CN111999933A - 一种液晶红外偏振光栅及其制备方法 - Google Patents

一种液晶红外偏振光栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液晶红外偏振光栅及其制备方法，所述的液晶红外偏振光栅包括：红外基板，位于所述红外基板上的光控取向层，以及位于所述光控取向层上的液晶层，所述液晶层具有分子指向矢方向呈周期性渐变的分布，所述的光控取向层由双折射元件进行偏振曝光制备而成。光控取向工艺简便可行，为制备一种红外液晶偏振光栅提供了新思路。红外液晶偏振光栅可应用于红外波段的光束偏转、偏振分离、偏振成像等领域。本发明通过光控取向技术制备的红外液晶偏振光栅，具有在红外波段的超高衍射效率等优良性能。本发明的优点在于其采用基于双折射棱镜的曝光方法，曝光光路结构简单，元件易获取；可灵活调节液晶层厚度以匹配不同红外波段；光栅周期可通过更换双折射棱镜灵活调整；实现高衍射效率、低成本且具有实用价值的红外偏振光栅器件的制备。

Description

一种液晶红外偏振光栅及其制备方法
技术领域
本发明涉及的一种液晶红外偏振光栅及其制备方法，是一种新型红外偏振光栅及其制备方法。此红外光栅与传统红外光栅相比，具有制备方法简单、稳定、成本较低、偏振依赖特性、衍射效率较高等优势。
背景技术
液晶偏振光栅是一种几何相位光学器件，将入射的自然光或者线偏振光衍射成为两束在空间上相互分离、旋向相反的圆偏振光，如图2所示。在入射光为圆偏振光时，出射光束为一束与入射圆偏光旋向相反的的圆偏振光。并且，在偏振光栅的厚度满足半波条件时，具有理论100％的衍射效率。
液晶偏振光栅具有理论100％衍射效率的原因是其按照正弦规律变化的液晶分子主轴排布，液晶分子主轴在x方向上呈现正弦变化，主轴每转过180°称为一个周期。同时液晶偏振光栅具有偏振依赖特性，根据入射光偏振态的不同，将入射光分成左旋和右旋部分在±1级次出射。
在本发明中，采用了光控取向技术使液晶分子按照上述正弦变化方式排列。其基本原理是利用偶氮染料的光敏特性进行曝光，进一步对液晶分子进行取向。本发明中采用的取向材料是偶氮染料SD1，其分子式如图3所示。在使用蓝紫线偏振光照射时，SD1会呈现与照射光偏振方向相垂直的取向方向。为了实现偏振光栅连续变化的取向，需要给取向层照射偏振方向连续变化的线偏光。而本发明采用基于双折射棱镜的曝光光路，对入射光进行偏振调制。
本发明中液晶红外偏振光栅在红外波段拥有极高的衍射效率，需要满足液晶层厚度匹配半波条件，同时配合高红外透过率的光栅基板材料、液晶材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液晶红外偏振光栅，解决传统红外光栅无偏振依赖特性、衍射效率低、成本高昂等问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于光控取向的液晶红外偏振光栅及其制备方法，其特征在于，包括：红外基板、光控取向层、液晶层；
所述红外基板，具有稳定的化学性质、较高红外透过率与物理硬度特性；
所述光控取向层，具有在红外波段无明显吸收峰且具备较高透过率特性，由光敏偶氮染料SD-1溶于溶剂后经旋涂烘烤制成纳米量级膜层；
所述液晶层，具有在红外波段具有较高透过率特性，液晶分子主轴沿x方向呈正弦变化，液晶层厚度与红外工作波段相匹配，在较宽光谱范围内具有高衍射效率。
本发明中液晶基板包括红外基板、光控取向剂SD1，红外基板用于提供高红外透过率，光控取向剂SD1用于记录曝光光路的曝光图案、实现对液晶分子在水平方向光轴的控制。
本发明中可聚合液晶单体沿基板平面周期性排布，液晶的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：
Figure BDA0002680983300000021
式中
Figure BDA0002680983300000022
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。
同时调整液晶层厚度，匹配红外波段达到最佳衍射效率，使厚度满足如下半波条件关系式：
d＝λ0/2△n
式中d是液晶层厚度，λ0是对应波长，Δn是液晶材料对应红外波段双折射率。
本发明提供一种红外液晶偏振光栅制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
首先将光敏偶氮染料SD-1溶于溶剂中，然后将溶液旋涂在清洁的红外基板上，该过程产生厚度约在纳米量级的SD-1膜层。
将涂覆有SD-1的基板放入曝光光路进行取向，保持光路稳定及无杂散光影响。
在曝光后的红外基板上，旋涂液晶材料,该过程产生不同厚度的液晶膜层。
进一步的，选取物理硬度高、化学性质稳定，红外波段透过率高的光控取向基板，包括：
性能优良的光控取向基板是制备得到高效率红外偏振光栅的基础，应同时满足较高的物理硬度以保证红外偏振光栅结构的稳固、稳定的化学性质以保证基板不与光控取向膜层发生反应影响光控取向效果、高红外波段透过率以保证整体红外偏振光栅器件在红外波段拥有较高透过率。
进一步的，对所述光控取向膜进行基于双折射棱镜的光控取向曝光，以形成液晶分子指向矢方向呈周期性分布的结构，包括：
采用基于双折射棱镜的光控取向曝光光路，光路由激光器、偏振片、双折射棱镜401、1/4波片402与红外基板403组成，具有结构简单、曝光时间短、易于搭建调整、光栅周期大小可调节等优点。
进一步的，根据旋涂不同转速产生不同厚度的液晶膜层，包括：
通过实验探究得到不同旋涂转速对应的液晶层厚度，通过累加液晶层层数的方式来得到不同厚度的液晶偏振光栅，以匹配不同红外波段达到最佳的红外衍射效率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明通过光控取向技术和基于棱镜的单次曝光技术制备红外液晶偏振光栅，能够通过调整不同匀胶转速与层数来获得不同厚度液晶层，匹配不同红外波段，在任意红外波段获得90％以上的衍射效率，同时配合高红外透过率的基板材料、液晶材料，达到在红外波段的高透过率。本发明公布的一种红外液晶偏振光栅，既可以实现红外波段的高效率衍射，又可以用于红外偏振成像系统当中，这将使其在红外波段遥感探测、红外偏振成像与红外液晶光学相控阵等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为液晶红外偏振光栅结构示意图，其中包括液晶层101、取向层102和红外基板103；
图2为液晶红外偏振光栅衍射示意图；
图3为光敏偶氮染料SD1分子式；
图4为本发明提供的一种基于光控取向的红外偏振光栅的制备方法的流程图；
图5为基于双折射棱镜的曝光光路，其中包括双折射棱镜401、1/4波片402和红外基板403；
图6为液晶红外偏振光栅在偏光显微镜下织构(放大倍率为200倍)；
图7为液晶红外偏振光栅的衍射图样，其中图7(a)为自然光入射情况下的衍射光斑图，图7(b)、(c)为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射情况下的衍射光斑图；
图8为液晶红外偏振光栅近红外衍射效率仿真数据曲线；
图9为液晶红外偏振光栅中红外衍射效率仿真、测试数据曲线；
图10为液晶红外偏振光栅的红外成像图，其中图10(a)为不加检偏器红外图像，图10(b)、(c)为旋转检偏器不同偏振态下±1级次红外图像。
具体实施方式
1、红外液晶偏振光栅的制备
(1)红外液晶偏振光栅的结构包括光控取向液晶基板和液晶层，其中光控取向液晶基板包括硅基板、光控取向剂SD1，图4为本发明提供的一种基于光控取向的红外偏振光栅制备方法的流程图，如图4所示，所述方法包括如下步骤：
步骤301、光控取向液晶基板的准备，对红外基板进行清洗，清洗完毕后使用紫外臭氧机进行处理以保证SD1取向膜层取向效果。
在形成光控取向膜之前，为增加光控取向膜与红外基板的浸润性和粘附性，首先进行洗涤剂超声清洗，然后再用超纯水超声清洗。在烘箱中进行烘干，最后进行紫外臭氧处理。
步骤302、在处理完毕的红外基板上面旋涂光控取向剂SD1。
步骤303、将上述红外基板放置于图5所示的棱镜单次曝光光路中进行曝光。
步骤304、将曝光后的红外基板取出，置于匀胶机上，旋涂液晶材料。通过改变匀胶机不同转速可形成不同厚度的液晶层，匀胶结束后在紫外灯箱中进行液晶层固化。重复旋涂液晶层以累加层数获得不同厚度匹配不同红外波段，便形成本发明所公布的一种红外液晶偏振光栅。
2、红外液晶偏振光栅性质的测试
(1)红外液晶偏振光栅微纳结构及其衍射光斑的测试
液晶偏振光栅中液晶分子按照正弦规律变化的主轴排布，液晶分子主轴在x方向上呈现正弦变化，主轴每转过180°称为一个周期。因此需要利用偏光显微镜观察其微纳结构，如图6所示，可以看出，本发明提出的红外液晶偏振光栅的条纹轮廓清晰、对比度高、缺陷少；同时红外液晶偏振光栅具有偏振依赖特性，根据入射光偏振态的不同，将入射光分成左旋和右旋部分在±1级次出射。一束自然光入射到该偏振光栅之后，其完全偏向±1级，衍射效率在95％以上(如图7(a)所示)，而当入射光变为圆偏振光，光束能够完全偏向﹢1级或者-1级(如图7(b)、(c)所示)，以上过程说明了本发明所公布的液晶偏振光栅在红外波段具有极高的衍射效率，验证了本发明的有效性。不同厚度液晶偏振光栅近红外波段衍射效率仿真曲线如图8所示，中红外波段衍射效率仿真曲线与测试数据如图9所示。
(2)红外液晶偏振光栅红外成像测试
搭建红外偏振成像光路，红外目标(茶杯)经光阑、起偏器、1/4波片、红外液晶偏振光栅与检偏器，最后由红外相机拍摄获取红外图像(如图10(a)所示)，转动检偏器，分别获取±1级次不同偏振态红外图像(如图10(b)、(c)所示)，证明本发明在红外成像方向应用的有效性。

Claims (7)

1.一种基于光控取向的液晶红外偏振光栅及其制备方法，其特征在于，包括：红外基板、光控取向层、液晶层；
所述红外基板，具有稳定的化学性质、较高红外透过率与物理硬度特性；
所述光控取向层，具有在红外波段无明显吸收峰且具备较高透过率特性，由光敏偶氮染料SD-1溶于溶剂后经旋涂烘烤制成纳米量级膜层；
所述液晶层，具有在红外波段具有较高透过率特性，液晶分子主轴沿x方向呈正弦变化，液晶层厚度与红外工作波段相匹配，在较宽光谱范围内具有高衍射效率。
2.如权利要求1所述的一种液晶红外偏振光栅，其特征在于：可通过调节不同液晶层厚度来匹配不同红外波段，实现在红外波段较宽光谱范围内极高效率的衍射效果，为达到最佳衍射效率，液晶层不同厚度匹配不同红外波段中心波长。
3.如权利要求1所述的一种液晶红外偏振光栅，其特征在于：靠近光控取向液晶基板的液晶分子沿基板平面周期性排布，主轴每转过180°称为一个周期结构，液晶的光轴在一个周期内连续变化，液晶层在光控取向层作用下，形成液晶分子主轴沿x方向呈正弦变化结构。
4.如权利要求1所述的一种液晶红外偏振光栅的制备方法，其特征在于制备过程，包括：
首先将光敏偶氮染料SD-1溶于溶剂中，然后将溶液旋涂在清洁的红外基板上，该过程产生厚度约在纳米量级的SD-1膜层；
将涂覆有SD-1的基板放入曝光光路进行取向，保持光路稳定及无杂散光影响；
在曝光后的红外基板上，旋涂液晶材料,该过程产生不同厚度的液晶膜层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，选取物理硬度高、化学性质稳定，红外波段透过率高的光控取向基板，包括：
性能优良的光控取向基板是制备得到高效率红外偏振光栅的基础，应同时满足较高的物理硬度以保证红外偏振光栅结构的稳固、稳定的化学性质以保证基板不与光控取向膜层发生反应影响光控取向效果、高红外波段透过率以保证整体红外偏振光栅器件在红外波段拥有较高透过率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述光控取向膜进行基于双折射棱镜的光控取向曝光，以形成液晶分子指向矢方向呈周期性分布的结构，包括：
采用基于双折射棱镜的光控取向曝光光路，光路由激光器、偏振片、1/4波片、双折射棱镜组成，具有结构简单、曝光时间短、易于搭建调整、光栅周期大小可调节等优点。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据不同厚度的液晶膜层，包括：
通过实验探究得到不同旋涂转速对应的液晶层厚度，通过累加液晶层层数的方式来得到不同厚度的液晶偏振光栅，以匹配不同红外波段达到最佳的红外衍射效率。
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