專利名稱：基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于液晶的負(fù)折射器件，特別涉及一種電場調(diào)控光頻負(fù)折射器件。
背景技術(shù)：
負(fù)折射是近年來倍受關(guān)注的一種奇特物理現(xiàn)象，理論預(yù)言其具有奇異的物理和光學(xué)特性，如反常Doppler效應(yīng)、反常Cherenkov輻射、突破衍射極限成像和完美透鏡效應(yīng)等，在光學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，利用左手材料(left-handed metamaterials)和光子晶體(photonic crystals)等人工周期結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射，其負(fù)折射頻段主要集中在微波波段且響應(yīng)頻段較窄。紅外和可見光波段負(fù)折射的實(shí)現(xiàn)具有更加重要的意義，但受現(xiàn)階段微加工技術(shù)和金屬結(jié)構(gòu)單元材料特性的限制，實(shí)現(xiàn)該頻段左手材料和光子晶體等人工周期結(jié)構(gòu)材料還較為困難。另外，現(xiàn)有的人工周期結(jié)構(gòu)材料中的負(fù)折射行為不可調(diào)節(jié)，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
液晶是一種奇特且已被人們系統(tǒng)研究和充分認(rèn)識的材料，已被廣泛地應(yīng)用到許多新的技術(shù)領(lǐng)域。其主要特性是分子排列并不像晶體結(jié)構(gòu)那樣牢固，容易受到電場、磁場、溫度和應(yīng)力等外部刺激的影響，從而光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。液晶這種作用力微弱的分子排列，正是其眾多光學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本發(fā)明正是利用液晶在電場作用下良好的光學(xué)響應(yīng)行為，實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的光頻負(fù)折射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件。該器件由起偏器、液晶、電極及光學(xué)玻璃組成，能使入射到該器件上的光發(fā)生折射，且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象。利用外電場對液晶分子取向進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的可調(diào)控性。
所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件的結(jié)構(gòu)和制作，具體是在氧化鋼錫(ITO)導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面涂敷聚酰亞胺(PI)，并在80℃~240℃烘烤使之固化成膜，再用纖維進(jìn)行定向磨擦，得到能使液晶分子沿表面取向的導(dǎo)電玻璃。將上述磨擦取向好的兩塊導(dǎo)電玻璃，磨擦面相對且取向平行進(jìn)行粘合成間距Lμm的平行電極結(jié)構(gòu)，在上電極上方固定偏振方向已知的起偏器，并使其起偏方向與導(dǎo)電玻璃磨擦取向的方向一致；將單軸向列型(E7)液晶注入兩電極間，液晶分子在外場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明的有益效果是利用外電場調(diào)節(jié)液晶分子取向來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的可調(diào)控性，能使入射到該器件上的光發(fā)生折射，且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象。所設(shè)計(jì)器件的測試表明，當(dāng)外加電壓為1.0V～2.8V時(shí)，負(fù)折射角可由-4.1°變化到0°。該器件在平板成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件。
圖2電場振動(dòng)方向位于主截面內(nèi)的線偏振光入射到透明電極與正單軸液晶界面時(shí)發(fā)生負(fù)折射的示意圖。OB和OC分別表示群速度和相速度的方向。
圖3正單軸向列型液晶折射率橢球以及群折射和相折射隨外電場變化的示意圖。S和k分別表示群速度和相速度的方向。
圖4正單軸向列型液晶(E7)負(fù)折射器件的負(fù)折射隨電場的調(diào)控曲線。
圖5正單軸向列型液晶(E7)負(fù)折射器件的最大負(fù)折射角和發(fā)生負(fù)折射的最大入射角隨電場的調(diào)控曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件。該器件由起偏器、液晶、電極及光學(xué)玻璃組成，能使入射到該器件上的光發(fā)生折射，且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象。利用外電場對液晶分子取向進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的可調(diào)控性。
所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體是在氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃板的導(dǎo)電面涂聚酰亞胺(PI)并在80℃~240℃烘烤使之固化成膜，再用纖維進(jìn)行定向磨擦，得到能使液晶分子沿表面取向的導(dǎo)電玻璃。將上述磨擦取向好的兩塊導(dǎo)電玻璃，磨擦面相對且取向平行進(jìn)行粘合成間距Lμm的上電極2和下電極5平行的電極結(jié)構(gòu)；在上電極2上方固定偏振方向已知的起偏器1，并使其起偏方向與導(dǎo)電玻璃磨擦取向的方向一致。將單軸向列型(E7)液晶3注入兩電極間，液晶3四周由光學(xué)玻璃4圍合，液晶分子在外場V作用下將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明是按照如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明是一種基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，其核心是液晶分子取向隨施加電場轉(zhuǎn)動(dòng)，從而其負(fù)折射行為受到電場調(diào)控。
光束由各向同性媒質(zhì)入射到單軸晶體時(shí)，通常會(huì)發(fā)生雙折射。當(dāng)偏振方向位于主截面內(nèi)的光束以一定角度入射在單軸晶體(光軸與界面成某一角度)界面上時(shí)，折射光線和入射光線可能位于界面法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象。液晶是一種依靠微弱作用力實(shí)現(xiàn)分子有序排列的特殊晶體材料。液晶的各向異性光學(xué)性質(zhì)與普通光學(xué)晶體類似，其分子軸取向即為光軸方向。因此，當(dāng)液晶分子軸與界面成一定角度時(shí)，具有一定偏振特性的光可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。又由于液晶的光學(xué)性質(zhì)易于受外場(如電場、磁場、溫度和應(yīng)力場等)的影響，從而可通過改變外場來調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的電場可調(diào)控特性。
考慮如圖2所示情形，入射光經(jīng)起偏器后變?yōu)槠穹较蛭挥谥鹘孛鎯?nèi)的線偏振光，然后線偏振光入射到各向同性材料與正單軸液晶(n0＜no＜ne)界面上，OC、OB分別代表e光相速度方向及e光群速度方向。液晶分子取向(即光軸)與界面成∠TOA＝γ，于是，e光相速度及群速度方向與界面法線夾角分別為∠NOC＝θp和∠NOB＝θg，e光相速度與光軸夾角為∠AOC＝α。
則，相折射滿足斯涅爾定理n1sinθ1＝ne(α)sinθp……(1)其中，相折射率為ne(α)=none(no2sin2α+ne2cos2α)1/2---(2)]]>由于液晶的光學(xué)各向異性，使得e光相速度與群速度的方向不一致，他們之間偏離角稱為離散角Ω＝α-β＝∠AOC-∠AOB，可表示為
Ω=actan((1-no2ne2)tanα(1+no2ne2tan2α))---(3)]]>根據(jù)上述關(guān)系式(1)~(3)可知，當(dāng)液晶光軸與界面成一定角度γ時(shí)，入射光線的折射光線可能會(huì)與入射光線位于界面法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象。
對于向列型液晶，其中間層分子取向與界面夾角是極板間加載電壓(電場)的函數(shù)，如圖(3)所示。具體可由以下公式描述U/US=2π(1+vη)1/2∫0π/2(Gk/GvG-1)1/2dx---(4)]]>US＝π(4πK11/|Δε|)1/2Gi＝1+iηsin2x(i＝k，v，-1)其中，k＝K33/K11-1，v＝(ε///ε⊥)-1，η＝sin2，K33/K11為液晶分子的彈性系數(shù)比，ε//和ε⊥分別為平行和垂直分子軸的介電常數(shù)。
而ne(z)隨中間層分子取向與界面夾角的變化關(guān)系為 由式(1)～(5)可以清楚地看出，在施加外電場的條件下，液晶分子取向?qū)㈦S外電場的增大而逐漸轉(zhuǎn)向與外電場平行的方向；同時(shí)，液晶的折射率橢球?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電場可調(diào)控的負(fù)折射。
因此，首先加工能使液晶分子沿表面取向的導(dǎo)電玻璃或其他透明電極材料。在導(dǎo)電玻璃板的內(nèi)表面涂一層高分子材料并在一定溫度下使之固化成膜。通過用尼龍、纖維或棉絨等材料按圖1中y軸方向?qū)δみM(jìn)行定向摩擦，摩擦產(chǎn)生的密紋或劃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，還可采用SiOx薄膜的斜向蒸鍍法、偏振激光或紫外光輻射聚合物表面分子取向法、聚酰亞胺LB膜取向法等得到能夠使液晶分子沿表面取向的導(dǎo)電玻璃或其他電極材料。
將上述處理過的透明電極板的取向表面相對，形成5μm~200μm極板間距的電極結(jié)構(gòu)。在上電極表面固定起偏方向與電極取向方向一致的起偏器。
然后，將向列型液晶注入上述電極板之間。由于液晶負(fù)折射效應(yīng)與液晶材料雙折射率成正比，故此處應(yīng)選用雙折射率大于0.1的液晶材料。由于電極板表面的取向作用，此時(shí)極板間液晶分子沿極板取向方向排列，因此液晶的光軸與電極板平行。
于是，當(dāng)光波經(jīng)起偏器入射至透明電極與液晶的界面時(shí)，通過改變極板間的電壓使液晶分子旋轉(zhuǎn)到不同的方向，進(jìn)而改變其有效折射率，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的光頻負(fù)折射。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程和材料的性能由實(shí)施例和

實(shí)施例一按圖1所示，基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件的結(jié)構(gòu)示意圖。將磨擦取向的導(dǎo)電玻璃磨擦面相對且取向平行進(jìn)行粘合成間距L＝40μm的上電極2和下電極5平行的電極結(jié)構(gòu)；在上電極2上方固定偏振方向已知的起偏器1，并使其起偏方向與導(dǎo)電玻璃磨擦取向的方向一致。將單軸向列型(E7)液晶3注入兩電極間由光學(xué)玻璃4圍合的空間，液晶分子在外場V作用下將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其取向角∠TOA＝γ與所加電壓的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)入射光S1以θ1＝5°的入射時(shí)，折射光S2隨外加電壓的變化關(guān)系曲線如圖4所示?？梢钥闯?，施加1.0V～2.8V的外電壓可得到連續(xù)可調(diào)的群速度負(fù)折射，且其負(fù)折射角度∠NOB＝θg絕對值隨外電場先增大后減小，在外電壓為1.5V時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)所施加的電壓小于1.0V或大于2.8V時(shí)，入射光S1經(jīng)過器件調(diào)制得到正的群折射?？梢?，只有入射光S1的入射光線和外加電場滿足一定條件時(shí)才能出現(xiàn)負(fù)折射。圖5給出了最大的負(fù)折射角和發(fā)生負(fù)折射時(shí)的最大入射角隨外電壓的變化特性?？梢?，當(dāng)外加電壓為0.8V～3.3V時(shí)，液晶負(fù)折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負(fù)折射角為-1°～-7°，而最大入射角為1.5°～11°。
實(shí)施例二同實(shí)施例一，上電極和下電極的粘合間距L＝10μm得到的結(jié)果當(dāng)入射光S1以θ1＝7°入射，施加0.6V～1.1V的外電壓可得到連續(xù)可調(diào)的群速度負(fù)折射，在外電壓0.9V時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)外加電壓為0.2V～1.5V時(shí)，液晶負(fù)折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負(fù)折射角為-1°～-7°，而最大入射角為1.5°～11°。
實(shí)施例三同實(shí)施例一，上電極和下電極的粘合間距L＝100μm得到的結(jié)果當(dāng)入射光S1以θ1＝4°入射，施加2.0V～6.4V的外電壓可得到連續(xù)可調(diào)的群速度負(fù)折射，在外電壓3.6V時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)外加電壓為1.5V～8.0V時(shí)，液晶負(fù)折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負(fù)折射角為-1°～-7°，而最大入射角為1.5°～11°。
實(shí)施例四同實(shí)施例一，上電極和下電極的粘合間距L＝200μm得到的結(jié)果當(dāng)入射光S1以θ1＝5°入射，施加5.4V～14.7V的外電壓可得到連續(xù)可調(diào)的群速度負(fù)折射，在外電壓0.6V時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)外加電壓為5.0V～15.2V時(shí)，液晶負(fù)折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負(fù)折射角為-1°～-7°，而最大入射角為1.5°～11°。
權(quán)利要求
1.一種基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，該器件由起偏器、液晶、電極及光學(xué)玻璃組成，其特征是，所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件是首先對透明導(dǎo)電玻璃表面進(jìn)行液晶分子取向處理，得到作為電極的能使液晶分子沿表面取向的導(dǎo)電透明玻璃板，將上述磨擦取向好的兩塊導(dǎo)電玻璃，磨擦面相對且取向平行進(jìn)行粘合成間距Lμm的平行電極結(jié)構(gòu)，將液晶注入兩電極間光學(xué)玻璃圍合的空間，在上電極上方固定偏振方向已知的起偏器，并使其起偏方向與導(dǎo)電玻璃磨擦取向的方向一致，液晶分子在外場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，能使入射到該器件上的光發(fā)生折射，且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象，利用外電場對液晶分子取向進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的可調(diào)控性。
2.如權(quán)利要求1所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，其特征是起偏器的偏振方向與電極平行。
3.如權(quán)利要求1所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，其特征是液晶為雙折射率大于0.1的單軸向列相液晶E7。
4.如權(quán)利要求1所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，其特征是在作為電極的導(dǎo)電玻璃板表面是經(jīng)過表面液晶分子取向處理的氧化銦錫ITO，兩電極間距L為5μm～200μm。
5.如權(quán)利要求1所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，其特征是與液晶接觸的兩個(gè)電極面要進(jìn)行取向摩擦，且其取向摩擦方向與起偏器的偏振方向平行。
6.如權(quán)利要求1所述基于液晶的電場調(diào)控負(fù)折射器件，其特征是外加電源為直流或交流，電壓為0.1～50V。
全文摘要
本發(fā)明公開了液晶負(fù)折射器件的一種電場調(diào)控光頻負(fù)折射器件，該器件由起偏器、液晶、電極及光學(xué)玻璃組成。是在導(dǎo)電玻璃板的導(dǎo)電面涂聚酰亞胺，并固化成膜，再用纖維進(jìn)行定向摩擦，得到能使液晶分子沿表面取向的導(dǎo)電玻璃。將兩塊導(dǎo)電玻璃的摩擦面相對且取向平行進(jìn)行粘合成μm間距的平行電極結(jié)構(gòu)，在上電極上方固定起偏器，將液晶注入兩電極間，液晶分子在外場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。該器件能使入射的光發(fā)生折射且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象，利用外電場調(diào)節(jié)液晶分子取向來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的可調(diào)控性。該器件在平板成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。所設(shè)計(jì)器件的測試表明，當(dāng)外加電壓為1.0V～2.8V時(shí)，負(fù)折射角可由－4.1°變化到0°。
文檔編號G02F1/13GK1866064SQ20061008940
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者周濟(jì), 康雷, 趙乾, 李勃 申請人:清華大學(xué)