液晶分子的光控取向
液晶分子取向及其应用研究
液晶分子取向及其应用研究液晶是一种特殊的物质，具有流动性质却又具有一定的有序性。
液晶分子的取向对于液晶显示器等应用具有重要意义。
本文将介绍液晶分子取向的原理和其在应用中的研究进展。
一、液晶分子取向的原理液晶分子取向是指在液晶体系中，液晶分子呈现不同的排列方式。
液晶分子的排列方式受到多种因素的影响，其中最重要的因素是界面上的各种相互作用。
复杂的相互作用使得液晶分子具有多种取向方式。
常见的液晶分子取向方式有十二种，包括各向同性（isotropic）、垂直（vertical）、平行（parallel）、45°取向等。
其中最常见的液晶分子取向方式是所谓的“垂直取向”。
在液晶分子中，通常存在一个最稳定的取向方式，也就是使能量最低的排列方式。
而液晶分子与固体表面之间的相互作用则会影响分子的取向。
表面上的分子排列方式能够影响固液界面的能量，从而影响分子的取向。
二、液晶分子取向的影响因素液晶分子的取向方式及其在液晶显示器等应用中的表现取决于多个因素，包括分子的结构、液晶分子与基板之间的相互作用、温度等。
下面将对这些因素进行简单介绍。
1.分子的结构分子的结构对于液晶分子取向具有重要意义。
液晶分子通常具有长形分子结构，其中极性各异的端部朝向不同的方向，使得分子在不同的取向状态下能够呈现不同的极性。
2.液晶分子与基板之间的相互作用液晶分子与基板之间的相互作用是影响分子取向的重要因素。
当液晶分子与基板之间的吸附力比分子之间的相互引力大时，液晶分子会向基板方向取向。
而当两种相互作用力相当时，分子会呈现45°取向。
3.温度温度也是影响液晶分子取向的重要因素。
在高温下，液晶分子通常呈现isotropic形态，即无法被取向。
而当温度降低至一定范围时，液晶分子便会逐渐呈现有序排列，并显示出液晶结构。
三、液晶分子取向在应用中的研究进展液晶分子取向在液晶显示器等应用领域具有重要作用。
近年来，人们在这方面的研究不断取得了新的进展。
液晶光控取向技术进展
第 ５期
液 晶与 显 示
Ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ Ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ Ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｓ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ
Ｖｏ １ ．３ ０ Ｎ ｏ． ５ ０ｃ ｔ ．２ Ｏ１ ５
２ ０ １ ５年 １ ０月
ｐｏ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｌ ｉ ｇｈｔ ．Ｉ ｔ ｐｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｍａ ｎｙ ａ ｄ ｖ ａ ｎｔ ａ ｇｅ ｓ ，ｅ ．ｇ ．， ｎｏ ｎ — ｃ ｏ ｎｔ ａ ｍｉ ｎａ ｔ ｉ ｏｎ， ｎ ｏｎ — ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ｇｅ ｓ，
ｍｏ ｒ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎｔ ｉ ｏｎ ｓ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｅ ｒ ｓ ａ ｌ ｌ ｏｖ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｗｏｒ ｌ ｄ ． Ｔｈｅ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｓ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｕｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕｄ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｎｔ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏｆ ｐ ｈｏ ｔ ｏａ ｌ ｉ ｇｎ ｍｅ ｎｔ ｏｆ ｌ ｉ ｑ ｕｉ ｄ ｃ ｒ ｙｓ ｔ ａ ｌ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｂ ｒ ｉ ｅ ｆ ｌ ｙ ｉ ｌ ｌ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ
Ｗ Ａ Ｎ Ｇ Ｘｉ ａ ｏ — ｑ ｉ ａ ｎ ，ＳＨ ＥＮ Ｄｏ ｎｇｈ ， ＺＨ ＥＮ Ｇ Ｚｈｉ — ｇａ ｎｇ ，Ｋ Ｗ Ｏ Ｋ Ｈ ｏｉ — Ｓｉ ｎ ｇ
（ １ ． Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ，Ｅａ ｓ ｔ Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ３ ７ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；
液晶光控取向技术进展
液晶光控取向技术进展王骁乾;沈冬;郑致刚;郭海成【摘要】液晶光控取向技术是一种通过偏振光照射来实现液晶取向的非接触式方法，不同于摩擦取向法，它具有无污染、无静电、易实现微区多畴取向等优点，因此引起了世界各地科研工作者的广泛关注。
本文综述了液晶光控取向技术的研究现状和最新进展，简略地阐述了一些光控取向技术的基本原理以及液晶光控取向材料的工作机理。
本文重点介绍了目前光控取向研究中比较新颖的一种光诱导偶氮染料取向的方法，并且从液晶光控取向在曲面及柔性基底、光数据处理及高空间分辨率的光处理系统、具有复杂几何图形取向的液晶光学元器件、3D 光可擦写及铁电液晶显示器、光学滤光器和其他光控取向材料这六个方面列举了一些液晶光控取向技术的最新应用。
%Photoalignment technology is a kind of contactless method of aligning liquid crystal by using polarized light.It possesses many advantages,e.g.,non-contamination,non-electrostatic charges, easy to realize multi-domain aligning even in a tiny fine area,and etc.Thus,it has attracted more and more attentions of the researchers all over the world.The review describes the status of the studies and the recent achievements in the field of photoalignment of liquid crystals,and it briefly illustrates the fundamental working principle of photoalignment technique and mechanisms of liquid crystal pho-toalignment materials.In particular,we concentrate on a recent approach of the photoinduced reorien-tation of azo-dyes,and some recent applications of photoalignment technology in aspects of (1)curved and flexible substrates,(2)optical data processing and high spatial resolution opticalprocessing sys-tem,(3)liquid crystal optical elements with sophisticated geometric patterned alignment,(4 )3D ORW and ferroelectric liquid crystal displays,(5)optical filter and (6)other photoalignment materi-als,will be introduced.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】15页(P737-751)【关键词】液晶;光控取向;各向异性;偏振光;偶氮染料【作者】王骁乾;沈冬;郑致刚;郭海成【作者单位】华东理工大学理学院物理系，上海 200237; 香港科技大学先进显示与光电技术国家重点实验室合作伙伴，香港;华东理工大学理学院物理系，上海200237;华东理工大学理学院物理系，上海 200237;香港科技大学先进显示与光电技术国家重点实验室合作伙伴，香港【正文语种】中文【中图分类】O753+.2Keywords:liquid crystal;photoalignment;anisotropic;polarized light;azo-dye 液晶的力学、电学、磁学和光学性质都呈现与排列有关的类似于晶体的各向异性,又具有与普通液体类似的流动性。
液晶显示器件中的光学特性研究
液晶显示器件中的光学特性研究液晶显示器件可以说是现代生活中不可或缺的一部分，无论是手机、电视、电脑等各种显示设备都广泛采用了液晶显示技术。
而液晶显示器件的优良光学特性正是其能够被广泛应用的重要原因之一。
液晶显示器件中的光学特性主要是指液晶分子在电场作用下的取向改变所带来的光学效应。
液晶分子是含有两个不对称端的分子，具有长轴和短轴之分。
液晶分子的取向状态对于其光学特性起着至关重要的作用。
在有电场作用下，液晶分子会沿着电场方向对齐，这种取向状态称为同向取向。
而在没有电场作用下，液晶分子则会随机取向。
在同向取向的状态下，液晶分子可以调整光的传播方向和偏振状态，这就是液晶显示器件中的偏振器。
偏振器可以将具有随机偏振状态的自然光变为具有特定偏振状态的偏振光，偏振光在通过液晶层的时候，由于液晶分子的取向，导致光的传播方向被改变。
这样便可以根据不同的电场控制液晶分子的取向，从而调整液晶层中的偏振状态，实现图像的显示。
除了偏振器的作用外，液晶分子的取向还会影响液晶显示器件的光强度变化。
这是由于液晶分子的取向会对不同偏振状态的光的传播速度产生不同的影响，导致出现光束的相位差，从而引起光的干涉现象。
这一干涉现象也是液晶显示器件中的薄膜横向干涉现象。
薄膜横向干涉现象是由于液晶分子的取向在薄液晶层内是存在梯度的。
当光从一个高折射系数区域进入低折射系数区域时，会发生反射和折射，并产生相位差。
液晶分子的取向甚至可以精确控制产生相位差的大小和方向，这使得液晶显示器件中的图像达到更加准确的显示效果。
此外，液晶显示器件中光的折射率也是影响其光学特性的重要因素之一。
液晶分子在不同的荧光基团所处的位置上，由于分子内部振动状态的影响而表现出不同的电光特性。
这种电光特性的不同便导致不同区域的液晶层具有不同的折射率。
这使得来自不同区域的光在液晶层内的反射、折射、散射等过程中会出现不同的反应，从而影响液晶显示器件中图像的清晰程度和色彩还原能力。
液晶和高分子材料的光学性能和调控
液晶和高分子材料的光学性能和调控液晶是指由具有一定结构的分子组成的一种介于液态和固态之间的物质，具有流动性与可逆取向性。
液晶的光学性质独特，可应用在各种显示技术、光学调制器、偏振器、光控制器等领域中。
而高分子材料是指具有大分子结构的材料，其可塑性、耐久性、以及化学稳定性等都是传统材料不可比拟的。
两者都具有重要的光学应用，下面将分别介绍它们的光学性能和调控。
一、液晶的光学性质和调控液晶分为不同的类型，其中最常见的普通向列型液晶(material_no.5CB)。
此类液晶原子构型具有较高的对称性，其性质稳定，可应用于液晶显示器中，将其作为光学渐变电容的电介质材料，能够改变其取向和存在的施加电压。
目前，液晶显示屏已经无处不在，如手机、电视、电脑等大量应用，其中的公共优点便是能够有效地节省能源和时间。
液晶还可通过物理或化学手段来进行调控，例如物理上通过加热、冷却、加压、受瞬态电荷、磁力、光等作用来调节，化学上则是通过物理与化学反应来调节。
因此，液晶材料的内部结构和特性是影响其光学性能和调控的关键要素。
二、高分子材料的光学性质和调控高分子材料具有良好的透过性、透明度和光学稳定性，这使得它们能够应用于多种领域中，如光学器件、电子器件、化学传感器等。
在光学领域中，高分子材料可以用来制造偏振板、滤光器、CCD和CMOS图像传感器等，使其具有各种特定的光学性质以及各种调控方式。
高分子的光学功能是具体取决于它的特性，例如分子结构、分子量、分子组成和成分比例等。
这些特性不仅影响材料的光学性能，而且影响到材料的制备和性能优化。
总体而言，对于液晶和高分子材料，它们的光学性能和调控是非常重要的。
应用研究可以发展出多种多样的光学器件和光学材料，液晶和高分子材料也成为了目前材料和光学方面的研究热点。
通过对其原理和结构的研究，可以得出更优化的材料和性能，为液晶和高分子材料在未来的应用开发中提供更好的技术支持。
液晶超材料的原理及应用
液晶超材料的原理及应用1. 液晶超材料的基本原理液晶超材料是一种由液晶分子组成的复合材料，通过控制液晶分子的排列方式，可以实现对光的传播、吸收和改变方向的控制。
液晶超材料的核心原理是利用液晶分子在外部电场或外界环境作用下的定向排列性能，实现对光的调节。
液晶分子具有两个主要的特性，即取向性和极性。
通过调节外部电场或外界环境，可以改变液晶分子的取向和极性，从而实现对光的控制。
当液晶分子受到电场作用时，它们会重新排列自己，这种排列会对光的传播产生影响。
这种现象可以通过所谓的Kerr效应、电光效应或旋光效应来实现。
2. 液晶超材料的应用领域液晶超材料广泛应用于光电子器件、光通信、显示技术、光学复合材料等领域。
以下是液晶超材料的一些主要应用：2.1 光电子器件•液晶超材料可以用于制造光电开关、光电调制器和光电器件等。
通过控制液晶分子的排列方式，可以实现对光信号的开关、调制和调节。
•液晶超材料还可以用于制造光纤传感器，通过改变液晶分子的排列方式，可以实现对光纤传感器的灵敏度和响应速度的调节。
2.2 光通信•液晶超材料可以用于制造光纤网络中的光开关和光调制器等关键器件。
通过对光信号的控制，可以实现光通信系统中的信号传输和处理。
•液晶超材料还可以用于制造光纤光栅，通过改变液晶分子的排列方式，可以实现光纤光栅的调谐和频率选择。
2.3 显示技术•液晶超材料被广泛应用于液晶显示器中。
液晶显示器通过利用液晶分子的取向和极性来控制光的传播，从而实现图像的显示。
•液晶超材料还可以用于制造电子墨水显示器，通过改变液晶分子的排列方式，可以实现电子墨水显示器的显示和刷新。
2.4 光学复合材料•液晶超材料可以与其他光学材料进行复合，形成具有特殊光学性质的复合材料。
通过调节复合材料中的液晶分子的排列，可以实现对光的吸收、散射和透射的控制。
•液晶超材料的应用还包括自适应光学系统、光学调谐滤波器和光学透镜等。
3. 液晶超材料的发展趋势随着科技的不断进步，液晶超材料在各个领域的应用将会越来越广泛。
液晶分子取向排列技术
液晶显示器工业中液晶分子取向排列控制技术的研究进展金刚王强朱普坤佐邦士勇#（工业大学化工学院 300130 #中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实验室 100080)在液晶显示器(LCD)的生产过程中，液晶分子的取向控制技术是十分重要的。
它不仅关系到液晶分子的响应速度，而且直接影响到LCD的显示品质。
图1为扭曲向列型LCD(TN -LCD)的基本结构[1]。
其中两块玻璃电极板是用取向膜处理过的，液晶注入其中同时被扭曲成90°。
在板的外侧上下各贴有一片偏振片，偏振片的光栅方向相互垂直，并分别与液晶分子的长轴方向相互平行。
这样当电路关闭时(a态)，外来光沿着光栅方向通过液晶分子扭曲成90°而通过另一个玻璃板面，看起来是透明的。
当电路打开时(b态)，电压值达到阈值电压，液晶分子在电场作用下平行排列(与原位置相垂直)，因此平行光的振动面可以沿着液晶长轴方向而通过，由于偏振片是相互垂直的，因而入射光被挡住，看起来是黑色的。
这样一开一关即可产生黑白显示。
要实现显示效果，液晶分子需要与基板成一定角度，图2所示为棒状液晶分子的长轴方向与基板的相对位置关系，其中的称为预倾角。
该角度的产生是液晶分子与取向膜材料之间相互作用的结果。
θp它的有无直接关系到LCD的显示容量与显示品质。
例如对于液晶分子扭曲成90°的TN-LCD来说θ应在1-3°左右，而对于液晶分子扭曲成180-270°的超扭曲p应在5-30°左右。
之所以需要这个角度主要是为向列型LCD(STN -LCD)来说θp了防止当液晶分子在外加电压的作用下立起时，由于分子左右任一方向转动的能量等效而发生倾斜畴的向错(畴(domain)指的是液晶中液晶分子的指向矢基本相同的微小区域；向错(disclination)指的是液晶分子的取向在空间的不连续现象[2])[3]。
由此可见，LCD之所以能够产生显示效果，在很大程度上取决于液晶分子的取向效果。
光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展
第３２卷㊀第６期２０１７年６月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a ys ㊀㊀㊀㊀㊀V o l ．３２㊀N o ．６㊀J u n ．２０１７㊀㊀收稿日期:２０１７Ｇ０１Ｇ１６;修订日期:２０１７Ｇ０２Ｇ２１．㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(N o ．６１４９０７１４,N o ．６１４３５００８,N o ．６１５７５０９３,N o ．６１５３５００７);江苏省普通高校学术学位研究生科研创新计划项目(N o ．K Y L X １６_００４７)S u p p o r t e db y N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (N o ．６１４９０７１４,N o ．６１４３５００８,N o ．６１５７５０９３,N o ．６１５３５００７);R e s e a r c ha n d I n n o v a t i o nP r o g r a mo fA c a d e m i cD e g r e eP o s t g r a d u a t e s i nJ i a n g s u (N o ．K Y ＧL X １６_００４７)㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :h u w e i ＠n ju ．e d u ．c n 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０１７)０６Ｇ０４１１Ｇ１３光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展邹朋飞１,魏冰妍１,杨淑蕾２,梁㊀晓３,陈国飞４,陈㊀宽４,陆延青１,胡㊀伟１*(１．南京大学现代工程与应用科学学院,江苏南京２１００９３;２．７３６６７部队,江苏南京２１００３８;３．清华大学化学系,北京１０００８４;４．南京先进激光技术研究院,江苏南京２１００３８)摘要:近年来,光取向已成为主流的液晶取向技术.除了在平板显示领域的广泛应用之外,光取向技术在液晶非显示领域也得到了广泛的应用.本文简要综述了南京大学液晶与微纳光学研究组利用一种偶氮苯类光取向剂进行图形化取向,进而实现了液晶光开关㊁特殊光场产生与调控㊁退偏器㊁太赫兹波片等元器件的制备㊁胆甾相液晶螺旋轴空间排列的控制等非显示应用.关㊀键㊀词:液晶;光取向技术;非显示中图分类号:O ４３６㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７８８/Y J Y X S ２０１７３２０６．０４１１S o m e p r o g r e s s e s o f p h o t o a l i g n m e n t t e c h n i q u e a p pl i e d i n l i q u i d c r y s t a l n o n d i s p l a y fi e l d Z O U P e n g Ｇf e i １,W E IB i n g Ｇya n １,Y A N GS h u Ｇl e i ２,L I A N G X i a o ３,C H E N G u o Ｇf e i ４,C H E N K u a n ４,L U Y a n Ｇq i n g １,HU We i １∗(１．C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g a n dA p p l i e dS c i e n c e s ,N a n j i n g U n i v e r s i t y ,N a n j i n g ,２１００９３,C h i n a ;２．A r m y ７３６６７,N a n j i n g ２１００３８,C h i n a ;３．D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y ,T s i n g h u aU n i v e r s i t y ,B e i j i n g １０００８４,C h i n a ;４．N a n j i n g I n s t i t u t e o f A d v a n c e dL a s e rT e c h n o l o g y ,N a n j i n g １０００８４,C h i n a )A b s t r a c t :I n r e c e n t y e a r s ,p h o t o a l i g n m e n t t e c h n o l o g y h a sb e c o m e ad o m i n a n t a l i g n m e n t t e c h n i qu e i n l i q u i d c r y s t a l f i e l d s ．I n a d d i t i o n t o t h e f l a t p a n e l d i s p l a y s ,p h o t o a l i g n m e n t h a s a l s o b e e nw i d e l y us e d i n n o n d i s p l a y f i e l d s ．T h e r e v i e wb r i e f l y i n t r o d u c e s a p h o t o a l i g n m e n t p a t t e r n i n g t e c h n i qu e b a s e do n a p o Ｇl a r i z a t i o n Ｇs e n s i t i v e a z o Ｇd y e a g e n t a n d p r e s e n t s i t s a p p l i c a t i o n p r o g r e s s e s i nn o n d i s p l a y f i e l d s i n c l u d i n gl i q u i d c r y s t a l o p t i c a l s w i t c h e s ,s p e c i a l o p t i c a l f i e l dm o d u l a t i o n ,d e p o l a r i z e r ,t e r a h e r t zw a v e p l a t e s ,t h e m a n i p u l a t i o no f t h e c h o l e s t e r i c l i q u i d c r ys t a l h e l i c a l a x e s a n d s oo n ．K e y wo r d s :l i q u i d c r y s t a l s ;p h o t o a l i g n m e n t t e c h n o l o g y ;n o n d i s p l a y . All Rights Reserved.１㊀引㊀㊀言㊀㊀液晶是兼有液体和晶体两方面性质的独特的功能材料,广泛用于各类液晶显示器.液晶分子在电场作用下,会从初始排列结构转变到其它排列方式,伴随而来的是其光学特性的变化,这也是液晶显示的基础[１Ｇ２].液晶在显示屏里的有序排列,是通过液晶与基板界面上的预取向来实现的,液晶取向就是为了达到这一目的而发展起来的技术.传统的摩擦取向技术是１９１１年由莫根(M a u g i n)发明的[３].这种方法非常简单㊁方便且经济有效,所以产业界接受度很高[４].但是它也存在一些问题,例如这种接触式的方法摩擦之后会产生静电,造成薄膜晶体管的击穿;摩擦过程中还会有少数绒毛残留,影响液晶的取向效果,进而影响显示;只对平坦表面适用,对于形状不规则的或有结构的基板,利用摩擦方式进行配向则很困难;另外,随着加工基板尺寸增大,像素单元越来越小,在整个基板内获得完全均一取向的难度也越来越大.为了解决上述问题,近年来已有不少非接触式的取向方式被提出.其中,光取向技术因其独特的优势引起了广泛的关注[５].本文将综述一种基于偶氮材料S D１和动态缩微曝光系统的液晶光控取向技术,成功实现了液晶开关㊁退偏器㊁太赫兹波片等器件的制备㊁特殊光场的产生与调控㊁胆甾相液晶螺旋超结构的排列控制等,该系列研究大大拓宽了液晶在非显示领域的应用.２㊀液晶光控取向技术简介相对于传统的摩擦取向技术,如图１(a)所示,光控取向技术是近些年发展起来的一种非接触式的液晶取向方法,并逐步应用于工业生产之中,如i P h o n e６便是利用光控取向技术制备的液晶显示屏.所谓光控取向技术,其基本原理是利用光敏材料在紫外线偏光照射下发生定向光交联㊁异构化或光裂解反应进而诱导液晶分子定向排列[５Ｇ１０].这种光取向方法如图１(b)所示,首先在衬底上涂敷光敏分子材料,然后用紫外偏振光照射,取向膜上产生各向异性,进而通过分子间相互作用诱导液晶分子取向.本研究组使用的光控取向材料为一种磺酸盐类的偶氮染料S D１,其分子结构式如图２所示[８,１１].在吸收线偏振紫外光后发生光致异构化反应,由反式构象转变为顺式构象,顺式构象不稳定,会重新回到反式构象并伴随分子的转动;由于材料吸收的二向色性,S D１分子的长轴最终会倾向于与入射光的偏振方向垂直排列.这种有序性能够通过分子间相互作用传递给液晶分子,进而发挥取向作用.图１㊀两种取向方法示意图F i g．１㊀D i a g r a m s o f t w o a l i g n m e n tm e t h o ds图２㊀S D１分子结构式F i g．２㊀M o l e c u l a r s t r u c t u r e o f S D１对于均一取向,可以直接用均匀的线偏振紫外光对取向膜进行取向曝光.由于该取向剂具有光学可擦写性,所以同样适用于实现对液晶的图案化光取向.对于简单的二元取向情况,可采用掩模板进行二次取向曝光,但光刻掩模图样固定且制造成本也比较高.为了实现动态曝光取向,我们开发了一套基于数控微镜阵芯片(D i g i t a l m i c r oＧm i r r o r d e v i c e,D M D)的微缩投影式曝光系统[１２Ｇ１３],如图３所示.经过滤波在３２０~５００n m的准直光束光经过反射后照在D M D表面.计算机输出图形通过M E M S控制D M D各像素(单个微镜)呈现不同反转状态实现动态掩模.反射到光路里的携带有图形信息的光束经过电控偏振片被赋予特定的偏振态,再通过一个平场复消２１４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３２卷㊀. All Rights Reserved.色差的缩微物镜(１０ˑ,N A＝０．３,WD ＝３４mm )缩束后,投射至基板或者空液晶盒内侧表面的S D １涂层(预先赋予均匀配向或T N 配向),对曝光区域进行图形化配向改写.图中C C D 用于接收基板反射的图案,用来实时监控确定曝光平面.最后,对双基片组成的液晶盒灌入液晶,实现对液晶的选区取向.图３㊀D M D 曝光系统示意图[１３]F i g ．３㊀S c h e m a t i c o fD M Dl i t h o g r a p h y s ys t e m [１３]３㊀液晶光取向的非显示应用光控取向技术不仅可以避免摩擦取向带来的机械损伤㊁静电㊁杂质缺陷,还可以可实现微区多畴取向[７],并可用于对曲面或柔性基底的取向.这些使得光控取向技术在新兴的显示技术中获得青睐,同时在非显示领域也备受关注.下面就本研究组近期基于S D １光控取向技术以及D M D 动态掩模曝光系统在液晶非显示领域的研究进展做一个简要汇报.３．１㊀液晶光开关光开关是光网络中用以对光信号实现动态控制的关键元件.随着光交换和光互连技术的发展,光开关的应用领域越来越广,发挥的作用也越来越大[１４Ｇ１７].其中,液晶因其外场调协特性可以方便地对光进行开关.我们基于D M D 曝光系统进行光取向制备出二元向列相液晶光栅,其衍射级可以通过加电调控实现开关[１８Ｇ１９].为了提高开关的响应速度,我们引入双频液晶制备了一种快速响应的液晶光开关[２０].双频液晶具有在外加低频电场时材料的介电各向异性为正,高频电场时介电各向异性为负的特性.这样,在施加足够强度的电场下,通过改变电场频率,即可实现液晶分子指向矢排列的改变.通过施加２５V r m s 电压并在１kH z 和６５k H z 之间切换频率,可实现亚毫秒量级的开关响应.为了提高开关效率(衍射效率),我们利用多步重叠曝光制备了偏振光栅[２１].其结构特征是,x Ｇy 平面内在一个周期范围内液晶指向矢方向从０ʎ到１８０ʎ连续渐变.如图４(a )所示为液晶偏振光栅的显微图.对于线偏振光入射光,理论上可实现全部能量转换至一级衍射光斑,如图４(b )所示;改变入射光至圆偏振态,可实现只有其中一级衍射光斑的输出,其衍射效率可以达到９５％以上,如图４(c )和(d )所示.由于采用双频液晶,我们实现了一种制备简单㊁功耗低㊁高光能转换效率且快速响应的光开关.图４㊀双频液晶偏振光栅．(a )显微图,(b )线偏光在没有外加场下的衍射图;圆偏振入射光在(c )１k H z 和(d )６５k H z 下的电压效率曲线．F i g ．４㊀D F L C p o l a r i z a t i o n g r a t i n g ．(a )M i c r o g r a ph ,(b )D i f f r a c t i o n p a t t e r n w i t h o u ta p pl i e df i e l d f o r l i n e a r l yp o l a r i z e di n c i d e n tl i g h t ．V o l t a g e d e p e n d e n t e f f i c i e n c y c u r v e so fc i r c u l a r l yp o Ｇl a r i z e d i n c i d e n t l i g h ta t f r e q u e n c i e so f (c )１k H z a n d (d )６５k H z ,r e s p e c t i v e l y．３．２㊀涡旋光束产生器涡旋光束有着螺旋形的等相位面,每个光子载带m ћ的轨道角动量(O AM ).由于光束中心的位相奇点的情况只有在振幅为零时才能满足,故其呈现中心为暗场的环形光斑[２２].由于其特有的螺旋型相位分布带来的轨道角动量和环形光３１４第６期㊀㊀㊀㊀邹朋飞,等:光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展. All Rights Reserved.场分布等特性,使得涡旋光在诸如光镊㊁光子计算㊁微纳操控㊁天文观测㊁信息科学等领域具有十分重要的应用[２３Ｇ２６].图５㊀(a)电脑产生的m＝１叉形光栅全息图,(b)正交HA N型的液晶叉形光栅显微图,标尺为１００μm,对应的在(c)开态和(d)关态的衍射光斑．F i g．５㊀(a)C o m p u t e rＧg e n e r a t e dh o l o g r a m o faf o r kg r a t i n g w i t h m＝１．(b)M i c r o g r a p ho f a no rＧt h o g o n a lHA N L Cf o r k g r a t i n g．T h ec e l l i si n f i l t r a t e d w i t h L C E７a n dt h es c a l eb a ri s１００．C o r r e s p o n d i n g d i f f r a c t i o n p a t t e r n s a t(c)O Na n d(d)O F Fs t a t e．迄今为止,科研人员已经开发出模式转换[２７]㊁螺旋位相板[２８]㊁QＧp l a t e[２９Ｇ３０]㊁叉形光栅[３１]及特种集成器件[３２Ｇ３４]等一系列技术以产生涡旋光.上述方法中叉形光栅技术因其简便易行成为一种最常用的产生方法.所谓叉型光栅,实际上就是涡旋光和高斯光干涉的全息图,因此可通过高斯光照射叉形光栅来产生目标涡旋光束的衍射斑[３１].我们利用自主开发的D M D光控取向系统,采用两步曝光法将计算出的叉形光栅图案曝光到旋涂有S D１的液晶盒上,并灌入向列相液晶E７[１３].图５(a)和(b)分别是m＝１的叉形光栅的计算全息图和制备得到的液晶叉形光栅,(c)为用６７１n m激光器照射,液晶叉形光栅经加电调节后衍射效率达最大(３７％)开态时的衍射光斑, (d)为电压加到１０V以上后的衍射光,此时涡旋光束为关态.通过加电调节,此液晶叉形光栅不仅可以实现涡旋光束的开关态,亦可以对不同波长的入射光满足最佳衍射效率.此外,它还具有偏振无依赖和可重构等优势.该工作为制备低电压㊁低功耗㊁高效率㊁可电调㊁可光重构㊁偏振和波长不敏感的涡旋光束产生器提供了一种全新的途径.我们还通过类似制备方法,实现了达曼叉形光栅的制备,产生了等光强的涡旋光束阵列[３５].如图６所示,(a)和(b)分别为m＝１&１液晶达曼叉形光栅在偏振片为互相垂直和平行状态下的显微图,(c)和(d)为入射不同波长下的涡旋阵列光斑图.此种涡旋阵列有着近乎等能量的光强分布,可作为基于O AM复用的光通信技术中O AM的并行处理和探测[３６Ｇ３７].这类液晶达曼叉形光栅在O AM的产生㊁操控和检测等方面,都有着广阔的应用前景.图６㊀液晶达曼叉形光栅产生涡旋光束阵列．(a)(b)显微图;不同入射波长下的衍射光斑(c)６３２．８n m和(d)５３２n m;标尺长度代表１００μm;黄色箭头表示显微镜偏振态．F i g．６㊀M i c r o g r a p h s o ft h e L C D a mm a n n v o r t e xg r a t i n g w i t h(a),(b)m＝１&１．T h e r e lＧa t i v ed i r e c t i o n s o f t h e p o l a r i z e r a n d a n a l y z e ra r e l ab e l l e d i n y e l l o wa r r o w s．A l l sc a l eb a r sa r e１００μm．C o r r e s p o n d i n g d i f f r a c t i o n p a tＧt e r n s a t(c)６３２．８n ma n d(d)５３２n m．为进一步提高光能利用率,我们利用多步重叠曝光技术,实现了一级衍射效率接近１００％的偏振叉形光栅的制备[３８].图７(a)和(b)所示的分别是理论计算和实验测得的液晶指向矢分布.图７(c)和(d)分别是制备的m＝２和m＝１０的偏振液晶叉形光栅的显微图.如图７(e)所示,当线偏振光入射满足半波条件的液晶偏振叉形光栅时,４１４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３２卷㊀. All Rights Reserved.只有正负一级涡旋光;入射圆偏振时,只存在正或负(取决于入射光圆偏振态的旋性)一级涡旋光,此时实验测得的衍射效率高达９８．５％.图７㊀m＝２液晶偏振叉形光栅样品．(a)理论,(b)实验液晶指向矢分布,(c)显微图,(d)重构的m＝１０偏振叉形光栅显微图,(e)在半波条件下电压(左)和入射偏振角度(右)相关的衍射效率曲线[３８]．F i g．７㊀m＝２L C p o l a r i z a t i o nf o r k g r a t i n g s a m p l e．(a)T h e o r e t i c a l,(b)m e a s u r e dL Cd i r e c t o rd i s t r i b u t i o n,(c)m i c r o g r a p h,(d)M i c r o g r a p ho f a r e c o n f i g u r e dF P Gw i t h m＝１０,(e)D e p e n d e n c i e so f d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo n(l e f t)a p p l i e dv o l t a g e a n d(r i g h t)i n c i d e n tp o l a r i z a t i o na t h a l fＧw a v e c o n d i t i o n[３８]．本研究组还利用多步重叠曝光技术制备了可将高斯光１００％转化为涡旋光的液晶q波片[３９]. q波片可以将入射的圆偏振高斯光转变成相反旋性圆偏振且拓扑荷为m＝２q的涡旋光束,其传播方向保持不变.如图８所示,(a)为制备的q值分别为０．５,１,１．５,２的液晶波片显微图,对应(b)中产生拓扑荷m分别为１,２,３,４的涡旋光.因为光取向曝光系统的灵活性,我们可以根据需求,设计几乎任意液晶指向矢分布[３９],进而对光束波前进行点对点的操控,产生任意模式的涡旋光束.这在复杂的光力操控㊁光通讯模式复用等领域存在着独特的应用.图８㊀(a)不同液晶q波片的显微图．(b)对应产生的涡旋光光斑图．F i g．８㊀(a)M i c r o g r a p h so f d i f f e r e n tL C qＧp l a t e．(b)C o r r e s p o n d i n gg e n e r a t e do p t i c a l v o r t i c e s．３．３㊀矢量光束产生器矢量光束是一种具有偏振奇点的光束,它具有空间变化的偏振态分布,可用于高分辨成像和光操控等领域[４０Ｇ４３].我们基于多步重叠曝光制备出一系列液晶偏振转换器,用于实现任意矢量光束的产生[４４].这种偏振转换器可看作一种特殊的扭曲向列项液晶盒,其一面液晶指向矢均一分布,而另一面具有空间变化的取向,其中空间变化取向基于多步重叠曝光实现.如图９所示,入射光的偏振态平行于前基板的L C取向,在这种情况下出射光的偏振态取决于后基板的局域L C 的取向,因此可以生成图示的矢量光束,它们分别具有径向㊁螺旋和角向偏振分布.该技术也可以实现更复杂的矢量光束的生成.此外,这些液晶偏振转换器可以被用作进行矢量光取向曝光的偏振模板,一步曝光即可实现元件的复制.该技术不仅可以很便利地实现偏振转换器的批量生产,还可制备前述系列液晶光学５１４第６期㊀㊀㊀㊀邹朋飞,等:光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展. All Rights Reserved.元件,使得低成本㊁高效率㊁大批量的制备成为可能[４４].图９㊀偏振分布示意图(上)以及相应的矢量光束的强度分布(下)F i g．９㊀S c h e m a t i c p o l a r i z a t i o nd i s t r i b u t i o n s(t o p)a n dt h e c o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t a l(b o t t o m)i nＧt e n s i t y d i s t r i b u t i o n s３．４㊀艾里光束产生器艾里光束是另外一类引起关注的特殊光场,其无衍射㊁自加速和自愈的特性使其可用于空间高能武器㊁光学微操纵㊁微加工㊁生物观测等领域[４５].图１０㊀(a)立方位相模板,(b)偏振艾里模板光轴分布示意图,(c)液晶偏振艾里模板显微图F i g．１０㊀(a)C u b i c p h a s e p a t t e r n,(b)O p t i c a l a x e so r i e n t a t i o no f a p o l a r i z a t i o nA i r y m a s k,(c)M i c r o g r a p h o f t h e L C p o l a r i z a t i o n A i r ym a s k．图１０(a)为产生二维艾里光所需的立方位相模板,其相位范围为－１５π到＋１５π,并被折合至０~２π:黑色对应为０,白色对应为２π.本研究组据此设计出偏振艾里模板,如图１０(b)所示,在一个０~２π周期内光轴由０~１８０ʎ渐变,(c)图为通过多步重叠曝光取向制备的L C偏振艾里模板的显微图,其标尺为１００μm[４６].用６７１n m激光依次经过偏振片㊁四分之一波片㊁L C偏振艾里模板和透镜来实验观察艾里光的产生.图１１(a)~ (d)为C C D探测到的艾里光斑示意图,图中光斑下方的角度标示偏振片和四分之一波片快轴之间的夹角.如图１１(e)所示,通过改变角度,即改变入射光的偏振态,可实现能量在单双支艾里光间相互转换.如,当入射光为左旋或右旋圆偏振态时,只有单支的艾里光输出,对应的艾里光圆偏振态为右旋或左旋;当入射光为线偏振态时,可产生双支等能量的艾里光;当入射光为椭圆偏振态时,产生能量不同的双支艾里光.故可根据所需,调节入射光的偏振态,来获取不同能量分布的单双支艾里光.此外,此液晶偏振艾里模板的盒厚为４ ５μm,结合向列相液晶的参数,很好地满足了半波条件,这样避免了吸收性电极的使用,从而使样品的光学损伤阈值大幅增加.在我们的测试中,长时间用１０J/c m２级的脉冲激光照射后, (１０６４n m,１０n s,１H z)器件未观测到损伤.这就意味着我们所制备的液晶偏振艾里模板在光子弹和工业激光加工等强光应用方面有很好的前景.图１１㊀艾里光分布随入射光偏振态的变化．(a)右旋圆,(b)线,(c)椭圆,(d)左旋圆偏光照射下的光强分布,(e)艾里光的归一化强度随入射偏振态的变化曲线[４６]．F i g．１１㊀D e p e n d e n c y o fd i s t r i b u t i o no fA i r y b e a m so ni n c i d e n t p o l a r i z a t i o n．I n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n so fA i r y b e a m s i l l u m i n a t e d b y(a)r i g h t c i r c u l a r l y,(b)l i n e a r l y,(c)e l l i p t i c a l l y,(d)l e f tc i r c u l a r l y p o l a r i z ed l i g h t,re s p e c t i v e l y．(e)T h ed e p e n d e n c y o f n o r m a l i z e d i n t e n s i t y o n i n c i d e n tp o l a r i z a t i o n[４６]．６１４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３２卷㊀. All Rights Reserved.３．５㊀复合光场产生器将涡旋光和艾里光或矢量光相结合,即涡旋艾里光或涡旋矢量光[４７Ｇ４８].它们可带来多维度的应用,如多方位的微粒操控㊁更精确的生物显微观测㊁量子通讯的无损传输等等.目前国内外研究组大多通过空间光调制器(S L M)的引入来实现复合光场的产生,但受S L M限制的影响,需额外增加光学元件来匹配光源光斑尺寸,且产生的光斑质量较差,影响光斑传播行为的测量.本研究组利用已有的工作基础,很好地克服了上述缺点.如图１２所示,让６７１n m激光经过偏振片㊁四分之一波片和q波片产生出涡旋光,再经偏振艾里模板和透镜产生涡旋艾里光[４９].从光斑图上可以很清楚地看到,艾里光的主瓣被涡旋光所替代,形成了特殊的涡旋艾里光束.图１２㊀产生和测量涡旋艾里光的光路示意图．标尺为１００μm[４９]．F i g．１２㊀S c h e m a t i co p t i c a ls e t u p f o r g e n e r a t i n g a n dm e a s u r i n g t h e V A B s．T h e s c a l e b a r i s１００μm[４９]．我们对产生的涡旋艾里光的传播行为进行研究,发现此特殊光场中的光涡旋也具有艾里光的(类)无衍射㊁自愈和自加速的特性.图１３(a)和(b)分别为涡旋艾里光场和自由空间的涡旋光的光束轮廓随传播距离的变化示意图,(c)和(d)分别为两种情况下光强随传播距离的变化.对比可看出,前者光斑随传播距离的扩散情况得到了很好的抑制.在传播距离d＝０c m处放置一个探针破坏涡旋艾里光中的涡旋光斑,如图１３(e)所示.随着光场的传播,涡旋光斑形貌逐渐恢复,如图１３(f)~(g)所示.图１３(h)为(g)的像散转变图,验证了拓扑荷m＝１的涡旋光的恢复.此外,通过对不同传播距离处的涡旋艾里光进行探测其横向位移量,发现其仍然满足艾里光的横向自加速行为.图１３㊀(a)嵌入艾里光中的和(b)自由空间的涡旋光在传播距离为０c m,５c m,和１０c m处的光强轮廓．上述情况下的(c)归一化光强和(d)半峰宽随传播距离的变化．涡旋艾里光在破坏点(e)d＝０c m,以及传播距离(f)d＝６c m和(g)d＝１２c m处的光场分布图;(h)(g)的像散转变．图中标尺为５００μm．[４９]F i g．１３㊀I n t e n s i t yp r o f i l e so fO V s(a)n e s t e d i n A Ba n d(b)i n f r e e s p a c e r e c o r d e da t t h e p r o p aＧg a t i o nd i s t a n c e０c m,５c m,a n d１０c m,r eＧs p e c t i v e l y．T h e d e p e n d e n c i e s o f(c)n o r m a lＧi z e d i n t e n s i t y a n d(d)F WHM o np r o p a g a t i o nd i s t a n c e．I n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n sa t d e s t r o y i n g p o i n t(e)d＝０c m,a n dp r o p a g a t i o nd i s t a n c e s:(f)d＝６c m a n d(g)d＝１２c m;(h)a s t i g m a t i c t r a n s f o r m aＧt i o n p a t t e r n o f(g)．T h e s c a l e b a r f o r a l l i mＧa g e s i s５００μm[４９]．另一方面,将涡旋光入射到偏振转换器上,便可产生涡旋矢量光束.本研究组引入液晶聚合物(L C P),分别制备了不同q值的L C P q波片和四分之一波片,并根据设计进行叠加[５０],如图１４所示.图１４(a)为制备的q１＝１的L C P q波片的分子指向矢示意图㊁显微图和对应产生的涡旋光斑以及其像散转变图.此时,６３３n m的左旋圆偏高斯光被转换成拓扑荷m＝２q１＝２的右旋圆偏涡旋光.在此基础上叠加L C P四分之一波片,如图１４(b)所示,便可把涡旋光的偏振态由右旋圆偏振态转换成为线偏振态.再次叠加一个L C P q 波片,便可实现矢量涡旋光的产生,如图１４(c)所示,最右侧的q波片的参数为q２＝４,故最终得到的矢量涡旋光的偏振级数P＝２q２＝８,拓扑荷m＝２q１＝２.因为曝光系统可根据需要灵活设计不同结构,故可制备任意参数的q波片,继而产生任意偏振级数和拓扑荷的矢量涡旋光.此外,值得一提的是,L C P薄膜具有体积小㊁重量轻㊁制备７１４第６期㊀㊀㊀㊀邹朋飞,等:光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展. All Rights Reserved.工艺简单㊁可重复粘贴性等优势,故基于L C P 的集成光路系统更为简单高效,其成本得到显著降低.L C P 良好的柔性和延展性使得其能与任意曲面光学元件贴合,可用于各种光学成像和光束控制系统.图１４㊀(a )第一个q 波片,(b )叠加L C P 四分之一波片后,(c)叠加所有涉及的薄片后的示意图㊁显微图和输出光斑图.[５０]F i g ．１４㊀S c h e m e s ,m i c r o g r a p h s a n d o u t pu t b e a m p a t Ｇt e r n s o f :(a )f i r s t q Ｇpl a t e ,(b )a f t e r s t a c k i n g aL C PQW P ,(c )o v e r l a y i n g a l l d e Ｇs i r e d f i l m s ．T h e s c a l eb a r s a n dc o l o rb a r i n Ｇd i c a te ２００μm [５０]．３．６㊀液晶退偏器光的偏振会对光学器件和系统产生重要的影响,因此控制入射光的偏振非常关键的.例如光通信中光的偏振可能会引起偏振模式色散㊁偏振依赖的损耗或者增益以及偏振烧孔等损害[５１Ｇ５２].很多光探测器也都具有偏振敏感性,需要消除入射偏振对探测器灵敏度的影响,提高测量准确性[５３].退偏器可以用来解决上述问题.目前的退偏器要么体系复杂,要么需限定特定的入射光偏振角度,有些还需要加电调节,限制了其使用.本研究组利用光控取向技术制备出液晶退偏器,很好地克服了上述不足[５４].图１５为液晶退偏器的示意图,图中不同灰度表示相应区域液晶分子指向矢的不同方向.其原理为,将D M D 的１０２４p i x e l ˑ７６８p i x e l 的曝光区域分成２４ˑ１８个正方形微区,每次随机曝光其中的２４个微区,曝光１８次,并控制曝光偏振方向按１０ʎ间隔从０ʎ增加到１７０ʎ.同时结合向列相液晶的参数,优化液晶盒盒厚使得液晶退偏器满足半波条件.每个微区可视为快轴方向随机分布的半波片,因此对固定偏振方向入射的光源,不同微区随机改变偏振方向,以达到综合退偏的效果.图１５㊀液晶退偏器的示意图,不同灰度表明了不同的光轴取向．插图里描绘的是红色圆形区域的液晶分子的排列[５４]．F i g ．１５㊀I l l u s t r a t i o no f t h eL Cd e po l a r i z e r ．D i f f e r e n t d i r e c t i o n s o f o p t i c a x e s a r e i n d i c a t e db y di f Ｇf e r e n t g r a y s c a l e s ．T h e i n s e t d e pi c t s t h eL C o r i e n t a t i o n s i n t h e r e d c i r c l e [５４]．图１６所示为液晶退偏器的测试结果图.由图可知,我们制备的液晶退偏器不仅适用于单波长１５５０n m 的光源,而且对１５２０~１６１０n m 的宽波段光源亦适用.对０~３６０ʎ任意入射线偏振光,都可以很好地控制出射光的偏振度在５％以内.该类液晶退偏器制备简单㊁成本低廉㊁结构紧凑,退偏效果优于传统商业产品,有希望用于天文学仪器㊁激光加工㊁激光医学㊁光纤通讯等领域.图１６㊀在不同偏振态入射下测得的D O P 结果．蓝点表示A S E 光源的测试结果,红点表示的是１５５０n m 激光源[５４]F i g．１６㊀D O Pr e s u l t sa td i f f e r e n t i n c i d e n t p o l a r i z a t i o n ．B l u e d o t s s t a n d f o r t h eD O Pf o rA S Es o u r c e;r e dd o t ss t a n df o r t h o s eo f t h e１５５０n ml a Ｇs e r [５４]．３．７㊀特殊波段和特种液晶方面的拓展３．７．１㊀液晶太赫兹波片的实现近年来,太赫兹波引起广泛的关注,太赫兹波８１４㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３２卷㊀. All Rights Reserved.是指频率在０．１~１０T H z范围的电磁波,波长大概在０．０３~３m m范围,介于微波和红外之间的电磁波[５５].太赫兹的独特性能给通信㊁电子对抗㊁电磁武器㊁安全检查等领域带来了深远的影响[５６].本研究组将可见光和通讯波段成熟的光学器件设计制备技术拓展到了太赫兹波段,设计并实现了一种宽波段可调的太赫兹液晶波片[５７].如图１７所示,我们选取亚波长金属线栅同时作为高透过率电极和内置起偏器,多孔石墨烯作为无偏振依赖特性的透明电极,其透过率超过９８％.因为金属线栅电极和石墨烯电极都比较脆弱,我们选用非接触式的光控取向作为液晶配向技术很好地避免了对电极层的机械损伤.最后填充自行开发的在T H z频段具有低吸收损耗㊁大双折射率的液晶材料N J UＧL D nＧ４[５８].在２５０μm盒厚的情况下,通过控制施加电压,在２．１~２．５T H z可实现半波片功能,在１．１~２．５T H z之间可实现四分之一波片功能,并验证了其偏振调控特性,实现了液晶材料与T H z的完美结合,如图１８所示.图１７㊀T H z波片结构示意图及其透过率曲线．(a) T H z液晶波片示意图及其透过率随(b)频率和(c)偏振的变化[５７]．F i g．１７㊀S t r u c t u r eo fT H z w a v e p l a t ea n di t st r a n sＧm i t t a n c e c u r v e s．(a)L CT H zw a v e p l a t e a n di t s(b)f r e q u e n c yＧa n d(c)p o l a r i z a t i o nＧd eＧp e n d e n t t r a n s m i t t a n c e s[５７]．３．７．２㊀胆甾相液晶超结构的操控胆甾相液晶(C h o l e s t e r i cl i q u i d c r y s t a l s, C L C)因自身具有手性或有手性分子的掺入,而具有螺旋结构自组装能力[５９].因液晶具有光学各向异性,沿着螺旋轴方向折射率呈周期性变化.当螺旋轴在面内平躺时,在偏光显微镜下将呈现图１８㊀T H z液晶T H z波片的性质．(a)透过率偏振分析装置．(b)通过液晶盒的寻常和非寻常太赫兹波的电压依赖时谱图．(c)由(b)中不同操作电压曲线计算的频率依赖的位相延迟量．(d)在２．１T H z下的偏振演化:０V,线性偏振;６V,椭圆偏振;８．８V,圆偏振;２０V,椭圆偏振;５０V,线偏振[５７]．F i g．１８㊀P r o p e r t i e so fL C T H zw a v e p l a t e．(a)S c h eＧm a t i cs e tＧu p f o rt r a n s m i t t a n c e p o l a r i z a t i o na n a l y s i s．(b)V o l t a g eＧd e p e n d e n tt e m p o r a ls p e c t r ao fo r d i n a r y a n de x t r a o r d i n a r y T H zw a v e s t r a n s m i t t e d t h r o u g h t h e c e l l．(c)F r eＧq u e n c yＧd e p e n d e n t p h a s e r e t a r d a t i o nc a l c u l a t ed f r o mt h ec u r ve s p r e s e n t e d i n(b)f o r d i f f e r e n to p e r a t i ng v o l t a g e s．(d)P o l a r iＧz a t i o n e v o l u t i o n a t２．１T H z:l i n e a r l yp o l a r i z e da t０V,e l l i p t i c a l l yp o l a r i z e da t６V,c i r c u l a r l yp o l a r i z e da t８．８V,e l l i p t i c a l l yp o l a r i z e da t２０V a n dl i n e a r l yp o l a r i z e da t５０V[５７]．出经典的指纹织构(F i n g e r p r i n t t e x t u r e)[６０].基于C L C螺旋轴的面内取向控制可以制备衍射光栅[６１],在光束控制和光谱分析等领域具有广阔的应用前景[６２Ｇ６３].然而,这些面内螺旋超结构通常是通过绒布摩擦[６３]等机械方法进行取向控制,均匀性差㊁缺陷较多,也无法实现螺旋轴指向的任意操控,这大大限制了实际应用.而光取向作为一种非接触式的配向技术则完全可以避免上述缺点和限制,这为C L C面内螺旋超结构的精确甚至任意操控打开了一扇大门.本研究组利用光控图形化取向技术,具体为,选取制备q波片的曝光图案,利用上述D M D分步重叠曝光技术,实现了S D１连续渐变的复杂取９１４第６期㊀㊀㊀㊀邹朋飞,等:光控取向技术应用于液晶非显示领域的若干进展. All Rights Reserved.。
液晶电池中液晶分子取向行为的研究
液晶电池中液晶分子取向行为的研究液晶电池作为一种新型的显示器件，其运作原理和传统的液晶显示器有所不同，其中一个关键的因素就是液晶分子的取向行为。
因此，研究液晶分子在液晶电池中的取向行为具有重要的理论意义和实际应用价值。
液晶分子是一类具有长程有序结构的有机分子，其在空间中具有一定的向向性，即可以沿着一个方向排列，而沿另一个方向就无法排列。
液晶分子在液体中的排列方式受到许多因素的影响，例如分子间相互作用力、电场等。
在液晶电池中，电场是一个非常重要的因素，可以通过电场改变液晶分子的排列方式，从而实现不同的图像显示。
液晶电池中的液晶分子取向行为可以通过各种手段进行研究。
其中，观察液晶显示器的像素外观可以得到一些直观的结论。
例如，在液晶电池中，靠近电极的一侧的液晶分子取向会受到电场的影响，使得液晶分子沿着电场方向排列。
而在离电极较远的一侧，液晶分子则会倾向于垂直于电场方向排列。
这样的分子排列方式可以使得液晶电池显示出高对比度、高分辨率的图像。
另外，还有一些更加专业的手段可以用于研究液晶分子取向行为。
例如，可以使用偏振显微镜观察液晶分子的取向情况，并通过定量分析来研究电场对液晶分子的影响。
此外，也可以使用X射线衍射和核磁共振等手段来深入探究液晶分子的物理性质。
液晶电池中液晶分子取向行为的研究不仅具有基础研究的意义，还有着广泛的应用前景。
例如，液晶电池可以用于制造高分辨率的液晶显示器、光学通讯器件、液晶传感器等。
同时，液晶电池的制造技术也是一个关键的问题，需要不断进行研究和发展，以实现更加高效、节能的电池制造。
总之，液晶电池中液晶分子的取向行为是一个非常重要的问题，需要进行深入的研究。
通过多种手段对液晶分子的物理性质进行分析，可以更好地理解液晶电池的运作原理，并开发出更加高效的电池制造技术。
液晶的原理
液晶的原理
液晶的工作原理是利用液晶分子在电场作用下的定向排列来控制光的传播和穿透。
液晶分子具有两种排列状态：平行排列和垂直排列。
液晶是一种有机分子，具有长而细的形状，可以在液态和晶体之间转变。
液晶分子在没有电场的情况下，常常以杂乱无章的方式排列。
当液晶被放置在两个平行的透明电极之间时，电极会产生电场。
液晶分子会受到电场作用，逐渐朝向电场线的方向排列。
如果电场的作用足够强，液晶分子就会在电场的指引下垂直排列。
与此同时，液晶分子之间的电荷相互作用会抵消光的折射率差异，使得光线通过液晶时不会发生偏折，因此液晶在这种状态下是透明的。
当电场被关闭时，液晶分子又会恢复到原来的杂乱排列状态，此时液晶不再是透明的。
可见，液晶的光传播特性和透明度可以通过控制电场的强弱来实现。
这样的特性使得液晶可以应用于各种显示器件中，例如液晶显示屏、液晶电视等。
除了通过电场控制液晶分子的排列外，还可以通过温度、压力等其他因素来改变液晶分子的排列状态，实现不同的光学效果。
液晶的这种特性使得它在科学研究和工业应用中都具有重要的地位。
液晶分子的光学性质
液晶分子的光学性质液晶分子是一种特殊的分子，在光学领域中具有很重要的作用。
液晶分子的光学性质是指液晶分子在电磁波作用下所表现出来的性质。
在本文中，我们将详细讨论液晶分子的光学性质及其应用。
一、液晶分子的光学性质1. 偏振性质液晶分子在外界电磁波的作用下，会表现出偏振的特性。
液晶分子各向异性的特性表现为其在电场作用下会发生取向。
当电场取向与液晶分子取向方向一致时，液晶分子表现出明显的偏振特性。
因此，液晶分子是一种理想的偏振材料。
液晶分子的偏振性质可以通过偏振显微镜观察，其原理是将偏振镜垂直于样品放置，使得样品中的光只能在一条方向上通过。
这样可以观察到液晶分子的取向状态和颜色。
2. 旋光性质液晶分子还表现出旋光特性，即其对旋光光线的旋转角度。
这种旋转发生在所有液晶分子的手性结构中。
手性分子是指具有非中心对称性的分子，其镜面对称性破缺。
由于手性分子旋光特性的存在，液晶分子在旋光光线作用下也会表现出旋光性质。
液晶分子的旋光性质可以用旋光仪测量。
旋光仪是一种测量液体旋光性质的仪器，通过测量电光旋转角度来估算溶液中溶质浓度。
3. 反射率和透过率液晶分子也会表现出反射率和透过率的特性，这种特性源于其各向异性结构。
反射率是指光线从一种介质射向另一种介质时，在界面上发生反射的比率。
液晶分子的反射率与其在不同取向下的光学性质有关。
透过率是指光线穿过一种介质的能力，液晶分子的透过率也与其各向异性结构有关。
液晶分子在电磁波作用下会呈现出透过和阻挡光线的效果。
二、液晶分子的应用液晶分子的光学性质使得其在很多领域中得到广泛应用。
1. 液晶显示技术液晶显示技术是目前主流的显示技术之一，其核心是液晶分子的偏振性质。
液晶显示器内部的液晶分子可以通过电场的作用来加强或阻挡透过的光线，从而实现像素点的开关。
2. 光学传感器液晶分子的各向异性性质也使得其在光学传感器领域中被广泛应用。
液晶分子的旋光性质可以被用来检测化学反应中的手性分子，也可用于检测物体是否发生旋转等。
液晶显示器中的液晶分子取向研究
液晶显示器中的液晶分子取向研究液晶显示器已经成为我们生活中不可或缺的一部分，它们普遍应用于电视、手机和电脑等方面。
液晶显示器的设计和制造已经成为一个非常成熟的技术，但是液晶分子在其中的取向研究却仍然是一个很有价值的领域。
液晶分子取向的探索不仅可以提高显示器的性能，还有助于我们理解液晶分子的行为与特性。
什么是液晶分子？液晶分子是一种介于固体和液体之间的物质，它们与固体相同，拥有有序的结构，但又类似于液体，具有流动的特性。
液晶分子的行为在很大程度上由其形状和化学性质所决定，这使得它们可以被广泛地应用于生物医学、光电和材料科学等领域。
在液晶显示器中，液晶分子作为一种扭曲和电光活性的材料被广泛地使用。
液晶分子的取向问题液晶分子的取向是液晶显示器中的一个重要问题，我们需要设计出一种合适的液晶分子排列方式，使其可以在外加电场或光场的作用下呈现出所需的像素和颜色。
液晶分子取向的不同方式可以导致不同的电光效应，这将直接影响到显示器的性能与质量。
因此，液晶分子取向研究成为了液晶显示器技术中的重要研究方向之一。
传统的液晶分子取向研究在过去的几十年中，研究人员已经开发出了多种液晶分子排列方法，这些方法使得液晶显示器可以实现高分辨率和高质量的显示。
最典型的液晶分子排列方式是平行和垂直排列，这些排列方式已经被广泛地应用于现代的液晶显示器中。
然而，这些传统的液晶分子排列方式存在一些局限性，例如，在高温环境下，平行和垂直排列可能会发生颠倒，从而导致像素失去定向性和反色现象的出现。
因此，研究人员需要寻找一种更为可靠的排列方式。
最新液晶分子取向研究随着科技的不断发展，研究人员已经开展了多项探索液晶分子取向的新方法。
一种新型的液晶分子排列方式是螺旋排列，其中，液晶分子被排列成一种螺旋形状，这种排列方式可以使得分子之间形成较强的相互作用力，从而使得液晶分子的取向更加稳定。
研究人员还尝试了一些新型的液晶分子，例如具有酸碱反应特性的液晶分子，这些新型液晶分子可以在电场、光场等外界环境的刺激下产生不同的颜色和亮度变化。
液晶的工作原理
液晶的工作原理
液晶（Liquid Crystal Display，LCD）的工作原理是基于液晶
分子的光学特性。
液晶是一种介于液体和固体之间的物质，其分子结构具有长程有序的特点。
液晶显示器通常由两片玻璃基板之间夹着的液晶分子层组成。
液晶分子在没有外界电场作用时，呈现高度有序排列，形成了规则的方向。
这种状态称为“平行排列”。
当在液晶层上加上电场时，液晶分子会发生变化，从平行排列变为垂直排列。
这是因为电场影响了液晶分子的取向。
液晶分子在电场作用下会旋转，使液晶层变为“垂直排列”。
液晶分子的取向变化会引起光的偏振方向的改变。
液晶层内的偏振光经过液晶分子的旋转后，可以通过另一片偏振器。
这样，电场作用下的液晶分子可以控制透过液晶层的光的强度和偏振方向。
液晶显示器中的液晶分子层通常与像素组成的液晶单元对应。
当液晶单元受到电信号的控制时，液晶分子的取向会发生变化，从而调节通过液晶单元的光的传递。
通过对每个液晶单元的控制，可以形成各种颜色和亮度的图像。
液晶显示器的工作原理可以总结为：
1. 通过电场作用，控制液晶分子的取向。
2. 通过液晶分子的取向变化，调节光线通过液晶层的透过程度
和偏振方向。
3. 通过对每个液晶单元的控制，形成图像显示。
液晶光控取向材料及其应用[发明专利]
![液晶光控取向材料及其应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/319eca03172ded630a1cb647.png)
专利名称：液晶光控取向材料及其应用专利类型：发明专利
发明人：谷新,柳在健
申请号：CN201110137375.9
申请日：20110525
公开号：CN102643654A
公开日：
20120822
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种液晶光控取向材料及其应用。
所述液晶光控取向材料具有R-M-R的通式，其中，R表示电活性单元；M表示单键或氧基、烷基、烷氧基；R表示光敏单元。
本发明的液晶光控取向材料由于同时含有电活性单元和光敏单元，所以能够通过电化学沉积方法制备液晶光控取向薄膜。
该制备方法无需进行摩擦，从而避免了摩擦对取向材料带来的不良影响，减少了工艺时间和成本。
并且制备得到的液晶光控取向薄膜稳定性及取向效果良好。
申请人：京东方科技集团股份有限公司
地址：100015 北京市朝阳区酒仙桥路10号
国籍：CN
代理机构：北京同达信恒知识产权代理有限公司
代理人：李中奎
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液晶实验中的分子过程与电场调控技巧
液晶实验中的分子过程与电场调控技巧导言：现代科技的快速发展，让我们身边的产品和科学研究越来越离不开液晶材料。
液晶是一种特殊的物质，由于其分子排列的有序性和可调控性，在显示技术、光学器件以及生物医学领域都得到了广泛应用。
本文将带您一起探索液晶实验中的分子过程和电场调控技巧。
一、液晶的分子过程液晶是一种介于液体和固体之间的物质状态。
液晶分子在不同的温度和压力下呈现出不同的排列形态，其中最常见的液晶相态包括向列型和扭曲向列型。
液晶分子的排列状态决定了光的透过性和色彩的变化。
液晶材料中的分子过程主要由分子拓扑结构和分子之间的相互作用力所决定。
在正常状态下，液晶分子呈现出有序的排列形态，可以形成一种有机整齐的平行层状结构。
当受到温度或外界电场的影响时，液晶分子的有序性会发生改变，从而引起液晶材料的相变。
二、电场调控液晶的技巧1. 电场对液晶分子排列的调控电场是一种常用的调控液晶分子排列的手段。
通过在液晶材料周围施加电场，可以改变液晶分子的排列方向和结构。
一种常见的技术是电场效应液晶（Electro-optic Liquid Crystal），即利用电场来改变液晶分子的排列，从而实现液晶器件的功能性调控。
在电场效应液晶中，电场作用在液晶分子上会改变其取向，进而改变透光率和光学性能。
2. 电场对液晶相变的影响除了调控液晶分子的排列方式外，电场还可以影响液晶的相变行为。
在一定强度的电场作用下，液晶相变可以被加速或抑制。
例如，在某些液晶电视中，可以通过调控电场的强弱和方向来实现液晶的快速相变，从而实现图像的刷新和显示。
这种技术被广泛应用于显示器和其他光电器件中。
3. 电场调控液晶中的纳米颗粒最近的研究发现，通过在液晶材料中引入纳米颗粒，并利用电场来调控颗粒的自组织行为，可以实现液晶分子的高度有序排列，并展现出极好的光学性能。
这种技术在柔性显示和新型光电器件领域具有广阔的应用前景。
通过微观调控和精准控制电场的强度和方向，可以实现液晶分子和纳米颗粒的组装，从而实现更高效的能量转换和信息传输。