CN100405097C - 基于液晶的电场调控负折射器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液晶负折射器件的一种电场调控光频负折射器件，该器件由起偏器、液晶、电极及光学玻璃组成。是在导电玻璃板的导电面涂聚酰亚胺，并固化成膜，再用纤维进行定向磨擦，得到能使液晶分子沿表面取向的导电玻璃。将两块导电玻璃的磨擦面相对且取向平行进行粘合成μm间距的平行电极结构，在上电极上方固定起偏器，将液晶注入两电极间，液晶分子在外场作用下发生转动。该器件能使入射的光发生折射且折射光线和入射光线位于法线的同侧，即发生负折射现象，利用外电场调节液晶分子取向来实现负折射的可调控性。该器件在平板成像领域具有广泛的应用前景。所设计器件的测试表明，当外加电压为1.0V～2.8V时，负折射角可由-4.1°变化到0°。

Description

基于液晶的电场调控负折射器件

技术领域

本发明涉及一种基于液晶的负折射器件，特别涉及一种电场调控光频负折射器件。

背景技术

负折射是近年来倍受关注的一种奇特物理现象，理论预言其具有奇异的物理和光学特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov辐射、突破衍射极限成像和完美透镜效应等，在光学和信息科学技术领域具有广泛的应用前景。目前，利用左手材料(left-handed metamaterials)和光子晶体(photonic crystals)等人工周期结构材料已经实现了负折射，其负折射频段主要集中在微波波段且响应频段较窄。红外和可见光波段负折射的实现具有更加重要的意义，但受现阶段微加工技术和金属结构单元材料特性的限制，实现该频段左手材料和光子晶体等人工周期结构材料还较为困难。另外，现有的人工周期结构材料中的负折射行为不可调节，限制了其实际应用。

液晶是一种奇特且已被人们系统研究和充分认识的材料，已被广泛地应用到许多新的技术领域。其主要特性是分子排列并不像晶体结构那样牢固，容易受到电场、磁场、温度和应力等外部刺激的影响，从而光学性质发生改变。液晶这种作用力微弱的分子排列，正是其众多光学应用的基础。本发明正是利用液晶在电场作用下良好的光学响应行为，实现可调控的光频负折射。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液晶的电场调控负折射器件。该器件由起偏器、液晶、电极及光学玻璃组成，能使入射到该器件上的光发生折射，且折射光线和入射光线位于法线的同侧，即发生负折射现象。利用外电场对液晶分子取向进行调节，实现负折射的可调控性。

所述基于液晶的电场调控负折射器件的结构和制作，具体是在氧化钢锡(ITO)导电玻璃的导电面涂敷聚酰亚胺(PI)，并在80℃~240℃烘烤使之固化成膜，再用纤维进行定向磨擦，得到能使液晶分子沿表面取向的导电玻璃。将上述磨擦取向好的两块导电玻璃，磨擦面相对且取向平行进行粘合成间距Lμm的平行电极结构，在上电极上方固定偏振方向已知的起偏器，并使其起偏方向与导电玻璃磨擦取向的方向一致；将单轴向列型(E7)液晶注入两电极间，液晶分子在外场作用下发生转动。

本发明的有益效果是利用外电场调节液晶分子取向来实现负折射的可调控性，能使入射到该器件上的光发生折射，且折射光线和入射光线位于法线的同侧，即发生负折射现象。所设计器件的测试表明，当外加电压为1.0V～2.8V时，负折射角可由-4.1°变化到0°。该器件在平板成像领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1基于液晶的电场调控负折射器件。

图2电场振动方向位于主截面内的线偏振光入射到透明电极与正单轴液晶界面时发生负折射的示意图。OB和OC分别表示群速度和相速度的方向。

图3正单轴向列型液晶折射率椭球以及群折射和相折射随外电场变化的示意图。S和k分别表示群速度和相速度的方向。

图4正单轴向列型液晶(E7)负折射器件的负折射随电场的调控曲线。

图5正单轴向列型液晶(E7)负折射器件的最大负折射角和发生负折射的最大入射角随电场的调控曲线。

具体实施方式

本发明提供一种基于液晶的电场调控负折射器件。该器件由起偏器、液晶、电极及光学玻璃组成，能使入射到该器件上的光发生折射，且折射光线和入射光线位于法线的同侧，即发生负折射现象。利用外电场对液晶分子取向进行调节，实现负折射的可调控性。

所述基于液晶的电场调控负折射器件的结构如图1所示，具体是在氧化铟锡(ITO)导电玻璃板的导电面涂聚酰亚胺(PI)并在80℃~240℃烘烤使之固化成膜，再用纤维进行定向磨擦，得到能使液晶分子沿表面取向的导电玻璃。将上述磨擦取向好的两块导电玻璃，磨擦面相对且取向平行进行粘合成间距Lμm的上电极2和下电极5平行的电极结构；在上电极2上方固定偏振方向已知的起偏器1，并使其起偏方向与导电玻璃磨擦取向的方向一致。将单轴向列型(E7)液晶3注入两电极间，液晶3四周由光学玻璃4围合，液晶分子在外场V作用下将发生转动。

本发明是按照如下技术方案实现的：

本发明是一种基于液晶的电场调控负折射器件，其核心是液晶分子取向随施加电场转动，从而其负折射行为受到电场调控。

光束由各向同性媒质入射到单轴晶体时，通常会发生双折射。当偏振方向位于主截面内的光束以一定角度入射在单轴晶体(光轴与界面成某一角度)界面上时，折射光线和入射光线可能位于界面法线的同侧，即发生负折射现象。液晶是一种依靠微弱作用力实现分子有序排列的特殊晶体材料。液晶的各向异性光学性质与普通光学晶体类似，其分子轴取向即为光轴方向。因此，当液晶分子轴与界面成一定角度时，具有一定偏振特性的光可以实现负折射。又由于液晶的光学性质易于受外场(如：电场、磁场、温度和应力场等)的影响，从而可通过改变外场来调节其光学性质，进而实现负折射的电场可调控特性。

考虑如图2所示情形，入射光经起偏器后变为偏振方向位于主截面内的线偏振光，然后线偏振光入射到各向同性材料与正单轴液晶(n₀＜n_o＜n_e)界面上，OC、OB分别代表e光相速度方向及e光群速度方向。液晶分子取向(即光轴)与界面成∠TOA＝γ，于是，e光相速度及群速度方向与界面法线夹角分别为∠NOC＝θ_p和∠NOB＝θ_g，e光相速度与光轴夹角为∠AOC＝α。

则，相折射满足斯涅尔定理：

n₁sinθ₁＝n_e(α)sinθ_p    ……(1)

其中，相折射率为

$n_e\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{n_o{n}_e}{{(n_o^2{\sin }^2\mathrm{\α}+n_e^2{\cos }^2\mathrm{\α})}^{1/2}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

由于液晶的光学各向异性，使得e光相速度与群速度的方向不一致，他们之间偏离角称为离散角Ω＝α-β＝∠AOC-∠AOB，可表示为：

$\mathrm{\Ω}=\mathrm{ac}\tan \left((1-\frac{n_o^2}{n_e^2})\frac{\tan \mathrm{\α}}{(1+\frac{n_o^2}{n_e^2}{\tan }^2\mathrm{\α})}\right)\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

根据上述关系式(1)~(3)可知，当液晶光轴与界面成一定角度γ时，入射光线的折射光线可能会与入射光线位于界面法线的同侧，即发生负折射现象。

对于向列型液晶，其中间层分子取向与界面夹角

是极板间加载电压(电场)的函数，如图(3)所示。具体可由以下公式描述：

$U/U_S=\frac{2}{\mathrm{\π}}{(1+\mathrm{v\η})}^{1/2}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{(G_k/G_v{G}_{-1})}^{1/2}\mathrm{dx}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

U_S＝π(4πK₁₁/|Δε|)^1/2

G_i＝1+iηsin²x(i＝k，v，-1)

其中，k＝K₃₃/K₁₁-1，v＝(ε_///_⊥)-1，

K₃₃/K₁₁为液晶分子的弹性系数比，ε_//和ε_⊥分别为平行和垂直分子轴的介电常数。

而n_e(z)随中间层分子取向与界面夹角

的变化关系为：

由式(1)～(5)可以清楚地看出，在施加外电场的条件下，液晶分子取向将随外电场的增大而逐渐转向与外电场平行的方向；同时，液晶的折射率椭球将发生转动，从而实现电场可调控的负折射。

因此，首先加工能使液晶分子沿表面取向的导电玻璃或其他透明电极材料。在导电玻璃板的内表面涂一层高分子材料并在一定温度下使之固化成膜。通过用尼龙、纤维或棉绒等材料按图1中y轴方向对膜进行定向摩擦，摩擦产生的密纹或划痕能使液晶分子沿摩擦方向取向。除采用高分子材料成膜后摩擦的方法外，还可采用SiOx薄膜的斜向蒸镀法、偏振激光或紫外光辐射聚合物表面分子取向法、聚酰亚胺LB膜取向法等得到能够使液晶分子沿表面取向的导电玻璃或其他电极材料。

将上述处理过的透明电极板的取向表面相对，形成5μm~200μm极板间距的电极结构。在上电极表面固定起偏方向与电极取向方向一致的起偏器。

然后，将向列型液晶注入上述电极板之间。由于液晶负折射效应与液晶材料双折射率成正比，故此处应选用双折射率大于0.1的液晶材料。由于电极板表面的取向作用，此时极板间液晶分子沿极板取向方向排列，因此液晶的光轴与电极板平行。

于是，当光波经起偏器入射至透明电极与液晶的界面时，通过改变极板间的电压使液晶分子旋转到不同的方向，进而改变其有效折射率，从而实现可调控的光频负折射。

本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例一：

按图1所示，基于液晶的电场调控负折射器件的结构示意图。将磨擦取向的导电玻璃磨擦面相对且取向平行进行粘合成间距L＝40μm的上电极2和下电极5平行的电极结构；在上电极2上方固定偏振方向已知的起偏器1，并使其起偏方向与导电玻璃磨擦取向的方向一致。将单轴向列型(E7)液晶3注入两电极间由光学玻璃4围合的空间，液晶分子在外场V作用下将发生转动，其取向角∠TOA＝γ与所加电压的关系如图3所示。当入射光S₁以θ₁＝5°的入射时，折射光S₂随外加电压的变化关系曲线如图4所示。可以看出，施加1.0V～2.8V的外电压可得到连续可调的群速度负折射，且其负折射角度∠NOB＝θ_g绝对值随外电场先增大后减小，在外电压为1.5V时达到最大值。当所施加的电压小于1.0V或大于2.8V时，入射光S₁经过器件调制得到正的群折射。可见，只有入射光S₁的入射光线和外加电场满足一定条件时才能出现负折射。图5给出了最大的负折射角和发生负折射时的最大入射角随外电压的变化特性。可见，当外加电压为0.8V～3.3V时，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-1°～-7°，而最大入射角为1.5°～11°。

实施例二

同实施例一，上电极和下电极的粘合间距L＝10μm得到的结果：当入射光S₁以θ₁＝7°入射，施加0.6V～1.1V的外电压可得到连续可调的群速度负折射，在外电压0.9V时达到最大值。当外加电压为0.2V～1.5V时，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-1°～-7°，而最大入射角为1.5°～11°。

实施例三

同实施例一，上电极和下电极的粘合间距L＝100μm得到的结果：当入射光S₁以θ₁＝4°入射，施加2.0V～6.4V的外电压可得到连续可调的群速度负折射，在外电压3.6V时达到最大值。当外加电压为1.5V～8.0V时，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-1°～-7°，而最大入射角为1.5°～11°。

实施例四

同实施例一，上电极和下电极的粘合间距L＝200μm得到的结果：当入射光S₁以θ₁＝5°入射，施加5.4V～14.7V的外电压可得到连续可调的群速度负折射，在外电压0.6V时达到最大值。当外加电压为5.0V～15.2V时，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-1°～-7°，而最大入射角为1.5°～11°。

Claims (1)

1.一种基于液晶的电场调控负折射器件，该器件由起偏器、液晶、电极及光学玻璃组成，所述基于液晶的电场调控负折射器件是首先对透明导电玻璃板表面进行液晶分子取向处理，得到作为电极的能使液晶分子沿表面取向的透明导电玻璃板，将磨擦取向好的两块透明导电玻璃板，磨擦面相对且取向平行进行粘合成间距L μm的平行电极结构，将双折射率大于0.1的单轴向列型液晶注入两电极间光学玻璃围合的空间，在上电极上方固定偏振方向已知的起偏器，液晶分子在外场作用下发生转动，能使入射到该器件上的光发生折射，且折射光线和入射光线位于法线的同侧，即发生负折射现象，其特征是，起偏器的偏振方向与电极平行，并使其起偏方向与透明导电玻璃板磨擦取向的方向一致；利用外电场对液晶分子取向进行调节，实现负折射的可调控性；具体包括

两电极间距L为40μm，入射光S₁以θ₁＝5°入射，施加1.0V～2.8V的外电压得到连续可调的群速度负折射，其负折射角度的绝对值在外电压为1.5V时达到最大值；

或两电极间距L为10μm，入射光S₁以θ₁＝7°入射，施加0.6V～1.1V的外电压得到连续可调的群速度负折射，其负折射角度的绝对值在外电压为0.9V时达到最大值；

或两电极间距L为100μm，入射光S₁以θ₁＝4°入射，施加2.0V～6.4V的外电压得到连续可调的群速度负折射，其负折射角度的绝对值在外电压3.6V时达到最大值。

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