CN114563884B - 一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法，包括以下步骤：1)设置液晶层，在液晶层上定义光输入端和光输出端；2)在所述液晶层上设置电压驱动；3)在所述液晶层上施加电压以控制液晶层中液晶分子的偏转方向以调控光的出射信号。步骤2)中，还包括以下步骤，21)找到所述液晶层的阈值电压；22)设置驱动电压的起始电压设置为所述阈值电压的1‑2倍。本发明针对向列型液晶提出一种分段式电压的驱动方式，从而实现响应速度在原本材料优化的基础上进一步提高。这种提高对于高频液晶调控的光学器件意义重大，能够大幅度提高光运算的效率。
Description
技术领域
本发明涉及液晶领域，特别是涉及一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法。
背景技术
在液晶材料中，液晶分子的响应时间是一个重要的参数。从液晶材料的设计出发，可以通过调整各项参数，如液晶分子的结构，尺寸和溶剂的粘稠度等，来实现更高的响应速度。在本技术中，我们针对向列型液晶提出一种分段式电压的驱动方式，从而实现响应速度在原本材料优化的基础上进一步提高。这种提高对于高频液晶调控的光学器件意义重大。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过一种调控方法实现向列型液晶分子的快速响应，进而实现光学设备控制速度的提高。
基于上述技术问题，本发明提供了一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法，包括以下步骤：
1)设置液晶层，在液晶层上定义光输入端和光输出端；
2)在所述液晶层上设置电压驱动；
3)在所述液晶层上施加电压以控制液晶层中液晶分子的偏转方向以调控光的出射信号。
步骤2)中，还包括以下步骤，
21)找到所述液晶层的阈值电压；
22)设置驱动电压的起始电压设置为所述阈值电压的1-2倍。
较优的，所述步骤21)中，按照以下步骤找到所述液晶层的阈值电压：
211)在所述液晶层面向入射光源的方向设置起偏片，在所述液晶层面向出射光源的方向设置检偏片；
212)控制入射激光穿过所述起偏片、液晶层并向检偏片方向传播；
213)在所述液晶层上从小到大依次施加不同电压的方波信号，并记录其稳定后的最大透过信号强度所对应的电压为阈值电压。
较优的，在所述液晶层的光输入端一侧设置光输入波导结构，
较优的，所述光输入波导结构分成第一支干和第二支干，所述第一支干上覆盖所述液晶层。
较优的，所述第一支干经过所述覆盖的液晶层后与所述第二支干汇总形成所述光输出端。
较优的，将所述第一支干和所述第二支干的长度设置为相同。
较优的，所述液晶层上方设置有上电极。
较优的，所述液晶层下方设置有导电层。
较优的，在所述导电层和上电极上设置驱动电源用于调控所述液晶层的液晶分子进行偏转，所述驱动电源的驱动电压的始电压设置为所述液晶层的阈值电压的1-2倍，将所述液晶层设置为对应长度以使得所述第一支干和所述第二支干传输的光信号在采用驱动电源进行液晶层驱动时的相位差为π。
较优的，所述导电层下方设置有基底。
本发明的有益效果是：
(1)本发明针对向列型液晶提出一种分段式电压的驱动方式，从而实现响应速度在原本材料优化的基础上进一步提高。这种提高对于高频液晶调控的光学器件意义重大，能够大幅度提高光运算的效率。
(2)本发明同时针对向列型晶提出适用于一种分段式电压的驱动方式的光开关，将输入光信号用波导结构均分为两个相干的光源信号。两个支干的长度一致并最终合并在一起形成输出信号，此时光程差为零，输出为1。为了通过液晶层包裹实现对输出信号的快速调控，我们将其中一个光支路上覆盖一层液晶，通过上下电极对其进行驱动，改变光信号在这一支路上的有效光行程。在输出端合并时，使得两个相干光信号的相位差为π，从而信号相抵消，此时输出信号为0.通过对液晶层的分段电压调控，在适当延长覆盖支路的液晶区域(为达到π的相位差)，实现光开关的快速响应。
(3)本发明通过对液晶驱动开关的分段控制，能够实现光调控的快速响应，实现光运算效率的大幅度提高。
附图说明
图1是本发明基本实施方式的结构示意图。
图2是电压上升时，液晶盒透射响应速度(τrise)，液晶分子响应速度(τr)随电压的变化。
图3是液晶盒透射率、液晶分子转角随时间的变化图。
图4是电压从初始工作电压撤销至0V，电压下降响应时间τdecay随相位变化的关系。
图5是液晶盒透过信号强度随高电压的响应曲线图。
图6是透过信号强度、响应时间随高电压Vmax的变化曲线图。
图7是不同偏置电压的测试驱动信号。
图8是保持高电压信号Vmax不变，逐步提高偏置电压Vmin的液晶盒响应信号曲线图。
图9是对应的透过信号强度变化响应时间随高电压变化曲线图。
图10是本发明一种实施例光开关结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例一
图1显示了一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法和驱动结构作为实施例1，包括以下步骤：1)设置液晶层(本实施例中，我们可以选用商用液晶盒)，即图1中灰色部分，其中在增加电压时，液晶分子由水平放置偏向为竖直放置，在本实施例中，我们在液晶层上定义光输入端和光输出端；2)在所述液晶层上设置电压驱动；3)在所述液晶层上施加电压以控制液晶层中液晶分子的偏转方向以调控光的出射信号；步骤2)中，还包括以下步骤，21)找到所述液晶层的阈值电压；22)设置驱动电压的起始电压设置为所述阈值电压的1-2倍，在实施例一中，我们通过以下方式具体实施：
如图1所示，液晶盒透射测试是对液晶分子是否受电压驱动的一个基本测试。对于不同的液晶盒类型，有不同的测试光路原理，对于我们要使用的用于激光偏转的液晶排向属于VA垂直排向，因此我们采用VA液晶盒的透射测试，如图1所示。如图1所示，VA液晶盒的PI摩擦取向方向为竖直方向，即液晶分子的偏转倒向方向。液晶盒的前后有光轴相互垂直的起偏和检偏片，且起偏，检偏片的光轴与液晶分子的倒向呈45°角。在不给液晶盒施加电压时，液晶分子的光轴与入射光平行，不改变经起偏片后的激光偏振，因此，在激光几乎无法通过检偏片。给液晶盒一定的电压后，液晶分子沿摩擦方向偏转，液晶分子的光轴与入射激光垂直且与经由起偏后激光偏振方向成45°角，因此激光经过液晶盒后，其偏振方向改变，不再与检偏片的光轴垂直，激光信号部分通过。
在测试液晶盒样品的光电响应特性时，我们从小到大依次施加不同高电压的方波信号，同时我们记录其稳定后的最大透过信号强度，这样我们可以找到对应样品的光电响应曲线，了解其大致的阈值电压和饱和电压。与此同时，我们可以记录在不同驱动电压下的，液晶盒响应时间的变化。除此之外，本实施例中，我们采用一种分段电压的测试方法，来验证液晶分子在不同分段电压所对应的不同的偏转角度下的响应速度。
由经典的理论推导，我们可以找出透过率与最大偏转角的关系。在VA液晶盒的两侧添加起偏和检偏片后，其透过光信号的强度I随相位的变化可以由以下公式描述，
其中δ(t)为激光信号相位随时间t的函数。
其中，
ne是指液晶分子的非凡折射率；
no是指液晶分子的常规折射率；
φm(t)是指中间层液晶分子随着时间变化的函数，本说明书中也作φm；
τr是指加电压的情况下液晶分子从水平放置转动到竖直放置的时间。
a).对于电压上升响应时间(trise)的计算，其中1，
其中φ∞为当前电压下，稳定后的液晶分子最大偏转角度。φ0是初始状态下，液晶分子的角度。
在小角度((V-Vth)/Vth≤1)的近似条件下，相位随时间的变化可以近似为:
其中，δ0为偏置电压从Vb到0的所引起的光波净相位变化值，δ0＝π。
τ0是指LC指向矢量重新定向的时间(1->1/e)Vth就是/>
旋转粘性系数γ1＝0.186Pa.S；
展曲弹性模量K11，扭曲弹性模量K22，弯曲弹性模量K33。
因此，液晶盒透射率电压上升响应时间可以由以下公式计算1，
如图2所示，由电压上升响应时间与电压的关系，我们得到如图2中曲线。τrise随电压的增加而指数级降低。各个参数分别取值为:液晶盒厚为5um，粘度系数γ1为0.168Pa.s,K33系数为1.8 x 10-12N,Δε＝-4.2。电压接近其阈值电压时，上升响应时间为100ms以上。当我们增加电压至阈值电压的3倍以上时，其上升响应时间降低至5ms以下，并且随电压增大而持续降低，只是降低幅度变小。因此，提高液晶盒电压上升响应速度最简单的方法是采用液晶盒能承受的范围内的较高电压驱动。
图3是液晶盒透射率随时间的变化，上面图为导为透过率的变化率。b).液晶分子转角随时间的变化，图中的一阶求导为液晶分子的转动速度。V/Vth＝3,Vth＝2.19V。
根据之前液晶分子转角，相位随时间变化的关系，我们可以得到如图3所示的曲线。图3中的曲线为液晶分子在加电后，从初始状态到90°满偏情况下，其转动角度，进而引起的相位变化，透过强度随时间的关系。对其各自求一阶导，我们可以得到液晶分子在此过程中的转动速度，透过强度变化率随时间的分布。可见，在加电后液晶分子的转动速度在液晶分子转动到约0.3π左右，呈现一个最大值，约为60π/ms(即10800°/ms)。我们可以考虑在施加电压时，使液晶分子不完全偏转，仅在最大响应速度的区间进行驱动，比如让液晶分子在0.2π～0.4π之间驱动偏转，这或许为我们获得更快的液晶响应速度提供新的思路。
而对于液晶盒而言，其透射响应时间，通常情况下，电压下降响应时间会比电压上升响应时间大得多。特别是在施加较大电压时，电压上升响应时间往往可以到达2ms以下，按照上面的推测甚至通过控制其转动的区间进一步上升响应进一步降低。然而，根据液晶盒的电压下降响应时间τdecay的计算公式1，
其与电压并无直接关系，在小电压情况下，其与电压的关系是以相位的形式δ的方式呈现。例如，若初始电压是让液晶分子的满偏电压，在撤掉所加电压后，其相位从π变至0，透过率由1变至0。若初始电压不是让液晶分子满偏的电压，在撤掉电压后，其相位从0.33π变至0，则其透过率从0.25变至0。相位变化越大，则液晶分子在撤销电压后转动的角度越大。因此我们可以得到如图4所示电压下降响应时间τdecay随不同的相位变化的曲线。跟之前的电压上升响应时间(τrise)不同，电压下降响应时间(τdecay)受电压变化(即与之对应的相位变化)的影响较小。在此计算中，其仅响应时间均在14ms以上，且变化幅度很小，约3ms。
也就是说，液晶分子从任何初始位置到完全倒下，其所需时间都较长。而液晶分子的初始位置与初始的工作电压相关，所以，τdecay受初始工作电压的影响较小。众所周知，液晶分子的最大转动角与所加电压相关，也就是说，我们可以通过对电信号的特殊调制，使得受其驱动的液晶分子在一定范围内转动。例如，从90°倒至60°的转动，假设对应的相位变化是从π变至0.5π,那么这个响应时间仅仅约2ms。相较于液晶分子完全倒下所需的响应时间，14.5ms，这种不完全倒下的情况液晶分子的电压下降响应速度大大提高。
结合之前电压上升响应时间的分析，也就是说，如果我们通过设计驱动信号，使得液晶分子在一个较高的电压(比如Vmax＝8Vth)下快速被驱动，然后让电压下降至Vmin(不为零且高于阈值电压，比如Vmin＝2Vth)，这样的话我们可以让液晶分子在响应速度较高的一个区间里进行工作，尽管最终表现出的双折射率和透过信号对比值会有一些下降，但是我们或许可以获得比Vmax＝8Vth，Vmin＝0V的驱动信号下更快的响应速度。
基于以上的理论，我们提供本具体实施例一：
一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法，包括以下步骤：
1)设置液晶层，在这里我们选用商用VA液晶盒，液晶盒样品由宜宾盈泰光电有限公司供给型号为B419058，液晶盒厚度为3.5um，由三种不同的VA液晶混合而成，分别是，MS5Y55300-100(60％),MS5Y55300-200(10％),MS5Y55400-200(30％)。如图1，在液晶层上定义光输入端和光输出端；
2)在所述液晶层上设置电压驱动；
3)在所述液晶层上施加电压以控制液晶层中液晶分子的偏转方向以调控光的出射信号；
根据其说明，我们需要一定的偏置电压对其进行正常驱动。在进行分段测试之前，我们进行常规的光电效应测试，即，保持Vmin为固定偏置电压4.24V，逐步增大Vmax,然后测试其透过信号的强度，我们得到如图5所示的不同高电压下的液晶盒响应曲线。由图可见，其透过率随高电压的增加而提高，响应时间τrise较明显的也随高电压而减小。通过进一步分析数据，我们可以得到透过率，响应时间随高电压的变化曲线，如图6所示。图6中，透过的光信号随电压增加而增加，且在9.5V之后有趋于稳定的迹象。响应时间τrise随高电压的提高而快速下降，从约34ms下降至约3ms。与此同时，响应时间τoff随高电压的提高而有一定增加，从较低的电压时的10ms左右增加至高电压时的15ms左右。综合比较响应时间τrise和τoff，高电压信号下，液晶盒响应时间更快，总共的响应时间约18ms。
实施例中，按照以下步骤找到所述液晶层的阈值电压：
211)在所述液晶层面向入射光源的方向设置起偏片，在所述液晶层面向出射光源的方向设置检偏片；
212)控制入射激光穿过所述起偏片、液晶层并向检偏片方向传播；
213)在所述液晶层上从小到大依次施加不同电压的方波信号，并记录其稳定后的最大透过信号强度所对应的电压为阈值电压。
本实施例中，在所述液晶层的光输入端一侧设置光输入波导结构，
为了验证关于通过控制液晶分子转动角度从而进一步提高液晶分子响应速度的猜想与理论分析，我们通过施加不同偏置电压的方法来对我们的猜想进行验证。即，如图7所示，在方波信号下，高压信号为Vmax，低压信号为Vmin，我们保持Vmax的值不变。我们通过逐渐提高偏置电压，从而提升低压信号Vmin。此时，我们所测试到的液晶盒响应信号是液晶分子不完全偏转(即不转动90°)的情况下的透过率变化和响应时间。
测试中，我们固定高电压信号为8.32V不变，与此同时逐步通过提高偏置电压，提高低电压Vmin，所测得的液晶盒响应信号如图8所示。由图可知，随着低电压的提高，其响应速度，特别是τrise，快速降低。与此同时，其透过率的变化(透过信号最大值与最小值之差)随点电压的提高而减少，这对应着液晶分子在此时的驱动电压信号下，未达到90°的转动。通过提取图8中的数据，我们可以得到如图9所示的变化曲线。由图9所知，其透过率的变化值随Vmin的增加，先有轻微的上升，然后随Vmin进一步提高而逐步降低，意味着，随Vmin进一步提高，液晶分子的转动幅度由90°降低，例如降低为45°。虽然，液晶分子的转动幅度变小，即对应的有效折射率变化减小，我们从响应时间上看到，τrise随Vmin提高而呈指数下降，从初始时的55ms下降至2.5ms。而对于τoff，我们也看到其变化的趋势与透过率变化的曲线相似，先是有轻微的上升，然后逐步下降至约6ms。这些响应时间的变化验证了我们之前相关的理论分析，即液晶分子随电压信号在转动90°时(满偏转)，其透过率的变化是最大值，随着我们对其驱动信号的调制，我们降低了液晶分子的转动幅度，从而降低了透过率的变化值，降低了有效折射率的变化值。但是，由于转动幅度变小，液晶分子所需的总体响应时间从满偏转时的18ms降低至约8.5ms。
本实施例中，我们采用如上的方式进行电压驱动，其他实施例中，我们也可以找到所述液晶层的阈值电压；然后设置驱动电压的起始电压设置为所述阈值电压的1-2倍。当然可以根据液晶盒的不同，选择合适的方式进行处理。
实施例二：
在实施例一的基础上，我们可以将这种响应时间与有效折射率变化值之间的平衡在不同的应用场景下，通过电压信号调制进行平衡，为之后的工作提供了新的思路与方法。
在实施例一的基础上，我们提供一种光开关结构，实现光结构的快速响应和控制。
实施例二
本发明还提供一种新的光开关结构，如图10，按照在实施例一中，将光输入端IN设置波导结构1，实施例二中所述光输入波导结构分成第一支干2和第二支干3，所述第一支干2上覆盖所述液晶层4。所述第一支干2经过所述覆盖的液晶层4后与所述第二支干3汇总形成所述光输出端5。
将所述第一支干2和所述第二支干3的长度设置为相同。
所述液晶层上方设置有上电极6。所述液晶层下方设置有导电层7。
工作时，在所述导电层和上电极上设置驱动电源9用于调控所述液晶层4的液晶分子进行偏转，所述驱动电源9的驱动电压的始电压设置为所述液晶层的阈值电压的1-2倍(本实施例中按照实施例一的方式设置，或者设置为阈值电压的1.5倍)，将所述液晶层4设置为对应长度以使得所述第一支干2和所述第二支干3传输的光信号在采用驱动电源进行液晶层驱动时的相位差为π。所述导电层下方设置有基底8。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法，其特征是，包括以下步骤：
1）设置液晶层，在液晶层上定义光输入端和光输出端，在所述液晶层的光输入端一侧设置光输入波导结构，所述光输入波导结构分成第一支干和第二支干，所述第一支干上覆盖所述液晶层，所述第一支干经过所述覆盖的液晶层后与所述第二支干汇总形成所述光输出端，将所述第一支干和所述第二支干的长度设置为相同, 所述液晶层上方设置有上电极, 所述液晶层下方设置有导电层；
2）在所述液晶层上设置电压驱动, 在所述导电层和上电极上设置驱动电源用于调控所述液晶层的液晶分子进行偏转，将所述液晶层设置为对应长度以使得所述第一支干和所述第二支干传输的光信号在采用驱动电源进行液晶层驱动时的相位差为π；
3）在所述液晶层上施加电压以控制液晶层中液晶分子的偏转方向以调控光的出射信号；且使液晶分子不完全偏转，仅在最大响应速度的区间进行驱动，让液晶分子在0 .2π~0.4π之间驱动偏转；
步骤2）中，还包括以下步骤，
21）找到所述液晶层的阈值电压Vth；
22）方波信号下，高压信号为Vmax，低压信号为Vmin，使得液晶分子在Vmax＝8Vth下快速被驱动，然后让电压下降至Vmin＝2Vth进行工作。
2.如权利要求1所述的针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法，其特征是，所述步骤21）中，按照以下步骤找到所述液晶层的阈值电压：
211）在所述液晶层面向入射光源的方向设置起偏片，在所述液晶层面向出射光源的方向设置检偏片；
212）控制入射激光穿过所述起偏片、液晶层并向检偏片方向传播；
213）在所述液晶层上从小到大依次施加不同电压的方波信号，并记录其稳定后的最大透过信号强度所对应的电压为阈值电压。
3.如权利要求1所述的针对向列型液晶分子快速响应的分段驱动方法，其特征是：所述导电层下方设置有基底。
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2022
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Also Published As
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|---|---|
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