多波长与带宽可调液晶滤波器

朱智康， 黄 凯， 张鸿州， 陆建钢

(上海交通大学 电子工程系，上海 200240)

1 引 言

手性螺旋结构液晶主要包括胆甾相液晶和蓝相液晶，胆甾相液晶拥有一维螺旋结构，通过界面的平面取向，其分子呈连续的周期性分布[1]。蓝相液晶通过自组装方式实现空间上的二维扭曲螺旋结构和缺陷共存，但自然状态下，蓝相液晶介于胆甾相液晶和各向同性态之间，存在的温宽十分狭窄，约为1～2 ℃，这给蓝相液晶的应用带来极大困难[2-3]。随着聚合物稳定蓝相液晶[4]和模板化蓝相液晶[5-6]的提出，蓝相液晶存在的温宽被大幅提高，使得蓝相液晶的研究变得更有应用价值[7-8]。手性螺旋结构液晶都具有布拉格反射的特性，可被广泛应用于各类光学滤波器中。James Adams等人利用胆甾相液晶制得了光学滤波器，该器件除了具有良好的光学特性外，还大幅降低了成本[9]，黄玉华等人利用两层胆甾相液晶集成得到了带宽可调谐的胆甾相液晶滤波器[10],郭金宝等人利用胆甾相模板成功构建了多波长胆甾相液晶滤波器[11]。罗丹课题组研究了基于多层蓝相液晶模板的反射型器件，该器件由两个具有反手性的单层蓝相模板组成，通过向其中填充向列相液晶，该器件可以在可见光波段提高反射效率[12]。查升毫等人利用多个不同中心反射波长的单层蓝相模板集成，并向其中灌入向列相液晶，最终得到了多层模板的蓝相液晶滤波器，该器件具有多个中心反射波长[13]。

上述研究中，无论是多波长液晶滤波器件，带宽可调液晶滤波器件还是高反射效率器件，它们大多基于多层结构集成形成，制备工艺比较复杂，不利于手性螺旋结构液晶的大规模应用。本文在本实验室前期的研究基础上[14]，提出手性螺旋结构液晶滤波器的单层制备法。该方法基于单层手性螺旋结构液晶模板，通过向模板中多次重灌与模板本征的反射峰中心波长相距较远的手性螺旋结构液晶从而获得多波长手性螺旋结构液晶滤波器件，也可以通过向模板中多次重灌与模板本征的反射峰中心波长相距较近的手性螺旋结构液晶从而获得带宽可调手性螺旋结构液晶滤波器件。实验表明该方法具有很好的可扩展性，理论上可以获得具有更多中心反射波长和带宽多次可调的液晶滤波器，有望应用于光通信和显示领域。

2 材料和实验设计

2.1 材料

为了获得我们所需的液晶滤波器，实验所需的材料主要包括以下成分：正性向列相液晶(BPH006，江苏和成)、手性剂(R5011，江苏和成)、单体(TMPTA，江苏和成)、交联剂(C3M，江苏和成)和光敏引发剂(IRG184,江苏和成)。为了获得具有两个反射峰的液晶滤波器，我们需要获得聚合物稳定蓝相液晶前聚体和胆甾相液晶，它们的反射中心波长可以通过改变手性剂在材料体系中的比例调节，最终它们的材料配比如表1所示。

表1 双波长液晶滤波器成分配比

为了获得具有3个反射峰的液晶滤波器，我们需要获得聚合物稳定蓝相液晶前聚体，聚合物稳定胆甾相液晶前聚体和胆甾相液晶，通过调节手性剂的比例，最终确定它们的材料比例如表2所示。

表2 三波长液晶滤波器成分配比

为了获得带宽可调谐液晶滤波器，我们需要获得两种聚合物稳定胆甾相液晶前聚体和一种胆甾相液晶，通过调节手性剂比例，最终确定它们的材料比例如表3所示。

表3 带宽可调液晶滤波器成分配比

2.2 实验设计与器件制备

为了获得蓝相液晶模板，首先将材料按照上述比例加入容器中，加入搅拌子后放在恒温磁力搅拌器(524G,上海梅氏仪器)上升温到80 ℃并搅拌约10 min，当材料呈现出透明的液体状时说明材料已搅拌均匀，这样制得了聚合物稳定蓝相液晶的前聚体。接着将该前聚体放在热台(HCS302, Intec Co.)上，为了保证前聚体是在各向同性态加入液晶盒中，热台温度控制为80 ℃，利用毛细现象将前聚体灌入反平行配向的液晶盒中，液晶盒的厚度为8 μm。然后以0.5 ℃/min的速率降温观察液晶相态的变化，确定对应相态的液晶的温宽。最后通过紫外曝光(波长365 nm，曝光时间10 min，曝光强度3 mW/cm2)的方式获得聚合物稳定蓝相液晶。然后将聚合物稳定蓝相液晶放入丙酮中浸泡48 h左右，洗去液晶和残留的手性剂、单体、交联剂和光敏引发剂等物质，并将其放置在热台上(热台温度80 ℃)去除残留在聚合物模板里面多余的丙酮，最终获得了蓝相液晶模板。

将与模板本征的峰相距较远的短波长胆甾相液晶在80 ℃时灌入蓝相液晶模板中，并以0.5 ℃/min的速率降温至30 ℃，最终获得了具有两个中心反射波长的滤波器。为了获得具有3个中心反射波长的液晶滤波器，首先将与模板本征的峰相距较远的短波长聚合物稳定胆甾相液晶前聚体在80 ℃时灌入蓝相液晶模板，通过蓝相液晶模板制作类似的步骤获得手性螺旋结构液晶模板，最后在80 ℃时向该模板中灌入与模板本征的峰相距较远的长波长胆甾相液晶并以0.5 ℃/min的速率降温至30 ℃完成该器件的制作。为了获得带宽可调胆甾相液晶滤波器，首先通过制作蓝相模板类似的过程制作胆甾相液晶模板，然后在80 ℃时向该胆甾相液晶模板中灌入与模板本征的峰相距较近的短波长聚合物稳定胆甾相液晶前聚体，再通过制作蓝相模板类似的过程获得手性螺旋结构液晶模板，然后向该液晶模板中加入与模板本征的峰相距较近的长波长胆甾相液晶并以0.5 ℃/min的速率降温至30 ℃完成该器件的制作。上述多次液晶重灌工艺流程如图1所示。

图1 多次重灌工艺流程图Fig.1 Flow chart of multiple refilling process

为了获得上述滤波器件的光谱特性，我们利用图2的装置进行测量。如图所示，钨溴灯作为非偏振光源，提供了可见光波段的光谱。光源信号正入射到器件上，通过数据采集系统(DCS300PA，Zolix)的检测器采集出射光信号的光强，最终通过计算得到透过率曲线。

图2 透过率采集装置示意图Fig.2 Schematic diagram of transmittance acquisition device

3 结果与分析

3.1 双波长单层液晶滤波器滤波特性分析

通过向蓝相模板中灌入与模板本征峰相距较远的胆甾相液晶获得了双波长液晶滤波器，其反射光谱如图3所示。其中，模板化蓝相液晶、胆甾相液晶中心反射波长分别为620 nm(黑线)和438 nm(红线)，半高宽分别为54 nm和62 nm；双波长液晶滤波器的两个中心反射波长分别为608 nm(蓝线)和446 nm(蓝线)，对应的半高宽分别为68 nm和88 nm，其中608 nm的中心反射波长接近蓝相模板本征的中心波长，446 nm的中心反射波长接近胆甾相液晶的中心反射波长，且半高宽变化不大。以上结果表明通过此方法制备的双波长液晶滤波器与设计参数保持着很好的一致性。

图3 模板化蓝相液晶、胆甾相液晶和双波长液晶滤波器的反射光谱。Fig.3 Reflectance spectra of templated blue phase liquid crystal, cholesteric liquid crystal and dual-wavelength liquid crystal filter.

图4 模板化胆甾相液晶、模板化蓝相液晶和胆甾相液晶的反射光谱。Fig.4 Reflectance spectra of templated cholesteric liquid crystal, templated blue phase liquid crystal and cholesteric liquid crystal.

3.2 三波长单层液晶滤波器滤波特性分析

首先测试了模板化蓝相液晶、模板化胆甾相液晶和胆甾相液晶的反射光谱，结果如图4所示。其中，模板化蓝相液晶的中心反射波长为630 nm(红线)，其半高宽为46 nm；模板化胆甾相液晶的中心反射波长为510 nm(蓝线)，其半高宽为54 nm；胆甾相液晶的中心反射波长为720 nm(黑线)，其半高宽为80 nm。综上所述，它们的中心反射波长间距较大，适合多波长滤波器的制备。

然后向蓝相液晶模板中灌入聚合物稳定胆甾相液晶前聚体，并通过紫外光曝光后成功制备双波长液晶滤波器件，其反射光谱如图5黑线所示。与前文制备的双波长液晶滤波器件不同的是，向蓝相模板中灌入的是聚合物稳定的胆甾相液晶，并通过丙酮浸泡的方式制备了具有两个反射峰的液晶模板。最后向双峰模板中灌入胆甾相液晶获得了三波长液晶滤波器，其反射光谱如图5红线所示。该滤波器总共有3个中心反射波长，分别为620，481，725，其中620 nm的中心反射波长接近本征蓝相模板的中心反射波长，481 nm的中心反射波长接近模板化胆甾相液晶的峰，725 nm的中心反射波长接近胆甾相液晶的中心反射波长。然而，波形的半高宽有一定的拓宽，波形有着较为明显的下移，该现象形成的原因可能是由于胆甾相液晶的带宽较宽以及长波长反射峰值较大的特性导致的，由于其中心反射波长基本保持不变，这也就表明通过该方法制备的三波长液晶滤波器有着较好的稳定性，并且该方法具有很好的拓展性，可以根据需求设计中心反射波长的位置，中心反射波长的个数由重灌的次数和液晶材料决定。

图5 蓝相模板的第一次重灌和第二次重灌后的反射光谱Fig.5 Reflectance spectra of the blue phase template after the first refill and the second refill

3.3 带宽可调胆甾相单层液晶滤波器滤波特性分析

首先测试了模板化胆甾相液晶1、模板化胆甾相液晶2和胆甾相液晶的反射光谱，结果如图6所示。其中，模板化胆甾相液晶1的中心反射波长为534 nm(红线)，半高宽为111 nm,模板化胆甾相液晶2的中心反射波长为438 nm(黑线)，半高宽为61 nm，胆甾相液晶的中心反射波长为579 nm(紫线)，半高宽为82 nm。由于它们的中心反射波长相距较近，适合宽带液晶滤波器的制备。

然后，向胆甾相液晶模板1中灌入聚合物稳定胆甾相液晶2前聚体，通过紫外光曝光后成功制备带宽拓宽的液晶滤波器件，其反射光谱如图6蓝线所示。该器件的半高宽为162 nm，而模板化胆甾相液晶1和模板化胆甾相液晶2的半高宽分别为111，61 nm，它们的和为172 nm，接近该器件的半高宽。因此可通过重灌的方式拓展胆甾相液晶的半高宽。

最后通过丙酮浸泡的方式制备了第一次重灌后的液晶模板，向该模板中灌入胆甾相液晶制备了宽带液晶滤波器，其反射光谱如图6绿线所示。该器件的半高宽为218 nm，第一次重灌后的液晶滤波器件半高宽为162 nm，第二次重灌入的胆甾相液晶半高宽为82 nm，它们的和为244 nm，与该器件的半高宽接近，这表明胆甾相液晶的带宽得到进一步的拓宽。而且由波形观察可知，通过多次液晶重灌工艺制备的带宽可调液晶滤波器件的中心反射波长与模板本征的峰中心反射波长保持一致，验证了该方法的稳定性。当应用上述方法制备带宽可调液晶滤波器时应首先确定好模板本征峰的中心反射波长，因为这决定了最后制备的器件中心反射波长。同时该方法具有可拓展性，理论上可以多次拓宽胆甾相液晶的带宽，带宽的拓宽的程度取决于重灌的次数和液晶材料。

4 结 论

利用多次液晶重灌工艺制得了单层结构的多波长手性螺旋结构液晶滤波器和带宽可调胆甾相液晶滤波器。实验结果证明，多波长液晶滤波器中心波长与设计的中心反射波长最大偏移量仅为16 nm，胆甾相液晶的带宽可拓宽96%，并可以继续拓宽。与多层结构的多波长蓝相液晶滤波器相比，单层结构的多波长手性螺旋结构液晶滤波器和带宽可调胆甾相液晶滤波器大大简化了器件制备的工艺流程，而且上述基于单层结构的手性螺旋结构液晶滤波器的制备工艺具有很好的稳定性和拓展性，在显示领域和光通信领域具有广阔的应用前景。