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        模板化藍(lán)相液晶多波長(zhǎng)濾波器

        2019-10-16 10:12:26查升毫孫長(zhǎng)俐馮一凡陸建鋼
        液晶與顯示 2019年9期
        關(guān)鍵詞:入射角液晶波長(zhǎng)

        查升毫,孫長(zhǎng)俐,馮一凡,陸建鋼

        (上海交通大學(xué) 電子工程系,上海 200240)

        1 引 言

        近年來(lái),液晶光學(xué)濾波器被廣泛應(yīng)用于各種光通信與顯示領(lǐng)域,如法布里-佩羅(Fabry-Perot)濾波器[1-2]、薄膜濾波器[3]、波導(dǎo)濾波器[4]、馬赫-森德干涉儀濾波器[5]以及膽甾相液晶濾波器等。在這些濾波器中由于膽甾相液晶獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的布拉格反射,并且其中心波長(zhǎng)很容易隨溫度和電壓調(diào)節(jié),而被廣泛地應(yīng)用于各種濾波器之中[6-10]。2012年,黃玉華研究小組提出了一種基于熱效應(yīng)的寬帶可調(diào)濾波器[11]。Tondiglia提出了一種聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶的電致寬帶濾波器[12]。然而,膽甾相液晶濾波器的帶寬太寬,無(wú)法應(yīng)用到窄帶濾波器中,且集成式膽甾相液晶濾波器件制作工藝復(fù)雜,模板化膽甾相液晶的重構(gòu)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致中心波長(zhǎng)的偏移[13-15]。

        液晶藍(lán)相態(tài)介于各向同性態(tài)和膽甾相之間,其自然態(tài)溫度范圍非常狹窄,一般只有1~2 ℃左右,但是模板化藍(lán)相液晶具有非常好的熱穩(wěn)定性。本文提出一種可見(jiàn)光波段中基于模板化藍(lán)相液晶的窄帶寬多波長(zhǎng)濾波器,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)中間介質(zhì)層的多層模板化藍(lán)相液晶器件,可以同時(shí)反射多個(gè)波長(zhǎng)。相比于膽甾相液晶濾波器,模板化藍(lán)相液晶濾波器的反射帶寬更窄,其中心波長(zhǎng)和帶寬更穩(wěn)定,且該濾波器的中心波長(zhǎng)與帶寬可以通過(guò)不同模板的組合和材料比例的優(yōu)化任意調(diào)節(jié)。

        2 材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2.1 材料準(zhǔn)備

        為了獲得模板化藍(lán)相液晶,實(shí)驗(yàn)所需材料系統(tǒng)包括以下成分:正性向列相液晶HBG98(江蘇和成)、手性劑(R5011,江蘇和成)、交聯(lián)劑(C3M,江蘇和成)、單體(TMPTA,江蘇和成)和光引發(fā)劑(IRG184,江蘇和成)。通過(guò)調(diào)節(jié)手性劑的比例可以獲得反射不同波長(zhǎng)的模板化藍(lán)相液晶。為了實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)藍(lán)相液晶濾波器件,本文設(shè)計(jì)了3種手性劑摻雜濃度的材料體系,可分別實(shí)現(xiàn)反射波長(zhǎng)為紅、綠、藍(lán)3色的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶與模板化藍(lán)相液晶,其材料配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。

        表1 聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶材料配比Tab.1 Material mixture ratio of PS-BPLCs (%)

        2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        為了對(duì)比聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶與模板化藍(lán)相液晶的光譜特性,我們需要制備聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶。首先將表1中的材料在恒溫磁力攪拌器(524G,上海梅氏儀器)上攪拌約10 min,當(dāng)材料出現(xiàn)清亮透明的液體時(shí),說(shuō)明材料已經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆?,這樣我們就獲得了聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶前驅(qū)體。然后將攪拌均勻的藍(lán)相液晶前驅(qū)體在溫度控制器(HCS302, Instec Co.)上(溫度控制在各向同性態(tài))通過(guò)毛細(xì)管灌入帶有配向處理的液晶盒中。然后開(kāi)始降溫觀察相態(tài)變化,確定藍(lán)相溫寬。最后通過(guò)紫外曝光(波長(zhǎng):365 nm,曝光時(shí)間:8 min,曝光強(qiáng)度:3 mW/cm2)制備出聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶。

        圖1 藍(lán)相液晶反射光譜測(cè)量裝置Fig.1 Measurement setup for transmission spectrum of BPLC

        將內(nèi)含聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的器件上下基板分離,聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶會(huì)附著在其中一塊玻璃基板上。將其放在乙醇中浸泡10 min左右,洗去液晶、手性試劑、未交聯(lián)單體和光引發(fā)劑等殘留物質(zhì),再放置在溫度控制器上5 min,溫度保持50 ℃,確保乙醇充分揮發(fā),最后將聚合物層與玻璃基板剝離,即可得到聚合物模板。

        為了分析藍(lán)相液晶的光譜特性,利用圖1的裝置進(jìn)行測(cè)量。如圖所示,白光光源信號(hào)正入射到模板上,透過(guò)模板和玻璃基板的光信號(hào)由連接到光譜儀的光纖探頭接收,在電腦端通過(guò)軟件控制就能獲得光譜圖。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 多疇與單疇藍(lán)相液晶的光譜分析

        由于初始狀態(tài)的不同,藍(lán)相液晶通常具有多疇結(jié)構(gòu)。這就導(dǎo)致其有一定的散射特性,反射波長(zhǎng)的帶寬相對(duì)較寬。為了獲得窄帶寬藍(lán)相液晶器件,可以采用單晶藍(lán)相液晶或單疇藍(lán)相液晶的方法。由于單晶的制備過(guò)程復(fù)雜且穩(wěn)定性較差,本實(shí)驗(yàn)采用表面取向法[16]誘導(dǎo)單疇藍(lán)相液晶。

        如圖2所示,液晶盒的玻璃基板通過(guò)配向處理,可以誘導(dǎo)出單疇特性較好的藍(lán)相液晶。單疇藍(lán)相液晶的反射光譜的半高寬約為30 nm,相比于多疇藍(lán)相液晶的半高寬(約90 nm)要窄得多,可用于實(shí)現(xiàn)窄帶濾波器件。因此,本實(shí)驗(yàn)中我們使用的都是表面取向法誘導(dǎo)的單疇藍(lán)相液晶器件。

        圖2 單疇和多疇藍(lán)相液晶的歸一化反射光譜圖Fig.2 Normalized spectra of multi-domain BPLC and mono-domain BPLC

        3.2 聚合物穩(wěn)定單疇藍(lán)相液晶與模板化單疇藍(lán)相液晶的光譜特性分析

        在表1所示的不同手性試劑濃度下,本文制備了反射波長(zhǎng)分別為紅色、綠色以及藍(lán)色的聚合物穩(wěn)定單疇藍(lán)相液晶和模板化單疇藍(lán)相液晶。并利用圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了其反射光譜。對(duì)應(yīng)的反射光譜圖如圖3所示。藍(lán)、綠、紅3色的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的反射峰分別為447,577,658 nm,其中反射波形的半高寬分別為34 nm(藍(lán)色)、34 nm(綠色)和35 nm(紅色)。在聚合物模板上重新灌入非手性液晶HBG98,可重構(gòu)藍(lán)相液晶,重新測(cè)量,模板化藍(lán)相液晶的反射峰分別為444 nm(藍(lán)色)、572 nm(綠色)和654 nm(紅色)。模板化藍(lán)相液晶反射波形的半高寬分別為37 nm(藍(lán)色)、36 nm(綠色)和35 nm(紅色)。如圖3所示,模板藍(lán)相液晶的中心反射波長(zhǎng)和反射波形的半高寬在模板化過(guò)程前后幾乎沒(méi)有變化。因此,模板化的單疇藍(lán)相液晶具有良好的重復(fù)性和過(guò)程穩(wěn)定性。

        圖3 紅、綠、藍(lán)3種顏色的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶和模板化藍(lán)相液晶的歸一化反射光譜對(duì)比圖。Fig.3 Normalized reflection spectra of PS-BPLCs and transmission spectra of template BPLCs for blue, green, and red colors, respectively0

        3.3 模板化單疇藍(lán)相液晶的角度特性分析

        為了研究入射光的角度對(duì)單疇藍(lán)相液晶的中心波長(zhǎng)的影響,實(shí)驗(yàn)中在不同入射角的情況下測(cè)量了模板化單疇藍(lán)相液晶的中心波長(zhǎng)的變化。圖4展示了綠光波段模板化單疇藍(lán)相液晶與膽甾相液晶的中心波長(zhǎng)隨入射角變化的光譜圖。當(dāng)入射角度為0°時(shí),模板化單疇藍(lán)相液晶的中心波長(zhǎng)為574 nm。隨著入射角度的增大,其中心波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)入射角達(dá)到60°時(shí),中心波長(zhǎng)偏移到了496 nm,偏移量為78 nm。當(dāng)入射角度為0°時(shí),膽甾相液晶的中心波長(zhǎng)為582 nm。隨著入射角度的增大,其中心波長(zhǎng)同樣發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)入射角達(dá)到60°時(shí),中心波長(zhǎng)偏移到了462 nm,偏移量為120 nm。由此可見(jiàn),藍(lán)相液晶器件受入射光角度變化的影響遠(yuǎn)小于膽甾相液晶,其中心波長(zhǎng)的角度穩(wěn)定性更好。

        圖4 不同入射角度下單疇藍(lán)相液晶(a)與膽甾相液晶(b)中心波長(zhǎng)的變化Fig.4 Central wavelength variation of mono-domain BPLC (a) and CLC(b) at different incident angles

        3.4 多層模板化藍(lán)相液晶濾波器的制備與特性分析

        將制備好的紅綠藍(lán)三色單層聚合物模板兩兩或三層同時(shí)壓合,集成在玻璃基板上,再將非手性液晶HBG98注入其中,可以實(shí)現(xiàn)紅/綠、紅/藍(lán)、綠/藍(lán)、紅/綠/藍(lán)4種多波長(zhǎng)濾波器。如圖5所示,紅/綠濾波器的反射峰分別為574 nm和649 nm,其半高寬分別為33 nm和34 nm。藍(lán)/綠濾光片的反射峰分別為450 nm和575 nm,其半峰寬分別為34 nm和35 nm。藍(lán)/紅濾光片的反射峰分別為450 nm和653 nm,半高寬分別為33 nm和35 nm。紅/綠/藍(lán)濾光片的反射峰分別為448,577,657 nm,其半高寬分別為34,35,34 nm。無(wú)論是雙層模板還是三層模板的藍(lán)相液晶濾波器,我們發(fā)現(xiàn)藍(lán)色的反射強(qiáng)度都比綠色和紅色的反射強(qiáng)度高,這是因?yàn)樗{(lán)色的螺旋間距要比綠色和紅色的螺旋間距短。與單層模板的藍(lán)相液晶濾波器相比,多層模板藍(lán)相液晶濾波器的反射峰和半高寬基本保持不變,最大反射峰偏移量?jī)H為8 nm,最大半高寬變化量?jī)H為4 nm。這表明利用該方法制備的多層模板集成濾波器件可以實(shí)現(xiàn)窄帶寬和多反射峰,反射峰波長(zhǎng)可以通過(guò)制備時(shí)的手性劑比例自由調(diào)節(jié),反射峰的個(gè)數(shù)可由模板的數(shù)量決定。且該工藝具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

        圖5 紅綠濾波器(a)、藍(lán)綠濾波器(b)、紅藍(lán)濾波器(c)、和紅綠藍(lán)濾波器(d)的透射光譜圖。Fig.5 Normalized transmittance spectra of red/green filter(a), blue/green filter(b), blue/red filter(c), and red/green/blue filter(d) with multi-layer template BPLC, respectively.

        4 結(jié) 論

        與膽甾相液晶濾波器相比,藍(lán)相液晶濾波器的反射帶寬更窄,半高寬最窄可達(dá)35 nm,其波長(zhǎng)和帶寬隨溫度的變化會(huì)更加穩(wěn)定,并且模板化過(guò)程中心波長(zhǎng)基本不偏移,對(duì)應(yīng)的帶寬也保持不變。用這種方法實(shí)現(xiàn)的濾波器具有很高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。當(dāng)入射角變化時(shí),藍(lán)相液晶的中心波長(zhǎng)的偏移量要遠(yuǎn)小于膽甾相液晶。液晶模板化藍(lán)相液晶多波長(zhǎng)濾波器在彩色濾光片和高密度波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中具有潛在的應(yīng)用前景。

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