尹 恒，徐鳴亞，項 穎*，孫皖豫，王艷卿，鐘曉環(huán)，曹 兵，雷仁慶

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.精電(河源)顯示技術(shù)有限公司，廣東 河源 517000；3.博羅康佳精密科技有限公司，廣東 惠州 516000)

1 引 言

液晶作為一種兼?zhèn)渚w和液體兩方面性質(zhì)的功能材料[1-2]，不僅在顯示領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，在非顯示領(lǐng)域也具有很大的價值。其中液晶光柵因其獨特的光學(xué)特性，在光開關(guān)、光束調(diào)制和衍射光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

液晶分子的排列主要由基板表面的取向?qū)記Q定，傳統(tǒng)的表面取向方法為摩擦取向法(Maugin在1911年發(fā)明)。摩擦取向有著相當(dāng)可靠的取向效果，但由于物理摩擦方式的諸多限制，摩擦取向逐漸被非接觸式的取向方法替代，其中光控取向法因其獨特的優(yōu)勢成為了主流[6]。近年來，不少基于光控取向技術(shù)的非顯示應(yīng)用被開發(fā)出來，例如液晶偏振光柵、液晶菲涅爾透鏡、退偏器、太赫茲波片等，其中主要的取向材料為SD1[7-10]。2001年，West等人首先討論了另一種偶氮染料亮黃(Brilliant yellow，BY)在聚乙烯醇膜(PVA)上的光取向性。2006年，Yaroshchuk等人發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過特殊處理和溶劑優(yōu)化后，BY可以直接在ITO玻璃上形成高光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的光取向?qū)?，并且對不同種類的液晶都有極好的取向效果[11-12]。

本文通過一種基于偶氮材料BY和全息法曝光的單面光控取向技術(shù)，利用液晶摻雜不同濃度手性劑的自組裝特性[13-14]，制備了相位液晶光柵。采用偏光顯微鏡對液晶系統(tǒng)在外電場激發(fā)下的微周期結(jié)構(gòu)的形貌和性質(zhì)進行了觀察分析[15]。

2 實 驗

2.1 光路搭建

實驗使用典型的全息偏振光柵光路[16]作為曝光的光路，如圖1所示。以457 nm固體激光器作為線偏振光源，激光經(jīng)過擴束器(BE)擴束，得到直徑約5 mm的激光光束，以確保曝光區(qū)域得到均勻照射。擴束后的光束經(jīng)過第一個457 nm波長的1/4波片，得到圓偏振光。然后光束被偏振分光棱鏡分束，得到兩束偏振方向正交的線偏振光。最后通過分別調(diào)節(jié)后端兩個457 nm波長的1/4波片，使得兩束光束變成相互正交的圓偏振光(一束為左旋，另一束為右旋)。

圖1 全息偏振光柵曝光光路圖Fig.1 Exposure light path of holographic polarization grating

實驗中的光束均通過THORLABS公司生產(chǎn)的偏振測量儀PAX1000VIS進行測量，以確保兩束光為嚴(yán)格圓偏振光且相互正交。照射到樣品處的光強總和為0.75 mW/mm2，兩束光的光強近似相等。理論證明，即使在非等光強正交圓偏振光情況下，制備的液晶光柵依然具有良好的光學(xué)特性[17]。另外，根據(jù)光的干涉公式：

(1)

通過調(diào)節(jié)兩束光在空間上的夾角θ，可以得到由兩束正交圓偏振光干涉形成的相位光柵，相位變化的周期為Λ。本實驗中，為了觀測到液晶光柵條紋內(nèi)部的微周期結(jié)構(gòu)，我們將Λ固定為50 μm，同時，我們定義相位光柵的波矢方向K，以便于描述。

2.2 材料準(zhǔn)備

本實驗用于制備光取向?qū)拥呐嫉玖螧Y的光控取向機理有別于光致順反異構(gòu)機理，而是近紫外-藍色的偏振光對光化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定的分子層進行了再取向[18-19]?？捎门嫉玖显偃∠驍U散模型(Diffusion model)來解釋這一現(xiàn)象，當(dāng)一束線偏振光照射在偶氮染料分子上，吸收幾率與cos2δ成正比(δ是偶氮分子的吸收振子與光的偏振方向的夾角)。當(dāng)偶氮分子的吸收振子與光的偏振方向平行時，發(fā)色團的能量得到增加，導(dǎo)致它們偏離初始位置再取向。

實驗采用的液晶與手性劑混合物為棒狀液晶1008[20]以及手性劑S811，兩者分別按照手性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%，0.35%，0.75%，1%，1.5%均勻混合。其中1008液晶相變溫度為：固態(tài)-53 ℃-向列相-77 ℃-各向同性。

2.3 樣品制備

將一面含有BY膜的氧化銦錫(ITO)玻璃基板，另一面為含有PVA膜并沿面摩擦取向的ITO玻璃基板相互拼接制成約8 μm厚的空液晶盒，液晶盒厚由間隔子控制。利用全息偏振光柵光路對液晶盒含有BY膜的一側(cè)進行曝光，如圖2所示。

圖2 液晶相位光柵原理性結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic structure of liquid crystal phase grating

我們定義PVA基板的摩擦方向為n0，分別以n0平行于K方向和n0垂直于K方向?qū)θ舾梢壕Ш衅毓猓玫较辔恢芷跒?0 μm的光控取向液晶盒。在超凈室將不同手性濃度摻雜的1008液晶灌入液晶盒內(nèi)，完成實驗用液晶光柵樣品的制備。

3 實驗觀測與分析

3.1 n0平行K的自組裝結(jié)構(gòu)

將制備好的液晶光柵樣品放在熱臺上，先升溫至各向同性，再降溫至T=Tc-17 ℃。樣品連同熱臺一起放于正交的偏光顯微鏡(POM)下進行觀察[21]。

通過引線連接樣品導(dǎo)電面與功率放大器的輸出端，對液晶光柵進行電場調(diào)控。液晶盒按照n0方向與K方向平行的配置進行曝光后，灌入不同濃度手性摻雜的液晶，液晶分子會在沿面摩擦的PVA層和光控取向的BY層的雙重取向作用下自組裝排列形成液晶光柵。通過POM觀察到液晶光柵及電場驅(qū)動內(nèi)部微周期形貌如圖3所示，其中圖3(a)沒有電壓驅(qū)動，圖3(b)為f=50 Hz的交流電驅(qū)動到閾值，圖3(c)為f=500 Hz的交流電驅(qū)動到閾值。

圖3 正交POM下n0平行于K的微周期結(jié)構(gòu)。(a)無電場驅(qū)動；(b)低頻AC(f=50 Hz)驅(qū)動；(c)高頻AC(f=500 Hz)驅(qū)動。序號1至5的手性摻雜濃度分別為0%，0.35%，0.75%，1.0%，1.5%。圖像尺寸為250 μm×250 μm，T=60 ℃。Fig.3 Microperiodic structure of n0 parallel to K under crossed POM.(a) No electric field driving;(b) Low frequency AC (f = 50 Hz) driving;(c) High frequency AC (f = 500 Hz) driving.The chiral doping concentration of No.1 to No.5 are 0%,0.35%,0.75%,1.0% and 1.5%,respectively.All snapshots size are 250 μm×250 μm,T = 60 ℃.

由圖3(a)可以觀察到，在沒有電場驅(qū)動的情況下，所有濃度手性摻雜的1008液晶均自組裝形成了同方向且等周期的液晶相位光柵，光柵條紋方向為豎直方向(垂直于K)，光柵周期大小為50 μm。

在系統(tǒng)螺距P固定的情況下，盒厚大小關(guān)系到電場驅(qū)動條紋的周期大小，為了進一步觀察曝光光柵內(nèi)部電場驅(qū)動周期微結(jié)構(gòu)形貌，需要一個周期比盒厚大幾倍的曝光周期。實驗證明，我們選取的50 μm曝光周期是合理的。

圖3(b)可以觀察到，在低濃度甚至不摻雜手性劑時，電場驅(qū)動液晶分子的排列主要依賴于表面取向，如圖3中的排列方式隨著全息相位光柵曝光呈現(xiàn)周期性變化。隨著手性摻雜濃度的增大，電場驅(qū)動的周期微結(jié)構(gòu)方向逐漸沿順時針方向變化，條紋方向與n0夾角α逐漸變大，如圖6所示。α由CS811=0.35%時的50°變化到CS811=1.5%的216°，變化角度達到了166°。

圖3(c)為相對高頻電場驅(qū)動下的微周期結(jié)構(gòu)形貌，可以觀察到隨著電壓頻率的增大，自組裝結(jié)構(gòu)的周期明顯變小。同時，電場驅(qū)動的閾值電壓也明顯增大，微周期結(jié)構(gòu)的方向呈現(xiàn)與低頻50 Hz驅(qū)動時相似的分布。

3.2 n0垂直K的自組裝結(jié)構(gòu)

液晶盒如果按照PVA基板摩擦方向n0與K方向垂直的狀態(tài)進行曝光后，將手性摻雜液晶灌入液晶盒同樣會形成液晶光柵。通過POM觀察到液晶光柵形貌如圖4所示。其中圖4(a)沒有電場驅(qū)動，圖4(b)為f=50 Hz的交流電驅(qū)動到閾值，圖4(c)為f=500 Hz的交流電驅(qū)動到閾值。

由圖4(a)可以看到，n0垂直K曝光形成的光柵有著與n0平行K曝光時截然不同的性質(zhì)。在沒有電場驅(qū)動的情況下，各手性濃度液晶依舊自組裝形成了50 μm周期的液晶光柵，但方向為水平方向(垂直于波矢K)。而且，在圖4(b)中，電場驅(qū)動的周期微結(jié)構(gòu)方向隨著手性摻雜濃度的增大，沿著逆時針旋轉(zhuǎn)。方向與n0夾角β大小變化如圖5所示，由CS811=0.35%時的75°變化到CS811=1.5%時的174°，變化角度達到了99°。圖4(c)中微結(jié)構(gòu)方向呈現(xiàn)與低頻50 Hz類似的分布，但周期隨著頻率的加大而減小，電場驅(qū)動閾值也隨之增加。

圖4 正交POM下n0垂直于K的微周期結(jié)構(gòu)。(a)無電場驅(qū)動；(b)低頻AC(f=50 Hz)驅(qū)動；(c)高頻AC(f=500 Hz)驅(qū)動。序號1至5的手性摻雜濃度分別為0%，0.35%，0.75%，1.0%，1.5%。圖像尺寸為250 μm×250 μm，T=60 ℃。Fig.4 Microperiodic structure of n0 perpendicular to K under crossed POM.(a) No electric field driving;(b) Low frequency AC (f = 50 Hz) driving;(c) High frequency AC (f = 500 Hz) driving.The chiral doping concentration of No.1 to No.5 are 0%,0.35%,0.75%,1.0% and 1.5%,respectively.All snapshot sizes are 250 μm×250 μm,T = 60 ℃.

圖5 電場驅(qū)動周期微結(jié)構(gòu)方向與n0夾角變化曲線Fig.5 Angle curve between the direction of electric field driven periodic microstructure and n0

3.3 高壓驅(qū)動下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

通過POM我們還發(fā)現(xiàn)，在滿足驅(qū)動電壓頻率f大于150 Hz的前提下，不論是n0平行K還是n0垂直K曝光取向的相位光柵，當(dāng)驅(qū)動電壓較大時，內(nèi)部周期微結(jié)構(gòu)都會轉(zhuǎn)變形成第二類周期微結(jié)構(gòu)，如圖6所示。圖6中單個圖像尺寸為250 μm×250 μm，驅(qū)動電壓為f=300 Hz的交流電，電壓有效值U=28.5 V，溫度T=60 ℃，手性劑摻雜濃度為CS811=0.75%，其中圖6(a)為n0平行K，圖6(b)為n0垂直K。

圖6 第二類寬周期微結(jié)構(gòu)Fig.6 The second type of wide period microstructure

我們定義第二類周期微結(jié)構(gòu)的閾值電壓為Uth2，其變化曲線如圖7所示。通過圖6和圖7可以觀察到，第二類周期微結(jié)構(gòu)不僅電場驅(qū)動的閾值電壓比第一類微結(jié)構(gòu)要高，其微結(jié)構(gòu)的周期也比第一類要大很多，但條紋方向與第一類條紋大致一樣，其成因和機理有待更多的研究。

圖7 閾值電壓變化曲線圖Fig.7 Change curve of threshold voltage

4 結(jié)果分析

我們觀察到微觀周期結(jié)構(gòu)的取向隨著液晶手性的變化而改變，手性越強，取向改變越大。實際上，周期結(jié)構(gòu)的取向往往由液晶層的中間分子層的排列方向而定[22]。因此，隨著手性濃度的變化，液晶系統(tǒng)具有不同的螺距P：

(2)

從而導(dǎo)致中間層的分子排列角度不同。我們以n0平行K的情況來簡單說明，我們使用的S811的HTP約為10 /μm，那么對于CS811=0%,0.35%，0.75%，1.0%，1.5%時，對應(yīng)的螺距P大約分別是∞，28.6，13.3，10，6.7/μm。如果以CS811=0%的情況為參考，設(shè)取向角為α0(圖3(b)1)，則上述手性摻雜誘導(dǎo)的中間層排列角度大約是α=α0+49°，α0+105°，α0+140°，α0+210°，與圖3(b)2、3、4、5 大致符合。至于n0垂直K的情況，其內(nèi)部機理更加復(fù)雜，主要是由于K與n0方向不一致?？偟膩碚f，由于液晶中間層的分子排列會隨著液晶手性、彈性系數(shù)、盒厚、光控取向方向、周期大小和表面錨定能變化，因此誘導(dǎo)出多種的微結(jié)構(gòu)，值得深入研究。對此，我們的工作還剛剛開始。

5 結(jié) 論

本文通過光控取向技術(shù)和多種成分的手性液晶，觀察到了液晶系統(tǒng)在外電場激發(fā)下的微觀周期結(jié)構(gòu)。這種周期結(jié)構(gòu)的形貌強烈依賴于表面取向的結(jié)構(gòu)、手性摻雜的濃度以及驅(qū)動電場的屬性。偏光顯微鏡的觀察結(jié)構(gòu)表明，在0.35%手性摻雜和1.5%手性摻雜的區(qū)間內(nèi)，微結(jié)構(gòu)的周期方向分別實現(xiàn)了順時針166°和逆時針99°的變化。本文的工作是對傳統(tǒng)的非手性液晶光控領(lǐng)域的一個擴展，可望實現(xiàn)光場、電場和濃度場等多重調(diào)節(jié)的液晶光柵[23]，其周期取向能夠大角度調(diào)節(jié)。這種可調(diào)光柵有望在圖像處理、光開關(guān)、光束調(diào)制等其他光通信領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。