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，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)，說明材料已經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆颍@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))通過毛細(xì)管灌入帶有配向處理的液晶盒中。然后開始降溫觀察相態(tài)變化，確定藍(lán)相溫寬。最后通過紫外曝光(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程前后幾乎沒有變化。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，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。