CN113504598A - 一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器及其制备方法，包括玻璃基板、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层以及位于所述玻璃基板及光控取向层上的液晶层，所述液晶薄膜的液晶分子指向由所述基板面上的光控取向层控制，所述光控取向层具有多组相同或不同随机取向图案组成，同一微区图形内分子指向矢相同；本发明的系统配置简单，且同时可制备液晶取向任意均匀随机分布的液晶消偏器，通过一次性曝光快速制备任意液晶光学器件，无需对液晶进行多次分割操作并对其多次曝光，因而避免了精度要求过高的问题，液晶薄膜消偏器可消偏区域面积较大，偏振精度更好，可对单色光源有效消偏且在小光斑孔径下仍然有良好的消偏效果。

Description

一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器及其制备方法，属于液晶光控取向技术领域。

背景技术

目前，随着科技不断进步，光在工业生产当中发挥着重大作用。然而，在某些工业加工领域，仪器或设备可能会对偏振光敏感，从而降低某些器件的灵敏度；并且，在光通信中，偏振光可能会对光信息产生一定的损害或丢失。在这些情况下，需要使用消偏器来将偏振光变为非偏振光，从而避免偏振敏感器件的损害或光信息的丢失。

当前，大多数消偏器采用两个主轴夹角为45°的晶体石英光楔拼接而成，从而诱导线偏振光发生空间上的变化实现消偏作用。而这种双折射晶体消偏器制作成本较高，且需较大入射光束直径。利用液晶材料及液晶光控取向技术制作消偏器成为一种制作成本低廉的新型消偏器制备方法。然而现有液晶消偏器可用面积小，制备难度大，需多次曝光，偏振精度不够，且所需最小光斑孔径大。

发明内容

本发明提供一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器及其制备方法用来克服现有技术中液晶消偏器可用面积小，制备难度大，需多次曝光，偏振精度不够的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明公开了一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，包括玻璃基板、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层以及位于所述玻璃基板及光控取向层上的液晶层；

所述液晶薄膜的液晶分子指向由所述基板面上的光控取向层决定。所述光控取向层具有多组相同或不同随机取向图案组成，每组随机取向图案具有多组分子指向矢方向不同的微区图形组成，同一微区图形内分子指向矢相同。多组随机图案拼接形成所述光控取向层工作区，其大小决定液晶退偏器工作区域。所述液晶层液晶分子指向矢分布与所述光控取向层分子指向矢分布一致。

进一步的，所述微区的形状为多边形、圆形或椭圆形，每组随机取向图案中各微区面积相同。

进一步的，所述光控取向层中，每组随机取向图案内，分子指向矢液晶为在0～180°内均匀分布的随机取向，多组微区图形的分子指向矢方向最小间隔为

进一步的，所述光控取向层的工作区尺寸及所述最小微区尺寸由曝光系统决定。

进一步的，入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差为π。

优选的，所述光控取向层为偶氮苯染料光控取向层。

第二方面，本发明还保护一种基于上述制备系统的液晶消偏器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在基板上预涂光控取向层；

步骤2，对样品光控取向层进行单次全息曝光，以形成多组随机取向图案。多组随机取向图案拼接形成所述光控取向层工作区域。液晶几何相位器件制备系统的组装、调试；

步骤3，在所述第一基板及光控取向层面上旋涂液晶聚合物材料，所述液晶聚合物材料分子指向矢分布与所述光控取向层分子指向式分布相同。液晶分子指向矢符合平均随机分布，可使偏振光通过所述液晶退偏器后转换为非偏振光。

步骤4，对液晶聚合物溶剂进行高温蒸发后固化液晶聚合物，形成所述液晶薄膜消偏器。

进一步的，所述单次全息曝光为采用基于空间光调制器的单次全息曝光系统，通过在空间光调制器上加载的灰度值图案产生具有多种偏振方向的出射光，在对偏振信息敏感的所述光控取向层上产生分子指向矢方向不同的多组随机图案，对应产生液晶分子指向矢分布图。

进一步的，所述基于空间光调制器的单次全息曝光系统由激光器光源、扩束系统、起偏系统、光场调控系统、聚焦系统组成；所述激光器光源为450nm蓝光激光，所述扩束系统包括一扩束透镜和一准直透镜，所述起偏系统为一格兰-泰勒棱镜；所述光场调控系统由一半波片、一反射式空间光调制器和一四分之一波片组成，所述半波片和所述四分之一波片的光轴方向分别与起偏方向的夹角为22.5°和45°；所述聚焦系统为一会聚透镜。

进一步的，可适用之最小入射光斑孔径由所述基于空间光调制器的单次全息曝光系统出射光最小分辨率及所述加载与空间光调制器的单组随机图案尺寸决定。

进一步的，通过位移液晶样品，采用所述曝光系统多次曝光，可产生大尺寸液晶退偏器。

本发明所达到的有益效果是：本发明的系统配置简单，且同时可制备液晶取向任意均匀随机分布的液晶消偏器，通过一次性曝光快速制备任意液晶光学器件，无需对液晶进行多次分割操作并对其多次曝光，因而避免了精度要求过高的问题，液晶薄膜消偏器可消偏区域面积较大，偏振精度更好，可对单色光源有效消偏且在小光斑孔径下仍然有良好的消偏效果，且环境稳定性高，使用寿命长。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为液晶薄膜消偏器液晶盒的内部结构图；

图2为载入空间光调制器的均匀随机分布灰度值信息；

图3为液晶薄膜消偏器的基于空间光调制器的一次性曝光制备系统构成及其光路图；

图4为液晶薄膜消偏器器件内部显微结构图；

图5为液晶薄膜消偏器偏振度测试系统；

图6为采用633nm红激光光源测得的该液晶薄膜消偏器的消偏测试结果。

图中：1、玻璃基板；2、液晶薄膜；3、光控取向层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，包括玻璃基板1、位于所述玻璃基板1相对面上的光控取向层3以及位于所述玻璃基板1及光控取向层3面上的聚合物液晶薄膜2。

所述液晶薄膜2取向排布为0～180°内均匀随机分布，多组微区图形的分子指向矢方向最小间隔为

如图2所示，所述光控取向层3的分子取向由基于空间光调制器的光控取向系统决定，空间光调制器加载的信息，其为均匀随机分布的周期灰度值图案信息，每个相同灰度值图案面积为10×10像素，每个像素大小为7.3μm。该灰度值信息可控制光控去向层分子的取向方向。其方向与液晶分子取向相同，与液晶消偏器制备系统中出射偏振光偏振方向垂直。

优选的，所述光控取向层3为偶氮苯染料光控取向层。

如图3所示，上述基于空间光调制器的液晶消偏器的制备系统，由激光器光源、扩束系统、起偏系统、光场调控系统、聚焦系统组成。

所述激光器光源为450nm蓝光激光，所述扩束系统包括一扩束透镜和一准直透镜，所述起偏系统为一格兰-泰勒棱镜；所述光场调控系统由一半波片、一反射式空间光调制器和一四分之一波片组成，所述半波片和所述四分之一波片的光轴方向分别与起偏方向的夹角为22.5°和45°；所述聚焦系统为一会聚透镜。

基于上述制备系统的液晶薄膜消偏器器件制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在玻璃基板1上预涂光控取向层；

步骤2，液晶消偏器器件制备系统的组装、调试；

步骤3，将含有光控取向层3的玻璃基板1放在像平面上，将所需器件相位图案通过计算机加载至所述空间光调制器中，对玻璃基板1进行光照，获得所需器件相位图案。

步骤4，在光控取向层3上旋涂液晶聚合物溶液，高温蒸发溶剂后，在紫外灯下对液晶聚合物进行固化。

如图4所示，制得的液晶薄膜消偏器器件内部显微结构。

如图5所示，为证明本发明公开的液晶消偏器器件的性能，将其置于测试系统中进行性能测试。所述测试系统包括激光器光源、两个偏振片、半波片、液晶消偏器器件和光功率计。

所述激光器光源为633nm红光光源；所述两个偏振片分别位于液晶消偏器前后位置，前者确保红光光源变为线偏振光，后者用来测试该液晶消偏器器件消偏效果。

所述半波片为633nm半波片，以改变633nm红光线偏振光光源的线偏振态。

使用633nm红激光光源测得的该液晶消偏器的消偏测试方法，包含以下步骤：

步骤1，转动第一个偏振片，使激光出射第一个偏振片后亮度最高，此时线偏振光能量最高。

步骤2，转动第二个偏振片，测得各个偏振片偏振方向下出射光光功率最大值和最小值，即可测得该红光光源线偏振态下消偏器的消偏度。

步骤3，转动633nm半波片，改变红光光源线偏振态至某一值，重复步骤2，即可完成在不同线偏振光偏振态下该液晶消偏器的消偏性能测试。

如图6所示，使用633nm红激光光源测得的该液晶薄膜消偏器的消偏测试结果，该消偏器对于633nm红光光源的0～180°内线偏振态均有明显的消偏效果，偏振度均维持在一较低水平。

本发明公开的液晶消偏器的制备方法系统配置简单，且同时可制备液晶取向任意均匀随机分布的液晶消偏器，通过一次性曝光快速制备任意液晶光学器件，无需对液晶进行多次分割操作并对其多次曝光，因而避免了精度要求过高的问题；且通过本发明公开的液晶消偏器制备系统制备的液晶消偏器可消偏区域面积较大，偏振精度更好，且在小光斑孔径下仍然有良好的消偏效果。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，包括玻璃基板、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层以及位于所述玻璃基板及光控取向层上的液晶层；

所述液晶薄膜的液晶分子指向由所述基板面上的光控取向层控制，所述光控取向层具有多组相同或不同随机取向图案组成，每组随机取向图案具有多组分子指向矢方向不同的微区图形组成，同一微区图形内分子指向矢相同，多组随机图案拼接形成所述光控取向层工作区，其大小决定液晶退偏器工作区域，所述液晶薄膜的液晶分子指向矢分布与所述光控取向层分子指向矢分布一致。

2.根据权利要求1所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，所述微区的形状为多边形、圆形或椭圆形中的任意一种，且每组随机取向图案中各微区面积相同。

3.根据权利要求1所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，所述光控取向层中每组随机取向图案内，分子指向矢液晶为在0～180°内均匀分布的随机取向，多组微区图形的分子指向矢方向最小间隔为

所述光控取向层的工作区尺寸及所述最小微区尺寸由曝光系统控制，其材质为偶氮苯染料光控取向层。

4.根据权利要求1所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，所述入射光在所述液晶退偏器中的寻常光和非寻常光的相位差为π。

5.根据权利要求1所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

步骤1，在玻璃基板上预涂光控取向层；

步骤2，对样品光控取向层进行单次全息曝光，以形成多组随机取向图案，多组随机取向图案拼接形成所述光控取向层工作区域，液晶几何相位器件制备系统的组装、调试；

步骤3，在所述玻璃基板及光控取向层面上旋涂液晶聚合物材料，所述液晶聚合物材料分子指向矢分布与所述光控取向层分子指向式分布相同，液晶分子指向矢符合平均随机分布，使偏振光通过所述液晶退偏器后转换为非偏振光。

步骤4，对液晶聚合物溶剂进行高温蒸发后固化液晶聚合物，形成所述液晶薄膜消偏器。

6.根据权利要求5所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于所述单次全息曝光为采用基于空间光调制器的单次全息曝光系统，通过在空间光调制器上加载的灰度值图案产生具有多种偏振方向的出射光，在对偏振信息敏感的所述光控取向层上产生分子指向矢方向不同的多组随机图案，对应产生液晶分子指向矢分布图。

7.根据权利要求6所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，所述基于空间光调制器的单次全息曝光系统包括激光器光源、扩束系统、起偏系统、光场调控系统和聚焦系统；

所述激光器光源为450nm蓝光激光，所述扩束系统包括一扩束透镜和一准直透镜，所述起偏系统为一格兰-泰勒棱镜；所述光场调控系统由一半波片、一反射式空间光调制器和一四分之一波片组成，所述半波片和所述四分之一波片的光轴方向分别与起偏方向的夹角为22.5°和45°；所述聚焦系统为一会聚透镜。

8.根据权利要求7所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，适用之最小入射光斑孔径由所述基于空间光调制器的单次全息曝光系统出射光最小分辨率及所述加载与空间光调制器的单组随机图案尺寸控制。

9.根据权利要求8所述的基于一次性曝光的液晶薄膜消偏器，其特征在于，通过位移液晶样品，采用所述单次全息曝光系统多次曝光，产生大尺寸液晶退偏器。

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