基于光控液晶光栅的研究

陈浩

（广东工业大学 信息工程学院，广东 广州510006）

1 概述

液晶作为具有特殊功能的材料已经被广泛应用，液晶的结构居于各向同性的液体和各向异性之间，它的化学特性和物理特性都有特殊的地方。

液晶在某一个温度区间会同时具有液体的特征和晶体的特征，这个时候液晶分子的取向没有晶体结构的强，而且液晶分子柔软并且容易变形。将液晶至于经过表面取向的液晶盒当中，液晶分子将会受到两个扭矩的作用。第一个是变形扭矩是由边界条件引起的，第二个扭矩是液晶盒之间施加了外部电场。当两个扭矩处于平衡稳定的情况当中时，它们的影响就会相互抵消。液晶光栅的出现则是电场超过了阈值打破了平衡状态，液晶分子将会沿着外加电场的方向周期性排列使得液晶的折射率也发生周期性的变化。液晶光栅则是通过一种用于改变由诸如液晶的折射率之类的光学特性的周期性变化引起的普通光和非常光的相位差和偏转特性的装置[1-4]。它广泛应用于实际光学计算处理、衍射光学、三维图像显示和光电开关，而且还取得了相当显著的成效，获得了国内外很多相关领域专业人士的重视。本文所研究的基于光敏手性剂掺杂的光控液晶光栅制备方法简单，驱动电压低并且液晶光栅周期可以通过紫外光和可见调控，不需要特殊的液晶盒基板电极处理和复杂的驱动电路设计，在未来可调光栅领域具有潜在的应用价值[5]。

2 实验材料

实验中使用的光敏手性剂为：(R)-[1,1'-联奈]-2,2'-双(3,5-双(4-二氮烯基)-苯甲酸己脂)，使用的液晶为：向列相液晶E7 由石家庄诚志永华显示材料有限公司提供，其熔点是-20℃，清亮点是61℃。在20℃的环境温度下测得该液晶的黏度系数η=40，对于波长为589nm 的光波的折射率△n=0.223，弹性常数K=7×10-7N/m，平行介电常数ε//=17.7，垂直介电常数ε⊥=5.1，介电各向异性△ε=12.6[6]。

2.1 样品的制备

将光敏手性剂掺杂剂掺杂到E7 液晶当中，掺杂剂的浓度为0.75%。在配好的样品中加入磁力转子，放入磁力搅拌器当中进行搅拌，搅拌温度设置为常温30℃，搅拌时间应为2 小时以上。样品搅拌均匀后，将样品灌入到(6.0±0.1)μm 的取向为双面沿面的液晶盒中。

2.2 实验基本装置

实验中由信号发生器和信号放大器给灌好样品的液晶盒施加外部驱动电压，通过偏光显微镜观察液晶光栅在UV 和457光照射下的周期变化，观察液晶光栅周期变化所造成的衍射变化则是通过以氦氖激光器为核心搭建的衍射光路来进行观察。

3 实验观察与分析

3.1 UV 照射下液晶光栅的周期变大

将灌好样品的液晶盒放在热台上，保持恒温30℃。样品连同热台一起放于正交的偏光显微镜(POM)下进行观察。

通过引线连接样品导电面与功率放大器的输出端，对液晶光栅进行电场调控。施加于液晶盒两端的电压驱动为fsin=30HZ，Uth=2.0V 会产生周期为20μm 的液晶光栅如图1(a)所示。用UV照射样品，液晶光栅的周期会随着时间的增加而变大。当施加UV 光强为I=0.0648mW/cm2照射样品5min，液晶光栅的周期增大为22μm，如图1(b)所示。图1(c)为UV 照射样品10min，液晶光栅周期增大为48μm。图1(d) 为UV 照射样品15min，液晶光栅周期增大为233μm。

图1 UV 照射下液晶光栅变化图

将液晶光栅放在衍射光路中，保持外加电场参数不变，施加UV 光强为I=0.0648mW/cm2照射样品。可以发现样品产生的衍射点间距随365 光的照射时间的增加而变窄，此变化趋势与在偏光显微镜下观察到的液晶光栅周期逐渐变大的现象相符合。当使用不同强度的UV 照射样品，液晶光栅周期变大的速率会被影响。保持fsin=30Hz，Uth=2.0V 的交流电不变，改变UV 的光强时，样品条纹周期变大的速度也会改变。UV 的光强I 越大，样品条纹周期变大的速度会变快。如果在UV 照射样品液晶光栅使光栅周期增大的过程中断掉UV，液晶光栅周期变大的趋势也会停止。使用不同强度的UV 光照射样品相同的时间后停止照射，液晶光栅周期增大的趋势的最终都会停止。但是由于UV 光照的强度不同，最后液晶光栅稳定后的周期大小也会不相同，随着UV 光强的增加液晶光栅最后稳定时的周期越大，如图2所示。当用UV 光强I=0.0524mW/cm2照射样品10min 后，液晶光栅的周期增大的速率最慢，液晶光栅周期大小最终会稳定在37μm 左右。当UV 光强I=0.0869mW/cm2时，液晶光栅的周期增大的速率最快，液晶光栅周期大小最终会稳定在56μm 左右。

图2 不同强度UV 照射样品相同时间的光栅周期变化曲线

3.2 457 光照射下液晶光栅的周期变小

图3 在波长457nm 光照射下液晶光栅变化图

保持施加于液晶盒两端的电压驱动fsin=30HZ，Uth=2.0V 不变，用UV 光一直照射样品直到在偏光显微镜中观察不到液晶光栅的周期结构。用波长λ=457nm 的光照射样品，发现液晶光栅的周期结构会随着时间的增加而重新出现，并且液晶光栅的周期会逐渐变小，最终基本恢复成没有照射UV 的初始状态，如图3 所示。图3(a)为UV 照射充足时间后液晶光栅周期结构消失，图3(b)为用波长λ=457nm 的光照射样品2min 后周期结构出现，此时的液晶光栅周期为33μm。图3(c)为照射样品4min，周期继续变小为26μm。图3(d)为照射样品5min，周期最终变小为22μm 基本恢复成为初始状态。将液晶光栅放在衍射光路中，保持外加电场参数不变，施加光强为I=0.0648mW/cm2的457nm 光照射样品。可以发现样品产生的衍射点间距随457 光的照射时间的增加而变宽，最后基本恢复为原始状态，此变化趋势与在偏光显微镜下观察到的液晶光栅周期逐渐变小的现象相符合。同样品被照射UV 光一样，当使用不同光强的475nm 光照射样品时，液晶光栅周期变小的速度也是不同的，如图4 所示。随着波长λ=475nm 光强度的增加，液晶光栅周期变小的速度越小，液晶光栅恢复成原始状态越快。

图4 不同光强的457nm 光照射下液晶光栅周期变化曲线

4 结果分析

我们观察到的样品形成的液晶光栅在不同光照下的周期变化，主要是由于手性分子的含有偶氮苯。不同波长的光照射手性分子会改变分子的手性，分子的手性具体被称为螺旋扭曲力常数(Helical Twisting Power,HTP)。当用UV 光照射手性分子时分子的构象会发生改变从而分子手性变弱，即HTP 值变小[7]。当用波长λ=457nm 的光照射手性分子时，手性分子的构象又会慢慢恢复，手性分子又具有了手性直到基本恢复原状，即HTP 变大。手性分子手性的变化直接影响着液晶分子的螺距p，具体关系为：

其中C 表示手性剂在液晶组合物中的含量，即浓度。当手性剂浓度一定时HTP 值越小螺距p 越大，即液晶光栅周期越大，HTP 值越大螺距越小，即液晶光栅周期越小。

5 结论

本文通过将光敏手性剂与向列型液晶混合制成了光控液晶光栅，通过UV 照射液晶光栅使液晶光栅的周期增大，同时液晶光栅周期增大的速度可以通过改变UV 光强来控制，而且还通过控制UV 光照射的时间来控制液晶光栅周期需要增大到多少。通过给液晶光栅照射波长λ=457nm 的光来恢复液晶光栅到初始状态，同时也可以控制457nm 光的光强来控制液晶光栅的恢复速度。本文的工作是对传统液晶光栅邻域的一个扩展，这种光控光栅有望在图像处理、光开关、光束调制等其它光通信领域发挥重要的作用。