CN100390584C - 基于液晶的温度调控负折射器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于液晶的负折射器件的温度调控光频负折射器件。该器件由起偏器、液晶及光学玻璃组成。首先通过线性偏振紫外光照射的光控取向方法对光学玻璃表面进行液晶预倾角处理，将上述处理过的光学玻璃的取向表面相对，形成具有5μm～200μm间距的双平板结构，在双平板结构内加入液晶，同时实现一定预倾角。在光学玻璃的上表面固定一个起偏器，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内。其主要特点是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，利用液晶分子双折射率随温度的可调节特性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。

Description

基于液晶的温度调控负折射器件

技术领域

本发明涉及一种基于液晶的负折射器件，特别涉及一种温度调控光频负折射器件。

背景技术

近年来，随着人工周期材料，如左手材料(left-handed metamaterials)和光子晶体(photonic crystals)研究的升温，负折射现象也受到了人们的广泛关注。负折射是一种有悖于人们以往光学常识的物理现象。理论预言负折射在光学和信息科学技术领域具有很大的应用前景，如突破衍射极限成像等，有望能为信息科学技术领域带来新的技术革命。

目前，负折射现象主要是通过上述人工周期材料实现。然而，受人工周期材料物理性质和加工手段的制约，采用该方式来实现负折射具有以下缺点：首先，工作波段基本上集中于微波波段并且响应频宽较窄；其次，材料一经制得其负折射行为就不可调控。另外，红外和可见光波段的负折射效应在无线电通讯、信息技术等领域具有更光明的应用前景。因此，利用人工周期材料实现负折射很大程度上制约了其应用和发展。

液晶是一种奇特且已被入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、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不同温度下敏感的光学响应行为，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温度调控负折射器件。该器件由起偏器、液晶、控温装置及光学玻璃组成，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。利用温度对液晶双折射率的调节特性来实现负折射的可调控性。

首先对光学玻璃表面进行液晶预倾角处理，用含有肉桂酸、香豆素以及其衍生物基团的高分子以及光敏聚酞胺酸等材料，通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向(简称“光控取向”)的方法对光学玻璃进行表面处理，得到表面预倾角处理的光学玻璃片，将处理过的光学玻璃的取向表面相对，粘合成间距Lμm间距的双平板结构，在双平板结构中加入液晶，并在上方的光学玻璃上面固定一个起偏器，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内。

所述对光学玻璃表面进行液晶预倾角处理的预倾角为0～90°。

所述对光学玻璃进行表面处理的光控取向方法能够通过调节入射光角度来实现控制表面的预倾角大小，并且是一种非接触性的取向方法，故可以避免静电产生及灰尘污染。除采用以上方法外，还可采用SiOx薄膜的斜向蒸镀法、聚酰亚胺LB膜取向法等对光学玻璃进行液晶分子预倾角处理。

本发明的有益效果是利用液晶分子取向参量随温度的可调节特性，即双折射率随温度的可调节特性来实现负折射的可调控性。在80℃～160℃的温度范围内，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-5.8°，能对入射角小于8.4°的光波实现可调控负折射。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为基于液晶的温度调控负折射器件。

图2为电场振动方向位于主截面内的线偏振光入射到光学玻璃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为正单轴向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)的负折射随温度的调控曲线。

图4为正单轴向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)的最大负折射角以及发生负折射的最大入射角随温度的变化关系曲线。

具体实施方式

本发明提供一种基于液晶的温度调控负折射器件。在图1所示的基于液晶的温度调控负折射器件的结构示意图中，该器件由起偏器1、液晶3及上、下两块光学玻璃板2和4、环围光学玻璃5、控温装置6组成。首先通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向(简称“光控取向”)的方法，对光学玻璃2和4的导电表面进行液晶预倾角处理。具体地，将光敏聚酰亚胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配成1％的溶液，旋转涂覆在光学玻璃导电表面上；将上述涂有光敏聚酰亚胺的光学玻璃在150℃，烘烤5小时，然后在偏振紫外光下垂直照射25分钟，得到表面取向处理光学玻璃板2和4，将两片表面取向处理过的光学玻璃板按照表面取向面相对平行粘合成间距L为5μm~200μm间距的上光学玻璃板2和下光学玻璃板4的双平板结构，其间放置环围光学玻璃5，在双平板结构中注入液晶3，并在上光学玻璃2的上面固定一个起偏器1，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内。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；同时该器件的核心是液晶的双折射率随温度变化而变化，从而其负折射行为受到温度调控。具体地，将上述液晶装置放置在控温装置6中，通过调节控温装置6的温度，调节液晶双折射率从而实现负折射的可调控性。

本发明是按照如下技术方案实现的：

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S₃和入射光S₁可能位于界面法线的同侧的折射光即折射光S₂，即发生负折射现象。液晶3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，从而可通过改变温度来调节其光学性质，进而实现负折射的温度可调控特性。

考虑如图2所示情形，入射光S₁经起偏器1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OA(即光轴)与界面T成∠TOA＝γ，于是，e光相速度及群速度方向与界面夹角分别为∠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：

n₁ sinθ₁＝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OA与界面T成一定角度γ时，入射光S₁的折射光S₃可能会与入射光S₁位于界面法线的同侧即折射光S₂，即发生负折射现象。

对于向列型液晶，其o光(寻常光)和e光(非常光)折射率与分子极化各向异性以及取向矢参量S的关系为：

$\frac{n_e^2-n_o^2}{n^2+2}=\frac{\mathrm{\ρ}\·N_A\·({\mathrm{\α}}_l-{\mathrm{\α}}_t)\·S}{{3\mathrm{M\ϵ}}_0}\·\·\·\left(4\right)$

上式中 $n^2=(n_e^2+{2n}_o^2)/3,$ ρ为液晶密度，N_A为Avogadro常数，S为取向矢参量，M分子质量，ε₀为真空介电常数，α_l和α_t分别为分纵向和横向的极化率。

由(4)式可知，液晶双折射率的大小随取向矢参量S以及液晶密度ρ的减小而减小。另外，由于取向矢参量S和密度ρ均随温度的升高而减小，而o光折射率在不同温度下基本保持恒定，故e光折射率随温度的升高将减小，从而负折射效应随温度升高单调减小，实现了温度对负折射的调控。

因此，首先对光学玻璃表面进行液晶预倾角处理。用含有肉桂酸、香豆素以及其衍生物基团的高分子以及光敏聚酞胺酸等材料，通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向(简称“光控取向”)的方法对光学玻璃表面进行处理，从而在加入液晶时实现一定预倾角。该方法能够通过调节入射光角度来实现控制表面的预倾角大小，并且是一种非接触性的取向方法，故可以避免静电产生及灰尘污染。除采用以上方法外，还可采用SiOx薄膜的斜向蒸镀法、聚酰亚胺LB膜取向法等对光学玻璃进行液晶分子预倾角处理。

将上述处理过的光学玻璃的取向表面相对，形成具有5μm~200μm间距的双平板结构。在光学玻璃的上表面固定一个起偏器，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内。

接下来将向列型液晶注入上述光学玻璃构成的双平板结构。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。由于光学玻璃表面的预倾角取向作用，此时极板间液晶分子沿预倾角方向排列，因此液晶光轴与光学玻璃之间所成的角度等于预倾角的大小。

将上述固定有起偏器并注入向列型液晶的双平板结构放置到控温装置之中。该控温装置须满足以下条件：首先，其控温精度应达到±0.1℃；其次，该控温装置应留有入射光和出射光通道。

使光波经起偏器入射至光学玻璃与液晶的界面，通过调节控温装置实现温度变化从而改变液晶的双折射率，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：

通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向方法对光学玻璃板2和4的导电表面进行液晶预倾角处理。具体地，将光敏聚酰亚胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配成1％的溶液，旋转涂覆在光学玻璃导电表面上；将上述涂有光敏聚酰亚胺的光学玻璃在150℃，烘烤5小时，然后在偏振紫外光下垂直照射25分钟，得到有30°的预倾角的光学玻璃板2和4。将上述光学玻璃取向表面相对，粘合成间距50μm的双平板结构，环围光学玻璃放置在双平板结构之间。在光学玻璃的上表面固定一个起偏器，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内。

向两光学玻璃间注入单轴向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)，其o光(寻常光)和e光(非常光)的折射率随温度的变化关系为：

经起偏器并以5°角入射的光波，光线折射角随温度的变化关系曲线如图3所示。可以看出，在80℃～160℃的温度范围内，可得到连续可调的负折射，且其负折射角度绝对值随温度升高而减小。图4给出了最大的负折射角和发生负折射时的最大入射角随温度的变化关系曲线。可以看出在80℃～160℃的温度范围内，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-5.8°；同时，该液晶负折射器件能对入射角小于8.4°的光波实现可调控负折射。

实施例二

同实施例一，通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向方法进行液晶预倾角处理，得到有10°的预倾角的光学玻璃板2和4，粘合成间距10μm的双平板结构，并向两光学玻璃间注入单轴向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)。经起偏器并以5°角入射的光波，在100℃～140℃的温度范围内，可得到连续可调的负折射。在该温度范围内，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-3.2°；同时，该液晶负折射器件能对入射角小于3.7°的光波实现可调控负折射。

实施例三

同实施例一，通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向方法进行液晶预倾角处理，得到有70°的预倾角的光学玻璃板2和4，粘合成间距180μm的双平板结构，并向两光学玻璃间注入单轴向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)。经起偏器并以5°角入射的光波，在70℃～150℃的温度范围内，可得到连续可调的负折射。在该温度范围内，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-5.3°；同时，该液晶负折射器件能对入射角小于4.9°的光波实现可调控负折射。

Claims (2)

1.一种基于液晶的温度调控负折射器件，该器件由起偏器、液晶及上、下两块光学玻璃板、环围光学玻璃、控温装置组成，其特征是，通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向的方法，对上、下两块光学玻璃板的导电表面进行液晶预倾角处理，将光敏聚酰亚胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配成1％的溶液，旋转涂覆在光学玻璃板导电表面上，将上述涂有光敏聚酰亚胺的光学玻璃板在150℃，烘烤5小时，然后在偏振紫外光下垂直照射25分钟，得到有10°的预倾角的光学玻璃板，将两片表面取向处理过的光学玻璃板按照表面取向面相对平行粘合成间距10μm的上光学玻璃板和下光学玻璃板的双平板结构，其间放置环围光学玻璃，在双平板结构中注入单轴向列型液晶4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate，并在上光学玻璃板的上面固定一个起偏器，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内，经起偏器以5°角入射的光波，在100℃～140℃的温度范围内，可得到连续可调的负折射，在该温度范围内，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-3.2°，同时，该液晶负折射器件能对入射角小于3.7°的光波实现可调控负折射。

2.一种基于液晶的温度调控负折射器件，该器件由起偏器、液晶及上、下两块光学玻璃板、环围光学玻璃、控温装置组成，其特征是，通过线性偏振紫外光照射诱导液晶取向的方法，对上、下两块光学玻璃板的导电表面进行液晶预倾角处理，将光敏聚酰亚胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶剂中配成1％的溶液，旋转涂覆在光学玻璃板导电表面上，将上述涂有光敏聚酰亚胺的光学玻璃板在150℃，烘烤5小时，然后在偏振紫外光下垂直照射25分钟，得到有70°的预倾角的光学玻璃板，将两片表面取向处理过的光学玻璃板按照表面取向面相对平行粘合成间距180μm的上光学玻璃板和下光学玻璃板的双平板结构，其间放置环围光学玻璃，在双平板结构中注入单轴向列型液晶4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate，并在上光学玻璃板的上面固定一个起偏器，使其偏振方向平行于界面并与液晶分子的预倾角在同一平面内，经起偏器以5°角入射的光波，在70℃～150℃的温度范围内，可得到连续可调的负折射，在该温度范围内，液晶负折射器件能够实现的最大负折射角为-5.3°，同时，该液晶负折射器件能对入射角小于4.9°的光波实现可调控负折射。

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