CN112114458B - 一种液晶偏振光栅周期调控方法 - Google Patents

一种液晶偏振光栅周期调控方法 Download PDF

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Abstract

一种液晶偏振光栅周期调控方法，提供了一种基于单次曝光制备方案的周期调控方法。首先，通过改变曝光光路中偏振调制元件的楔角以及摆放角度实现对曝光光束偏振分布的有效控制。进一步的，通过改变基板倾角实现液晶偏振光栅周期的调控。所述方法在于通过改变曝光光路结构参数包括棱镜楔角、曝光光束入射角、基板倾角，实现曝光过程中对液晶偏振光栅的周期精确调控。该方法的优点在于可调光栅周期范围大，调节灵活性高，曝光稳定性高，制备流程简单且成本低。为基于偏振调控的液晶偏振光栅单次曝光制备方案提供优化。

Description

一种液晶偏振光栅周期调控方法
技术领域
本发明涉及的单次曝光制备液晶偏振光栅的周期调控方法，是一种可实现对液晶偏振光栅周期进行灵活调控的新型方法。本发明属于光学元器件的制造技术领域，特别涉及一种通过改变曝光光路结构参数以实现调控液晶偏振光栅周期的方法。
背景技术
液晶偏振光栅作为一种新型的衍射光学元件，将偏振分离和光束偏转功能结合在一层液晶薄膜中，附着在透明基底上。液晶偏振光栅根据入射光的偏振态，可在±1级次之间调控衍射光的偏振态及能量分布。当液晶膜层厚度满足半波条件时，可实现极高的衍射效率。
在实际应用中，不同应用场景对光栅衍射角有不同的需求。由衍射光栅方程可知，液晶偏振光栅衍射角的大小由光栅周期决定。液晶偏振光栅中液晶分子的指向矢在一维方向上呈正弦式周期排列，指向矢每变化180°为一个光栅周期，在偏光显微镜下对应两个亮暗条纹，如图1所示。
在制备过程中，光敏材料被曝光光束照射后，根据曝光光束的偏振态进行取向，进而凭借其特性诱导液晶分子定向排列，最终实现液晶偏振光栅的结构。光栅周期大小是在曝光过程中被确定，因此，较大的周期制备范围及精准的周期调控能力成为液晶偏振光栅曝光方法追求两个关键指标。
目前较为常见的曝光方法为双光束干涉法。双光束干涉曝光法常用于制备周期范围在微米级及亚微米级的小周期偏振光栅。双光束干涉法需要较小的干涉角以及较长的曝光距离实现大周期光栅的制备，因此，存在制备几十微米甚至上百微米的大周期液晶偏振光栅困难的问题。此外，在制备不同周期的偏振光栅时，双光束干涉法对光路参数精确度以及环境的稳定度要求较高。基于双折射元件的曝光法可以通过改变棱镜楔角、基板倾角、棱镜入射角等光路结构参数来调控光栅的周期大小，能够在简单的光路中实现周期达几十微米至上百微米偏振光栅的制备；除此之外，相比于其他曝光方法，该方法可调光栅周期范围大，调节灵活性高，曝光稳定性高，制备流程简单且成本低。
发明内容
本发明的技术方案是：一种液晶偏振光栅周期调控方法，基于双折射棱镜的单次曝光光路，通过调整曝光光路中的偏振调制元件实现对曝光光束偏振分布的有效控制，通过改变基板倾角实现偏振光栅周期的灵活调控。
本发明的具体实现方法为：按照图2所示光路图搭建曝光光路。建立三维直角坐标系，以曝光光束前传播方向为Z轴，设定双折射棱镜处于初始摆放位置时，其与光轴方向平行的直角面垂直于Z轴，此时，定义棱镜光轴方向为Y轴，与Y-Z平面垂直的方向为X轴。
该曝光光路特征在于：包括
激光器：作为光源为光路提供曝光光束；
偏振片：将曝光光束调制成偏振方向与棱镜光轴夹角为45°的线偏振光；
扩束镜：用于扩束并准直曝光光束；
置于旋转台1上的双折射棱镜：使入射棱镜的曝光光束产生双折射，进而产生具有一定夹角的o光与e光；
四分之一波片：将出射棱镜的曝光光束调制成偏振方向沿光轴方向连续变化的线偏振光；
置于旋转台2上的基板：用于承载经旋涂光敏材料溶液后所形成的光控取向层。
所述的单次曝光光路，由激光器发出的曝光光束传播过程中依次经过：偏振片、扩束镜、置于旋转台1上的双折射棱镜、四分之一波片，被调制为沿Y轴方向连续变化的线偏振光照射到置于旋转台2上的基板诱导光敏材料取向；
所述的激光器、偏振片、扩束镜三个组件的空间相对位置保持固定，三个组件的通光面法线方向与Y轴保持共轴关系；
所述的偏振片透偏方向、双折射棱镜光轴、四分之一波片快轴方向满足以下角度要求：偏振片透偏方向与Y轴的夹角为45°，四分之一波片快轴方向与Y轴的夹角为-45°；
所述双折射棱镜置于可在Y-Z面上实现0°～360°旋转的旋转台1上；
所述基板置于可在Y-Z面上实现0°～360°旋转的旋转台2上。
所述光敏材料包括但不限于偶氮染料SD-1；
所述激光器发出的曝光光束波长包括但不限于450nm；
所述激光器发出的曝光光束波长与光敏材料的光敏响应光谱范围匹配；
所述激光器发出的曝光光束波长与偏振片的有效带宽匹配；
所述激光器发出的曝光光束波长与四分之一波片的有效带宽匹配；
所述偏振片的偏振方向与棱镜光轴方向夹角为45°；
所述扩束镜将入射的曝光光束扩束准直为均匀的平行光束，以扩大有效取向区域的面积；
所述双折射棱镜采用的双折射材料包括但不限于石英石、方解石；
所述四分之一波片与光轴方向夹角为-45°；
所述四分之一波片光轴方向与偏振片的偏振方向夹角为90°；
所述四分之一波片与出射光方向保持垂直，以减小二者的相对角度所引起相位延迟的偏差；
所述曝光光路在保持光路结构参数与入射光前传播方向不变的情况下，定义曝光光束从棱镜斜边入射时棱镜楔角为
Figure BDA0002681432080000041
如图3所示。曝光光束从平行于光轴的棱镜直角边入射时棱镜楔角为
Figure BDA0002681432080000042
如图4所示；通过从棱镜斜面入射不同楔角的棱镜，以实现0-90°的棱镜楔角变化；通过从棱镜直面入射不同楔角的棱镜，以实现-90-0°的棱镜楔角变化，从而改变光栅周期的大小；
所述曝光光路在保持光路结构参数与入射光前传播方向不变的情况下，定义曝光光束从入射面法线右侧入射棱镜时入射角为θ0，定义曝光光束从入射面法线左侧入射棱镜时入射角为-θ0，；通过调整旋转台1的角度以改变曝光光束入射棱镜的入射角，从而改变光栅周期的大小；
所述曝光光路在保持光路结构参数与入射光前传播方向不变且基板处于初始位置的情况下，以基板一端为轴逆时针旋转基板，基板相对于原始位置倾角为β，如图3所示。以基板一端为轴顺时针旋转基板，基板相对原始位置倾角为-β，如图4所示。通过调整旋转台2的角度以改变基板倾角，从而改变光栅周期的大小；
本方案的制备流程为：1)根据需求的周期大小，通过理论计算，求出相应的角度参数，选取可实现的周期调控方法制定曝光方案。2)按照制定的曝光方案搭建曝光光路。3)在经过预处理的基板上旋涂一层SD1溶液并蒸干。4)将基板放入照光系统中，照光一定时间以满足光敏材料取向的光剂量。5)在光敏层上旋涂液晶溶液，照光固化液晶分子。
其中，不同曝光光路结构参数所对应的光栅周期理论值可通过定量计算求出。首先，建立不考虑折射的理想模型，一束垂直于棱镜光轴方向入射棱镜的光传播方向不发生变化，则光在棱镜产生的光程差是引起相位延迟量变化的主要原因。因此，要计算光栅周期，需要对棱镜的光路进行分析。
如图5所示，波长为λ且光斑宽度为的线偏振光经过楔角为
Figure BDA0002681432080000051
双折射率为Δn的石英石棱镜后引入的光程差为ΔlΔn。对于偏振光栅而言，出射光的偏振化方向每旋转π对应光栅的一个周期。出射光偏振化方向ω与棱镜引入的相位延迟量δ之间满足δ＝2ω。因此液晶偏振光栅的一个周期与棱镜引入的相位延迟量之间的关系为δ＝2π。
设光栅在Y方向上取向区域宽度为X，则取向区域的宽度与光在棱镜中传播的路径差之间的关系为：
Figure BDA0002681432080000052
根据双折射公式，有：
Figure BDA0002681432080000053
由δ每变化2π对应一个光栅周期，则得到以下关系：
Figure BDA0002681432080000054
则可得光栅周期为：
Figure BDA0002681432080000055
通过以上方法可以计算出理想情况下，基于双折射棱镜的液晶偏振光栅理论周期。进一步，考虑实际情况中，偏振光在入射棱镜后会出现双折射现象，即产生两条折射光线：寻常光o光和非寻常光e光。因此在理想计算方法的基础上，采用间接计算法，分别计算经棱镜折射后o光、e光的光程差及二者投影在基板上交叠区域的光斑宽度，以求得实际情况下液晶偏振光栅的周期。
以如图6所示的光路为例，基板平行于与光轴方向平行的直角面放置，假设Lp为曝光光束在水平方向的宽度，d1、d2分别为光斑两端光束入射点处对应的棱镜厚度，H为棱镜到平行于棱镜直角边放置的基板的距离，
Figure BDA0002681432080000056
为棱镜楔角，θ0为光束入射棱镜的入射角。
对于o光，定义θo1为其由空气介质入射棱镜时的折射角，θo2为其由棱镜入射空气介质的入射角，θo3为出射棱镜的折射角；对于e光，定义θe1为其由空气介质入射棱镜时的折射角，θe2为其由棱镜入射空气介质的入射角，θe3为出射棱镜的折射角。取两道光束边缘的四条光线投影在基板上对应四个边界点o1、e1、o2、e2。
通过三角函数计算可得知，d1、d2满足关系式:
Figure BDA0002681432080000061
o光与e光在基板上投影的宽度：
Figure BDA0002681432080000062
Figure BDA0002681432080000063
o光与e光两端光线的光程差分三部分计算，入射棱镜前，二者光程差：
ΔS0＝Lptanθ0
入射棱镜后，出射棱镜前，二者光程差：
Figure BDA0002681432080000064
Figure BDA0002681432080000065
出射棱镜后，二者光程相同。由以上可知，总光程差：
Figure BDA0002681432080000066
Figure BDA0002681432080000067
采用同样的计算思路，分别计算曝光光束边缘两条光线经双折射后，其光程差与投影距离差。其中，o光和e光的光程差：
Figure BDA0002681432080000071
Figure BDA0002681432080000072
同一束光中o光与e光投影在基板上的投影距离：
ΔXoe1＝d1(tanθe2-tanθo2)+H(tanθe3-tanθo3)
ΔXoe2＝d2(tanθe2-tanθo2)+H(tanθe3-tanθo3)
通过以上计算，设e1点为位置与光程的零点，可分别求得投影在基板上光斑的4个边界点相互间的位置差与光程差，从而可求得o光与e光出射棱镜后投影在基板上交叠区域的光斑宽度以及光程差。
以此计算照射在基板上光斑的相位延迟变化量，相位差每变化2π对应为一个光栅周期，则由光斑宽度所对应的光程差即可算出光栅周期，由此便可实现对液晶偏振光栅理论周期的计算。
基于以上算法，可通过改变光路结构参数以调控光栅周期，经实验验证，在棱镜材料即双折射率确定的情况下，棱镜楔角、曝光光束入射棱镜的入射角、基板倾角是改变光栅周期的主要结构参数，通过结合不同的方案可扩展光路可制备光栅周期的范围，使制备的液晶偏振光栅周期在一定范围内可以做到被稳定且精确调控。
附图说明
图1为液晶偏振光栅偏光显微镜下的组织结构(放大倍率为100倍)；
图2为基于双折射棱镜的曝光光路示意图；其中包括激光器1、偏振片2、扩束镜3、旋转台4、双折射棱镜5、四分之一波片6、旋转台7、基板8；
图3为入射楔角
Figure BDA0002681432080000073
棱镜的光路示意图，其中包括激光器1、偏振片2、扩束镜3、双折射棱镜4、四分之一波片5、处于初始摆放位置的基板6、逆时针偏转β的基板7、e光光束8、o光光束9、有效取向区域10；
图4为入射楔角
Figure BDA0002681432080000081
棱镜的光路示意图，其中包括激光器1、偏振片2、扩束镜3、楔角为
Figure BDA0002681432080000082
双折射棱镜4、四分之一波片5、处于初始摆放位置的基板6、顺时针偏转β的基板7、e光光束8、o光光束9、有效取向区域10；
图5为理想情况下基于入射双折射棱镜斜边的周期计算示意图；
图6为实际情况下基于入射双折射棱镜斜边的周期计算示意图；
具体实施方式
实施案例一：搭建以图3为例的曝光光路。其中，使用的双折射棱镜材料为石英石，其双折射率Δn＝0.009，光源为波长λ＝450nm的蓝紫激光，基板处于初始摆放位置，保持曝光光束前传播方向平行于Z轴，通过在光路中使用楔角不同的棱镜可实现光栅周期的改变。曝光光束入射棱镜斜面，当曝光光束入射楔角
Figure BDA0002681432080000083
的棱镜，理论光栅周期为94.7μm，制备光栅周期为94.6μm；当曝光光束入射楔角
Figure BDA0002681432080000084
的棱镜，理论光栅周期为57.6μm，制备光栅周期为57.5μm。
搭建以图4为例的曝光光路。其中，使用的双折射棱镜材料为石英石，其双折射率Δn＝0.009，光源为波长λ＝450nm的蓝紫激光，基板处于初始摆放位置，保持曝光光束前传播方向平行于Z轴，通过在光路中调整曝光光束入射棱镜的入射面可实现光栅周期的改变。曝光光束入射棱镜直角面，当入射楔角
Figure BDA0002681432080000085
的棱镜，理论光栅周期为67.3μm，制备光栅周期为67.5μm。
相同条件下，光栅周期随棱镜楔角绝对值的增大而减小。入射相同楔角的棱镜，曝光光束从斜边入射所制备的光栅周期始终大于从直角边入射所制备的光栅周期。
实施案例二：搭建以图3为例的曝光光路。其中，使用的双折射棱镜材料为石英石，其双折射率Δn＝0.009，光源为波长λ＝450nm的蓝紫激光，基板处于初始摆放位置，保持曝光光束前传播方向平行于Z轴，通过控制载有棱镜的旋转台1旋转角度以改变激光光束入射棱镜斜面的入射角可实现光栅周期的改变。曝光光束入射楔角
Figure BDA0002681432080000091
的棱镜，入射角θ0＝20°时，理论光栅周期为99.3μm，制备光栅周期为99.1μm；入射角θ0＝30°时，理论光栅周期为94.7μm，制备光栅周期为94.6μm；入射角θ0＝40°时，理论光栅周期为90.1μm，制备光栅周期为90.0μm；
相同条件下，在入射面法线单侧时，光栅周期随入射角的增大而减小。
实施案例三：搭建以图3为例的曝光光路。其中，使用的双折射棱镜材料为石英石，其双折射率Δn＝0.009，光源为波长λ＝450nm的蓝紫激光，基板处于初始摆放位置，保持曝光光束前传播方向平行于Z轴，通过控制载有棱镜的旋转台2旋转角度以改变基板相对于原始位置的倾角可实现光栅周期的改变。曝光光束入射楔角
Figure BDA0002681432080000092
的棱镜，基板处于原始位置时，θ0＝20°时，理论光栅周期为99.3μm，制备光栅周期为99.1μm；入射角θ0＝30°时，理论光栅周期为94.7μm，制备光栅周期为94.6μm；入射角θ0＝40°时，理论光栅周期为90.1μm，制备光栅周期为90.0μm；
相同条件下，光栅周期在出射光垂直照射基板时最小。
以上的周期调控方案经实验验证，仿真计算结果与制备实验结果匹配良好。因此，可通过结合不同方案可以扩大可制备偏振光栅周期范围。
本发明公开了一种可实现液晶偏振光栅周期调控的曝光光路及制备方案，通过改变曝光光路中结构参数包括棱镜楔角、入射角、基板倾角，实现对光栅周期的精确调控；通过组合各种不同结构参数的曝光方案实现光路可制备光栅周期的范围。本发明的曝光光路结构简单，可调光栅周期范围大，调节灵活性高，曝光稳定性高，制备工艺简便且成本低。

Claims (6)

1.一种液晶偏振光栅周期调控方法，其特征在于：基于液晶偏振光栅的单次曝光光路，通过调节曝光光路结构参数包括棱镜楔角、曝光光束入射角、基板倾角，从而改变所制备液晶偏振光栅的周期，并基于曝光光路结构参数提供一套液晶偏振光栅周期的计算方法；所述的单次曝光光路包括：
激光器：作为光源为光路提供曝光光束；
偏振片：将曝光光束调制成偏振方向与棱镜光轴夹角为45°的线偏振光；
扩束镜：用于扩束并准直曝光光束；
置于旋转台1上的双折射棱镜：使入射棱镜的曝光光束产生双折射，进而产生具有一定夹角的o光与e光；
四分之一波片：将出射棱镜的曝光光束调制成偏振方向沿光轴方向连续变化的线偏振光；
置于旋转台2上的基板：用于承载经旋涂光敏材料溶液后所形成的光控取向层；
所述的单次曝光光路，由激光器发出的曝光光束传播过程中依次经过：偏振片、扩束镜、置于旋转台1上的双折射棱镜、四分之一波片，被调制为沿Y轴方向连续变化的线偏振光照射到置于旋转台2上的基板，进而诱导光控取向层中的光敏材料取向。
2.根据权利要求1所述的周期调控方法，其特征在于：
所述的棱镜楔角的改变，保持曝光光束前传播方向不变，可通过使用具有不同楔角的双折射棱镜在不同的摆放方式下实现。
3.根据权利要求1所述的周期调控方法，其特征在于：
所述的曝光光束入射角的改变，保持曝光光束前传播方向不变，通过旋转放置棱镜的旋转台1，进而改变曝光光束前传播方向与双折射棱镜入射面法线之间夹角实现。
4.根据权利要求1所述的周期调控方法，其特征在于：
所述的基板倾角的改变，保持曝光光束前传播方向不变，可通过旋转放置涂有光敏取向层的基板2的旋转台实现。
5.一种实现权利要求1所述的液晶偏振光栅周期调控方法的单次曝光光路，其特征在于：
建立三维直角坐标系，定义曝光光束前传播方向为Z轴，设定双折射棱镜处于初始摆放位置时，其与棱镜光轴方向平行的直角面垂直于Z轴，此时，定义棱镜光轴方向为Y轴，与Y-Z平面垂直的方向为X轴；
所述的激光器、偏振片、扩束镜三个组件的空间相对位置保持固定，三个组件的通光面法线方向与Y轴保持共轴关系；
所述的偏振片透偏方向、双折射棱镜光轴、四分之一波片快轴方向满足以下角度要求：偏振片透偏方向与Y轴的夹角为45°，四分之一波片快轴方向与Y轴的夹角为-45°；
所述双折射棱镜置于可在Y-Z面上实现0°~ 360°旋转的旋转台1上；
所述基板置于可在Y-Z面上实现0°~ 360°旋转的旋转台2上。
6.一种实现权利要求1所述的液晶偏振光栅周期调控方法的单次曝光光路，其特征在于：
所述激光器发出的曝光光束波长与光敏材料的光敏响应光谱范围匹配；
所述激光器发出的曝光光束波长与偏振片的有效带宽匹配；
所述激光器发出的曝光光束波长与四分之一波片的有效带宽匹配；
所述双折射棱镜，是由单轴晶体材料构成的楔形棱镜。
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