CN112162427A - 一种初始态为va态的液晶偏振光栅 - Google Patents

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Abstract

一种初始态为VA态的液晶偏振光栅涉及液晶偏振光栅技术领域，解决了获得0级调制出射时受温度、电压漂移而变化的问题，包括顺次设置的第一基板、第一ITO导电薄膜、第一光控取向膜、液晶层、第二光控取向膜、第二ITO导电薄膜和第二基板，当对液晶偏振光栅不施加驱动电压时，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光不产生衍射，当对液晶偏振光栅施加驱动电压时，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光产生衍射。本发明在不施加电压状态时出射光全部为零级光，这种液晶偏振光栅器件在驱动电压为零时不调制光，出射光全部为零级光，解决了原有液晶偏振光栅器件获得0级调制出射时受温度、电压漂移而变化的问题。

Description

一种初始态为VA态的液晶偏振光栅
技术领域
本发明涉及液晶偏振光栅技术领域，具体涉及一种初始态为VA态的液晶偏振光栅。
背景技术
液晶器件除了显示应用外，液晶器件还可以用在光学系统中调节光的位相、强度、偏振态等参数，此时它被称作波前校正器、空间光调制器、偏振旋转器等。
基于面阵像素结构和一维线栅的液晶空间光调制器能在电压调制下形成闪耀光栅，用于进行光束偏转时具有精度高、近似连续可调等优点，但由于该类器件的单个像素(或单条像素)尺寸不可能做得太小，为数微米量级，当采用多级量化法即用多个像素排成准连续斜面形成闪耀光栅时，闪耀角对可见近红外光束来说一般都小于3°，限制了它在特定领域进行应用。
近年国际上又提出一类光栅器件，其中液晶分子的指向矢在基板面的特定方向上呈周期性排列而形成一维光栅，示意图见图1。这种光栅在施加不同电压时可使入射的圆偏振激光束依次产生0，+1，-1级衍射，使光束最大可以产生15°以上的偏折角度，该器件被称为液晶偏振光栅。液晶偏振光栅是一种基于几何相位原理的新型光栅，器件中液晶分子指向矢的排布在基板面内呈一维的周期结构，周期为Λ，其指向矢的方位角呈连续线性变化，同一周期的一个单元中不同位置的液晶分子在基板平面内具有不同的方位角，图1中的微小线段代表长棒状液晶分子。当圆偏振光入射到液晶偏振光栅器件上时，且器件的位相调节量为半个波长时，光栅对光束产生高效率的一级衍射，其理论衍射效率可达到100％；当液晶偏振光栅被施加特定的电压、器件的位相调节量减少到0时，光栅器件则不对圆偏振光产生衍射，能量集中在0级。因此，液晶偏振光栅是一种可以对圆偏振光束进行偏转的光学元件，在光开关、激光扫描系统、滤光片、偏振成像系统等领域有着明确的应用前景。
液晶偏振光栅通常采用偏振全息法进行制备，其原理制备光路如图2所示，它是利用两束正交的圆偏振光以小角度Φ叠加时，干涉光场为偏振方向空间性线性变化的线偏振光，利用液晶光控取向层记录下该光场，再完成液晶分子的取向，当液晶分子到达这些经过辐照的基片表面时，可按照设计的取向方向进行排列形成条纹状的液晶偏振光栅，如图3。由于该光栅采用干涉法形成，理论上可制备出周期最小为1um的光栅结构。若波长为550nm的光入射到周期为1微米的液晶偏振光栅，可产生约33.4度的偏折效果(正负1级衍射)，该偏折角度远高于第一种液晶闪耀光栅。
近年来，国内外的研究者从制备方法到光学效果，对液晶偏振光栅进行了多方位的研究。2012年，香港科技大学李谭等研究了液晶偏振光栅的光束斜入射时的衍射效率问题，并利用相位补偿技术设计了与宽波段液晶偏振光栅具有类似结构的双扭曲层的液晶偏振光栅，拓宽了这种器件的入射视场。2015年，陆延青等利用微缩投影曝光系统制备出了叉形液晶偏振光栅和基于双频液晶的液晶偏振光栅。2017年，中国兵器装备研究院的徐林等设计了一种新型的可制备大口径的液晶偏振光栅的曝光装置。2018年，北京航空航天大学的郭琦等将液晶偏振光栅与基于铁电液晶的相位开关相结合实现了快速响应的光束偏振器件。2019年，穆全全等在申请号CN201910388318.4名称为《一种液晶偏振光栅的制备方法》的专利中提出一种使用楔形液晶盒光路而不是干涉光路的液晶偏振光栅的制备方法，具有简单可靠、成本低、方法灵活等特点；王启东等在申请号CN201910390919.9名称为《一种反射式复合液晶偏振光栅及其制备方法》的专利中提出了一种反射式复合偏振光栅，可扩大液晶偏振光栅的偏转角度。
在上述这些论文和专利等研究中，研究者所制备的液晶偏振光栅均采用了正性向列相液晶，在初始态时液晶分子平行于器件的基板，且其方位角随区域呈连续性、周期性变化，这种光栅有易于制备、易于应用等优点，但要实现该光栅对入射光衍射完全集中在零级需要施加很高的驱动电压来保证器件位相调节量为0，而且随着环境温度的变化，仍然会出现误差产生零级漏光的现象，这在实际应用的某些场景中会造成应用难题。
发明内容
为了解决现有液晶偏振光栅器件获得0级调制出射时受温度、电压漂移而变化的问题，本发明提供一种初始态为VA态的液晶偏振光栅。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种初始态为VA态的液晶偏振光栅，其特征在于，包括顺次设置的第一基板、第一ITO导电薄膜、第一光控取向膜、液晶层、第二光控取向膜、第二ITO导电薄膜和第二基板，当对液晶偏振光栅不施加驱动电压时，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光不产生衍射，当对液晶偏振光栅施加驱动电压时，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光产生衍射。
所述的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、取带有第一ITO导电薄膜的第一基板和带有第二ITO导电薄膜的第二基板上；
步骤二、在第一ITO导电薄膜上制备第一光控取向膜，在第二ITO导电薄膜上制备第二光控取向膜；
步骤三、将带有第一光控取向膜的第一基板和带有第二光控取向膜的第二基板组装成空液晶盒；
步骤四、将空液晶盒放入光栅写入光路中进行激光辐照直至第一光控取向膜和第二光控取向膜均存在取向；
步骤五、在空液晶盒中注入负性液晶材料得到液晶层，液晶偏振光栅制备完成。
本发明的有益效果是：
本发明一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的初始态中液晶呈垂直排列模式，在此状态时出射光全部为零级光，这种液晶偏振光栅器件在驱动电压为零时不调制光，出射光全部为零级光，解决了原有液晶偏振光栅器件获得0级调制出射时受温度、电压漂移而变化的问题。
附图说明
图1为液晶偏振光栅中液晶分子在基板面上的排布示意图。
图2为偏振全息法制备液晶偏振光栅的制备光路结构图。
图3为图2的光束示意图。
图4为本发明的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅不施加驱动电压时的结构图。
图5为本发明的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅施加驱动电压时的结构图。
图中：1、第一基板，2、第一ITO导电薄膜，3、第一光控取向膜，4、液晶层，5、第二光控取向膜，6、第二ITO导电薄膜，7、第二基板，9、写入光光源，10、消偏振分光棱镜，11、第一反射镜，12、第一四分之一波片，13、第二反射镜，14、第二四分之一波片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明一种初始态为VA态的液晶偏振光栅，包括第一基板1、第二基板7、第一ITO导电薄膜2、第二ITO导电薄膜6、第一光控取向膜3、第二光控取向膜5和液晶层4。第一基板1、第一ITO导电薄膜2、第一光控取向膜3、液晶层4、第二光控取向膜5、第二ITO导电薄膜6和第二基板7顺次设置。第一基板1、第二基板7、第一ITO导电薄膜2、第二ITO导电薄膜6、第一光控取向膜3、第二光控取向膜5和液晶层4之间相互平行。液晶偏振光栅的驱动电压为零时，即对液晶偏振光栅不施加驱动电压时，液晶层4液晶分子指向矢垂直于第一基板1，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光不产生衍射，即不对入射的圆偏振光发生衍射作用，出射光集中在0级。当对液晶偏振光栅施加驱动电压时，即对液晶偏振光栅施加的驱动电压大于零时，液晶分子指向矢的方位角逐渐呈特定形态的排列，液晶偏振光栅将入射光进行衍射，衍射光点为0级、+1级和-1级。本发明的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的结构示意图如图4和图5。液晶偏振光栅中的液晶层4初始排列态为垂直排列(VA：Vertical Alignment)模式，其中图4为驱动电压为零时液晶呈现初始态VA模式的排列，液晶层4的液晶分子的排列垂直于第一基板1和垂直于第二基板7；图5为饱和驱动电压时液晶呈现特殊模式的排列。当对液晶偏振光栅逐步施加驱动电压的过程中，液晶分子逐渐平行于第一基板1，同时同一周期的一个单元中不同位置的液晶分子在基板平面内具有不同的方位角，也就是现有普通偏振光栅不加电时的排列，在这种排列状态下，液晶偏振光栅可把入射光逐渐偏折(衍射)到正负一级，其衍射角符合光栅方程。这种液晶偏振光栅器件在驱动电压为零时不调制光，出射光全部为零级光，解决了普通液晶偏振光栅器件获得0级调制出射时受温度、电压漂移而变化的问题。其中的液晶层4的材料为负性液晶。
本发明一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的制备方法如下：
首先，准备适合用于制备液晶器件的玻璃基板，即第一基板1和第二基板7，基板表面带有ITO导电膜，第一基板1上带有第一ITO导电薄膜2，第二基板7上带有第二ITO导电薄膜6，再将该玻璃基板表面处理洁净备用；其次，在第一ITO导电薄膜2上涂覆初始态为VA态的第一光控取向膜3，即第一光控取向膜3的分子指向矢方向均一排布且垂直于第一基板1，也就是此时第一光控取向膜3不存在取向；在第二ITO导电薄膜6上涂覆初始态为VA态的第二光控取向膜5，即第二光控取向膜5的分子指向矢方向均一排布且垂直于第二基板7，也就是此时第二光控取向膜5不存在取向，按照第一光控取向膜3和第二光控取向膜5的固化条件进行热固化；再次，将带有第一光控取向膜3的第一基板1和带有第二光控取向膜5的第二基板7组装成空液晶盒，采用特定的胶水固定空液晶盒，并留有注入液晶的注入口，第一光控取向膜3表面和第二光控取向膜5表面上喷洒隔垫物来保证液晶盒厚度，即在第一光控取向膜3和第二光控取向膜5之间设有隔垫物；再次，将空液晶盒放入液晶偏振光栅的光栅写入光路中，光路图见附图2，采用光控取向膜的敏感波长的激光辐照特定时间，直至第一光控取向膜3和第二光控取向膜5存在取向，存在取向后停止照射，通常采用光栅写入光光功率密度为1mW/cm2的紫外激光辐照7min；最后，将经辐照的空液晶盒注入负性液晶材料，得到液晶层4，一种初始态为VA态的液晶偏振光栅制备完成。
光栅写入光路包括写入光光源9、消偏振分光棱镜10、第一反射镜11、第二反射镜13、第一四分之一波片12和第二四分之一波片14，写入光光源9采用紫外激光器。紫外激光器出射的光经消偏振分光棱镜10分为透射光和反射光，反射光经第一反射镜11反射、第一四分之一波片12变成左旋圆偏振光，透射光经第二反射镜13反射、第二四分之一波片14变成右旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的夹角小于30°，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光汇聚在一点，空液晶盒作为样品，样品位于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的汇聚点所在的平面上，即汇聚点照射在样品上。
本发明一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的测试和使用方法：将按照本发明的制备方法制备的液晶偏振光栅放入线偏出射的激光光路中，当对液晶偏振光栅施加驱动电压为零伏时，液晶偏振光栅不对光束发生偏振作用，在其后的纸屏上只能看到0级出射光；逐渐对液晶偏振光栅施加0-10V的方波驱动电压，在纸屏上可看到0级光点的强度逐渐减弱，正负1级光点的光强逐渐增强，实现了液晶偏振光栅对光束的偏折调节。该液晶偏振光栅在驱动电压为零时，出射的0级光效率高，没有其他级次，且不随驱动电压波动、环境温度波动等条件变化而浮动，相比传统水平取向的液晶偏振光栅具有显著的特色。
下面以实施例1(下两段)对本发明进行详述：
按照本发明中描述的方法制备本实施例对应的液晶偏振光栅。第一步，准备在325nm波段透过率大于80％的、具有第一ITO导电薄膜2的第一基板1，准备在325nm波段透过率大于80％的、具有第二ITO导电薄膜6的第二基板7，第一基板1和第二基板7尺寸均为25mm×20mm×1.1mm，将该第一基板1和第二基板7表面处理洁净备用；第二步，在第一ITO导电薄膜2表面和第二ITO导电薄膜6表面上旋涂Rolic公司的LCMO ROP 622-239型号的光控取向液，对旋涂的薄膜进行80℃1.5min和200℃40min的热固化，得到第一光控取向膜3和第二光控取向膜5；第三步，将带有第一光控取向膜3的第一基板1、带有第二光控取向膜5的第二基板7组装成空液晶盒，采用Ergo7300型胶水粘附第一基板1和第二基板7，形成空液晶盒，并留有注入口，第一光控取向膜3和第二光控取向膜5相对设置，第一光控取向膜3和第二光控取向膜5间具有大小为5um的隔垫物来保证液晶盒厚度；第四步，将空液晶盒放入液晶偏振光栅的光栅写入光路中，光栅写入光路的光路图见附图2，调整入射到空液晶盒上两束光的夹角为2.32度，用以形成周期为8微米的光栅，采用325nm的激光辐照空液晶盒8min；第五步，将经辐照后的空液晶盒注入江苏合成公司的HNG731200型液晶，得到液晶层4，形成本发明提出的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅。
本实施例的液晶偏振光栅的测试方法和光学性质如下：将制备的液晶偏振光栅放入线偏出射的测试激光光路中，入射光的入射角度为0度，测试激光的波长为532nm，当对液晶偏振光栅施加驱动电压为零伏时，液晶偏振光栅不对光束发生衍射作用(偏折光)，在其后的纸屏上只能看到0级出射光，没有其他衍射级次；逐渐对液晶偏振光栅施加频率为1000Hz，峰峰值电压为0-10V的正负方波驱动电压，在纸屏上可看到0级光点的强度逐渐减弱，正负1级光点的光强逐渐增强，当电压为3.26伏时，零级衍射光几乎消失，此时实现了液晶偏振光栅对光束的正负1级衍射，其衍射角约为3.8度，与理论公式相符。
本发明的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的初始态中液晶呈垂直排列(VA)模式，在此状态时出射光全部为零级光，这种液晶偏振光栅器件在驱动电压为零时不调制光，出射光全部为零级光，解决了原有液晶偏振光栅器件获得0级调制出射时受温度、电压漂移而变化的问题，在本发明一种初始态为VA态的液晶偏振光栅不施加驱动电压时，入射光衍射完全集中在零级，不会出现零级漏光的现象。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种初始态为VA态的液晶偏振光栅，其特征在于，包括顺次设置的第一基板(10)、第一ITO导电薄膜(2)、第一光控取向膜(3)、液晶层(4)、第二光控取向膜(5)、第二ITO导电薄膜(6)和第二基板(7)，当对液晶偏振光栅不施加驱动电压时，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光不产生衍射，当对液晶偏振光栅施加驱动电压时，液晶偏振光栅对入射到其上的入射光产生衍射。
2.如权利要求1所述的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅，其特征在于，所述当对液晶偏振光栅不施加驱动电压时，液晶层(4)液晶分子指向矢垂直于第一基板(10)。
3.如权利要求1所述的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅，其特征在于，所述液晶层(4)的材料为负性液晶。
4.如权利要求1所述的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅，其特征在于，当所述液晶偏振光栅对入射到其上的入射光产生衍射时，衍射光点为0级、+1级和-1级。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、取带有第一ITO导电薄膜(2)的第一基板(10)和带有第二ITO导电薄膜(6)的第二基板(7)上；
步骤二、在第一ITO导电薄膜(2)上制备第一光控取向膜(3)，在第二ITO导电薄膜(6)上制备第二光控取向膜(5)；
步骤三、将带有第一光控取向膜(3)的第一基板(10)和带有第二光控取向膜(5)的第二基板(7)组装成空液晶盒；
步骤四、将空液晶盒放入光栅写入光路中进行激光辐照直至第一光控取向膜(3)和第二光控取向膜(5)均存在取向；
步骤五、在空液晶盒中注入负性液晶材料得到液晶层(4)，液晶偏振光栅制备完成。
6.如权利要求5中所述的一种初始态为VA态的液晶偏振光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的第一光控取向膜(3)和第二光控取向膜(5)的分子指向矢方向都垂直于第一基板(10)。
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