新型聚合物网络稳定液晶光栅的制备
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而且还可以用 来 制 作 各 种 新 型 的 光 学 器 件 ! 如聚
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等 & 本文采 用 ] 利用紫外光引发光 ; U 2 % 技 术! 聚合诱导相分 离 ! 通过光掩模法控制聚合物在液 晶中的分布来制备液晶光栅 & 这种光栅制作 工 艺 简单 ! 衍射效率具有电场可调性 % 由于聚合物 含 量 少! 因此驱动电 压 低 ! 在 衍 射 光 学’ 光开关等许多 领域具有潜在的应用前景 &
图 #! 光栅的衍射光强与驱动电压的关系 X ’ = #! H ) 0 / 6 ’ , ( * & ’ ) 6 b ) ) (4 ’ 1 1 . / G 6 ’ , (’ ( 6 ) ( * ’ 6 ( 4 E 8F 5/ 4 . ’ Y )Y , 0 6 / ) E
$! 结 !! 论
聚合物网络稳定液晶光栅是聚合物网络织构 周期性的分布在液晶基质中形成的 # 其聚合物网 络的致密程度 随 着 光 照 时 间 的 增 加 而 变 化 ! 网络 内的液晶微 滴 大 小 也 发 生 变 化 # 在 电 场 作 用 下 ! 液晶区和聚合物网络区的液晶分子沿电场排列的 先后顺序不同 ! 实现了衍射效率先增加后减小的 调制作用 # 该光栅制作方法简单 ! 驱动电压低 ! 在 光通讯 ’ 衍射光学 ’ 光开关等领域有广泛的应用前 景#
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第!期
宋!静! 等" 新型聚合物网络稳定液晶光栅的制备
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图 $! 样品在不同电场作用下的衍射图片 #$ % % % / "9&$ F $9&$ G ! "9# % $ % $ % X ’ = $!7 ’ 1 1 . / G 6 ’ , (8 / 6 6 ) . ( *, 1 * / D 0 )/ 64 ’ 1 1 ) . ) ( 6 ) 0 ) G 6 . ’ G 1 ’ ) 0 4 =$ / "9& F $9& G ! "9= E 8
图 >! 聚合物网络稳定液晶光栅的制备示意图 X ’ = >!X / F . ’ G / 6 ’ , (, 1] ; U 2 %E . / 6 ’ ( E E
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液 !! 晶 !! 与 !! 显 !! 示
第! "卷
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光照后形成的 网 络 织 构 照 片 # 由 图 ! 可 以 看 出 ! 随着光照时间 的 增 加 ! 聚合物形成的网络密度增 大! 在聚合物中的液晶的微滴逐渐变小 ! 当时间到 达一定程度后 ! 液晶中的单体聚合反应完全 ! 聚合
K& 网络的形貌 就 不 再 发 生 变 化 # 根 据 文 献 报 道 % !
用于聚合物 ! 液晶电光器件研究的复合 物 体 系主 要 分 为 聚 合 物 分 散 液 晶 " , 0 D ) . @ 4 ’ * ) . * ) 4 8 5 8 ! 简称 ] 和聚合物网络液晶 0 ’ ’ 4G . * 6 / 0 7 2 % 膜# 3 5 " ! 简称 , 0 D ) .( ) 6 b , . N* 6 / F ’ 0 ’ \ ) 40 ’ ’ 4G . * 6 / 0 8 5 3 5 & 前者聚合物含量 一 般 在 I 液 ] ; U 2 %# " L 以 上! 晶以微滴形式 分 散 在 连 续 的 聚 合 物 介 质 中 % 后者 聚合物含量在 > 液 晶 为 连 续 相! 少量的 " L 以 下! 聚合物织构分布在液晶 & 其中使用网络稳定 液 晶
I! 结果与讨论
聚合物网络稳定液晶光栅是由可发生紫 外 光 聚合反应的单 体 以 低 浓 度 溶 解 在 液 晶 中 ! 经周期 性分布的紫外 光 作 用 ! 发生光化学反应引发相分 离而形成的 ! 预聚物单体在光照后以周期性的聚 合物网络织构分布在液晶基质中 # 本实验首先考虑了光照时间对聚合物网 络 织 构形成的影响 # 图 ! 为在 > "D ’ ($ ! "D ’ ($ $ "D ’ (
在外加电场的作用下 !由于在液晶区和聚 合 物 网 络内的液晶微 滴 大 小 不 同 ! 大液晶微滴中的液晶 分子将率先沿电场方向排列 ! 驱动电压较低 ’ 小液 晶微滴中的液晶由于受聚合物网络的锚定作用影 响! 驱动电压较高 #
图 !! 不同光照时间的聚合物网络的偏光显微照片 #( ) ’ ( ) ’ ( ) # / > "D ’ ( F ! "D ’ ( G $ "D ’ ( X ’ = !!U 6 . G 6 . ) *, 18 , 0 D ) .( ) 6 b , . N *, F * ) . Y ) 4F , 0 / . ’ \ ’ ( ’ G . , * G , )/ 64 ’ 1 1 ) . ) ( 6 ) d , * ) 46 ’ D ) = E 5 58 ED 8 8 ( ) ’( ) ’( ) / > "D ’ ( F ! "D ’ ( G $ "D ’ ( =
摘 ! 要 !将具有光敏特性的预聚物 与 向 列 相 液 晶 按 一 定 比 例 混 合 ! 注 入 液 晶 盒! 以紫外灯为 光源 ! 通过光掩模法使混合物在紫外光的引发下产生相分离 ! 形成聚合物网络稳 定 液 晶 光 栅 & 采用光学显微镜和 f 结果表明该光 栅 获 得 了 周 期 性 的 栅 结 构 ! 且衍射 ) @ ; )激光器进行测试 ! 效率具有电场调谐性 & 关 ! 键 ! 词 !聚合物网络稳定液晶 % 光栅 % 相分离 % 光化学反应 中图分类号 ! J ? # I= !% V ] ! > >= B!!! 文献标识码 !<
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液!晶!与!显!示
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; U 2 % 光栅 !! 图 I 给出了利 用 掩 模 板 获 得 的 ] 在电场作用下的偏光显微镜照片 # 从图中可 以 看 出! 随着驱动电压的增加 ! 液晶区的分子在低 电 场 下发生转动 ( 图I ( ) ) ’ 聚合 物 网 络 则 在 较 高 电 压 F 下才被驱动 ( 图I ( ) ) # G 利用 f ) @ ; )激 光 器 观 测 在 不 同 电 压 下 的 衍 射级次 ! 如图 $ 所 示 # 可 以 看 到 ! 在 不 加 电 压 时! 样品具有 多 个 衍 射 级 次 ! 当 给 样 品 施 加$9电 压 时! 光栅衍射图样发生变化 !衍射级次有所增加 !
指向矢开始沿 着 电 场 的 方 向 排 列 ! 而聚合物网络 区的液晶微滴比较小 !受到 聚 合 物 网 络 的 锚 定 作 用较强 ! 在低电压下未能沿电场方向排列 ! 液晶区 域与聚合物网络区域的折射率差值增大而使 光 栅 的衍射效率增加 # 当 外 加 电 场 超 过 ? 9 时 ! 随着 驱动电压进一 步 增 加 ! 样品中的所有液晶分子倾 向于完全沿电场方向排列 !由于所选用液晶的寻
参!考!文!献!
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常折射率 % 光 , 与聚合物的折射率% 8 互 相 匹 配! 栅作用减弱 ! 因 此 衍 射 效 率 出 现 降 低 的 现 象# 施 加电压的增加 ! 使折射率调制方式开始发生作用 ! 实现了浮雕型 光 栅 向 折 射 率 调 制 型 光 栅 的 转 变 # 由于施加电场 大 小 的 不 同 ! 不同区域液晶分子驱 动的先后顺序 不 同 ! 使液晶区和聚合物网络区的 折射率差值产 生 不 同 ! 衍射特性出现先增加后减 小的变化 # 如果 选 择 适 宜 的 液 晶 和 聚 合 物 ! 优化 实验的制备条件 ! 光栅的调节范围变大 ! 可以使器 件得到更广泛的应用 #
图 I!] ) ( ) ( ) ; U 2 % 光栅在电场作用下的偏光显微镜照片 # 驱动电压为 ( / "9’ F A9’ G > "9# X ’ = I! Z ’ D / ) *, 1] ; U 2 %E . / 6 ’ ( *, F * ) . Y ) 4F , 0 / . ’ \ ’ ( ’ G . , * G , )/ 64 ’ 1 1 ) . ) ( 6 ) 0 ) G 6 . ’ G 1 ’ ) 0 4 = E E E 58 ED 8 ( ) ) ) / "9’( F A 9’( G > "9 =
>! 引 !! 言
液晶是一种具有光学各向异性和介电各 向 异 性的材料 ! 在电 ’ 磁 等 外 场 的 作 用 下! 对入射光具 有调制作用 ! 因此它被广泛应用到显示器件和光 栅器件的制作当中 &
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!! 实验部分
样品由预聚物单体 " 质量分数为 # L # 和向列 相液晶 C ? "" % # I I!( %P"= > A ?!C= T ) . G N , P>= 公司提供 ! 质量分数为 K 组成 ! 另外添加了占 # L# 二者总量的质量分数分别为 "= " # L’ > L 的光敏 剂H M 和的 共 引 发 剂 ; ] ‘& 在 避 光 条 件 下 混 合 后加热搅拌 均 匀 ! 注 入 液 晶 盒 中&液 晶 盒 的 内 表 面镀有 Z 盒 厚 控 制 为 $’ V J 电 极! D& 在 液 晶 盒 的上表面贴一栅状掩模板 ! 如图 > 所示 ! 用紫外光 照射样品 ! 使混 合 物 中 的 预 聚 物 在 被 光 照 射 处 发 生光聚合反应 生 成 高 分 子 并 与 液 晶 产 生 相 分 离 & 其中掩模板的缝宽为 # "’ D!缝与缝之间距离为
新型聚合物网络稳定液晶光栅的制备
! ! 宋 ! 静>! !马 ! 骥>! !刘永刚>!宣 ! 丽> " 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室 ! >= 吉林 长春 !> $ I " " I I! C @ D / ’ 0 * , ( ’ ( > ! " !!* ’ ( / = G , D% E c E !=中国科学院 研究生院 !北京 !> " " " I K#
当电压继续升高至 ?9 时 ! 衍射级次开始减少 # 利用光探测器测量光栅器件衍射光强与驱动 电压的关系 ! 如 图 # 所 示#从 图 中 可 以 观 测 到 光 栅衍射效率先 增 加 后 降 低 的 现 象 ! 本文对此现象 产生的机理进行了如下的探讨 * 在未施加电压时 ! 液晶基质中存 在 浮 雕 形 式 的 聚 合 物 织 构 ! 此时样 品为浮雕调制 型 光 栅 ! 聚合物织构在液晶中周期 性排列 !入射光经过样品时发生衍 射 # 当 给 样 品 施加一定的电场 ( 时 !液晶区的液晶分子 "#?9)
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图 #! 光栅的衍射光强与驱动电压的关系 X ’ = #! H ) 0 / 6 ’ , ( * & ’ ) 6 b ) ) (4 ’ 1 1 . / G 6 ’ , (’ ( 6 ) ( * ’ 6 ( 4 E 8F 5/ 4 . ’ Y )Y , 0 6 / ) E
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聚合物网络稳定液晶光栅是聚合物网络织构 周期性的分布在液晶基质中形成的 # 其聚合物网 络的致密程度 随 着 光 照 时 间 的 增 加 而 变 化 ! 网络 内的液晶微 滴 大 小 也 发 生 变 化 # 在 电 场 作 用 下 ! 液晶区和聚合物网络区的液晶分子沿电场排列的 先后顺序不同 ! 实现了衍射效率先增加后减小的 调制作用 # 该光栅制作方法简单 ! 驱动电压低 ! 在 光通讯 ’ 衍射光学 ’ 光开关等领域有广泛的应用前 景#
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I! 结果与讨论
聚合物网络稳定液晶光栅是由可发生紫 外 光 聚合反应的单 体 以 低 浓 度 溶 解 在 液 晶 中 ! 经周期 性分布的紫外 光 作 用 ! 发生光化学反应引发相分 离而形成的 ! 预聚物单体在光照后以周期性的聚 合物网络织构分布在液晶基质中 # 本实验首先考虑了光照时间对聚合物网 络 织 构形成的影响 # 图 ! 为在 > "D ’ ($ ! "D ’ ($ $ "D ’ (
在外加电场的作用下 !由于在液晶区和聚 合 物 网 络内的液晶微 滴 大 小 不 同 ! 大液晶微滴中的液晶 分子将率先沿电场方向排列 ! 驱动电压较低 ’ 小液 晶微滴中的液晶由于受聚合物网络的锚定作用影 响! 驱动电压较高 #
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指向矢开始沿 着 电 场 的 方 向 排 列 ! 而聚合物网络 区的液晶微滴比较小 !受到 聚 合 物 网 络 的 锚 定 作 用较强 ! 在低电压下未能沿电场方向排列 ! 液晶区 域与聚合物网络区域的折射率差值增大而使 光 栅 的衍射效率增加 # 当 外 加 电 场 超 过 ? 9 时 ! 随着 驱动电压进一 步 增 加 ! 样品中的所有液晶分子倾 向于完全沿电场方向排列 !由于所选用液晶的寻
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当电压继续升高至 ?9 时 ! 衍射级次开始减少 # 利用光探测器测量光栅器件衍射光强与驱动 电压的关系 ! 如 图 # 所 示#从 图 中 可 以 观 测 到 光 栅衍射效率先 增 加 后 降 低 的 现 象 ! 本文对此现象 产生的机理进行了如下的探讨 * 在未施加电压时 ! 液晶基质中存 在 浮 雕 形 式 的 聚 合 物 织 构 ! 此时样 品为浮雕调制 型 光 栅 ! 聚合物织构在液晶中周期 性排列 !入射光经过样品时发生衍 射 # 当 给 样 品 施加一定的电场 ( 时 !液晶区的液晶分子 "#?9)