，将水平方向510逆时针旋转90°所对应的方向，进行第一次曝光；选用第二个掩膜版，设置诱导光的偏振方向为95°，进行第二次曝光；然后，按照箭头所示方向依次选用掩膜版，每更换一次掩膜版则设置诱导光的偏振方向增加5°，直至选用第三十六张掩膜版，设置诱导光的偏振方向为265°，进行第三十六次曝光。掩膜版对取向膜进行上述取向处理之后，取向膜的分子指向矢分布呈圆盘状的控制图形，控制图形内分子指向矢关于圆盘圆心呈沿径向方向的放射状，使得液晶层中的液晶分子自组装形成同心圆环液晶油纹周期结构。

图22仅示例性的示出通过三十六次曝光完成取向膜的取向处理，但并非对本申请的限定，本领域技术人员可根据实际情况选用掩膜版的图案以及曝光次数，只要能够使取向膜的分子指向矢呈同心圆环状的控制图形即可。

图24是本实施例提供的一种环形电极的示意图。如图24所示，环形电极的正极411与负极412交替嵌套排列，正极411的电极单元沿径向的电极宽度分别满足w3≥10μm，负极412的电极单元沿径向的电极宽度分别满足w4≥10μm，电极间区域410沿径向的宽度满足s1≥10μm。这样设置可以实现电极涂覆区产生竖直电场分布，电极间区域产生沿径向方向的横向电场分布的效果，并能确保电极涂覆区域和电极间区域均有足够空间生长液晶油纹周期结构。

Claims (10)

1.一种液晶光栅，其特征在于：包括基板、电极层、取向膜以及液晶层，电极层设置于基板的一侧，取向膜设置于电极层远离基板的一侧，液晶层设置于取向膜远离电极层的一侧；电极层具有图案呈设定分布的正极和负极，以对液晶层施加设定的电场；取向膜具有分子指向矢呈设定分布的控制图形，以使液晶层中的液晶分子自组装成层状液晶油纹周期结构。

2.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：控制图形呈方形、栅状或圆盘状；

其中，方形控制图形中的分子指向矢朝向相同，呈单方向的均一取向；

栅状控制图形包括周期排布的多个呈矩形的控制图形单元，每个控制图形单元包括多列子控制图形，且至少两列子控制图形中的分子指向矢朝向不同；

圆盘状控制图形中的分子指向矢关于圆盘圆心沿径向呈放射状，以使液晶层中的液晶分子自组装形成同心圆环液晶油纹周期结构。

3.根据权利要求2所述的液晶光栅，其特征在于：所述控制图形呈方形，控制图形的边长为d，d≥10μm。

4.根据权利要求2所述的液晶光栅，其特征在于：所述控制图形呈栅状，子控制图形沿行方向的长度为a，a≥10μm；子控制图形沿列方向的长度为b，b≥10μm。

5.根据权利要求2所述的液晶光栅，其特征在于：所述控制图形呈圆盘状，该控制图形的半径为r，r≥30μm。

6.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：所述液晶层的厚度为0.71～1.95μm。

7.根据权利要求1所述的液晶光栅，其特征在于：所述电极层的正极和负极呈叉指形分布，正极和负极分别具有呈交错排列的矩形电极单元，所述电极单元具有长边和短边，并沿短边方向排列；电极单元的短边长度为w₁，电极单元的长边长度为w₂，沿短边方向的相邻电极单元的间距为s；其中，w₁≥10μm，w₂≥10*w₁，s≥10μm。

8.根据权利要求7所述的液晶光栅，其特征在于：所述控制图形呈方形，取向膜具有分子指向矢呈单方向的方形控制图形，其取向方向与电极单元的长边方向具有夹角ξ，0°≤ξ＜180°。

9.一种权利要求1～8中任一项所述的液晶光栅的控制方法，其特征在于所述方法包括：在液晶光栅的电极层上施加不同大小的电压，调谐所述液晶光栅中液晶油纹结构的周期大小和朝向，以实现液晶光栅的多参数调控；采用偏振方向可调的线偏振光垂直照射所述液晶光栅，产生高偏振依赖的光束衍射。

10.一种权利要求1～8中任一项所述的液晶光栅的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在基板一侧形成电极；

(2)在电极远离基板一侧形成取向膜；

(3)对取向膜进行取向处理，以形成分子指向矢呈设定分布的控制图形。

(4)在取向膜远离基板一侧形成液晶层，取向膜的控制图形控制液晶层中的液晶分子自组装成设定的液晶油纹周期结构。

Images