淺析小型聚合物分散液晶薄膜光開關

武大偉

摘 要：聚合物分散液晶又稱為PDLC（polymer dispersed liquid crystal），是存在于有機固態聚合物體內的微小滴狀液晶。由于液晶分子的折射效應，在光軸處液晶分子處于自由取向，液晶分子的折射率和有機固態聚合物的折射率不同，所以在光通過此處時就會散射出不透明的乳白狀態或者是半透明狀態。若是施加電場后，可以通過電壓調節液晶的光軸取向，當液晶分子和基體的光軸取向相一致時，就出呈現透明態。撤去電場，液晶又恢復原態，達到顯示的作用。

關鍵詞：聚合物分散液晶 光開關 研究探討

中圖分類號：O753.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0128-02

1 基本原理

（1）聚合物分散液晶的電控開關原理。采用相分離的方式制作聚合物分散液晶的過程中，向列相液晶以極小的單位均勻地分散在固態有機聚合物體內，在沒有電場的情況下，液晶呈現自由排列，光軸方向則呈現出無序取向狀態，由于液晶材料的各向異性，及與基體間的折射率不相同，導致入射光呈現出半透明乳白態。給液晶施加電場后，液晶受到電場的作用有序排列，從而使得液晶分子保持了光軸方向一致性，液晶分子的折射率和基體的折射率達到較高的一致性，使得入射光線可以透過材料，呈現出透明或者是半透明狀態。在沒有外電場的作用后，液晶分子又會回到之前沒有施加電壓時的狀態，呈現出散射態。所以聚合物分散液晶可以在外電場的作用下表現出電控開關的特性。

（2）兩片鍍有ITO導電層玻璃中間均勻地涂上液晶、預聚物和光導劑，形成厚度達幾微米到幾十微米不等的距離，這時候入射光照到玻璃時，就會形成明暗相間的干涉條紋而引發了液晶聚合物產生聚合和發散的作用過程。在亮條紋處，液晶分子隨著聚合物的作用而被強制移動，導致分離現象的產生，從而出現了條紋的作用不斷變化，再根據液晶分子和聚合物自身的折射特性相結合，最終形成了聚合物分散液晶的全息光柵。沒有電場的作用時，符合條件的入射光經過光柵衍射的作用，導致出射光偏離。通過電場的作用后，液晶分子受電場的影響，有序排列，使得光軸方向與有機聚合物相一致，使得光束正常透過，但是隨電場的不斷增加，光柵也會隨之消失，衍射現在不再重復出現，此時入射光則按原路返回。

2 聚合物分散液晶的電光特性

2.1 聚合物分散液晶的制備

聚合物分散液晶的制備一般采用封裝法和相分離法。將聚合物和液晶均勻地混合在一起制備聚合物分散液晶的方式成為相分離法，通常有聚合引發相分離、熱引導相分離和溶劑誘導相分離3個方式。聚合引發相分離主要是通過聚合反應將液晶分子析出小微粒，再慢慢擴張變大以填滿聚合物的空間不能移動為止，可以通過使用激光誘導，使得液晶和聚合物相分離的過程。在實驗制備聚合物分散液晶時可以根據聚合物的材料、光引導劑材料和液晶材料的種類在避光的條件下將其根據不同的配比進行充分加熱攪勻，直到溫度到達液晶的清亮點得到的混合物，將其均勻地夾在兩玻璃之間，通過均勻力度的壓力，使其保持一定的均勻性，用相同功率的He-Cd激光照射，對比各自的效果。

2.2 相分離的觀察研究

聚合物分散液晶在經歷了相分離后的觀察研究發現，影響聚合物分散液晶的性能因素包括有液晶分子的大小和外形尺寸、液晶的種類、聚合物的種類以及在實驗過程中加熱的時間和固化時間。固化時間和材料的種類選用直接影響到液晶微滴分子的尺寸。不同的固化溫度和時間影響到聚合物的聚合時間和液晶分子的擴散速度，從而導致了液晶微滴的尺寸不一，在宏觀上則體現在光學性能上，不過對這些因素的研究發現，也明確了全息光柵的最大空間頻率。實驗表明在相同的激光功率作用下，在允許的溫度范圍內，溫度的升高對液晶的尺寸大小具有反相的影響，隨激光功率的增大，對固化析出相分離的時間減少，液晶微滴分子尺寸也隨之減小。

2.3 聚合物分散液晶的電控開光效應研究

在鍍有ITO薄膜的玻璃基板中間填充上加熱后的混合材料，用相分離法獲取聚合物分散液晶膜，這層膜具有一定散射的效果，因為液晶分子的光軸是隨機分布的。給其施加電場，散射的現象逐漸變得清晰，在施加不同的電場下，所呈現出來的現象也不相同，說明了電場具有改變液晶分子光軸的能力，使聚合物和液晶兩者的折射率達到相互匹配的狀態，從而影響光的透過程度。

3 全息聚合物分散液晶光柵的特性研究

3.1 馬赫—曾德全息光路的曝光

馬赫—曾德全息光路曝光可以降低聚合物分散液晶材料受多種因素的影響，能保證干涉條紋的清洗記錄，在低頻全息光柵上使用較合適。馬赫—曾德實驗是有He-Ne激光器發出的激光轉換成平面波，經可變光闌后，再經分束器分成投射光和反射光。投射光將反射鏡2反射后到達原來的平面，在經過衍射后的光通過合束器到達記錄面。經過分束器的反射光作為參考光被反射鏡1和合束器反射到記錄面上與物光干涉產生的干涉條紋就被記錄下來了如圖1所示。

3.2 全息衍射效率

能造成聚合物分散液晶全息光柵影響的主要因素有幾點：光路的影響、材料配方不一致和激光的輻射時間對光柵條紋的折射率調制深度不同。通過棱鏡的分光和入射的角度有光，要求要做到曝光面上的兩束激光能量相等，光程差為零；材料的配方可以導致不同程度的兩點顯現，有的配方能看到清晰的五級亮點，而有的配方僅能看到模糊的一級衍射點，尤其受液晶含量的多少影響更為明顯；光柵條紋的衍射則是因為明暗條紋的折射率不同而造成的。衍射的效果是通過液晶微滴和基體二者的折射率結合而成的，所以會受到液晶微滴的條件影響，曝光時間的增加，衍射效率表現的情況是先升高到一定程度后在下降，根據這個可以確認最佳的曝光時間。

4 多路光開關的應用

通過制造不同空間頻率的光柵元件可以得到不同的全息光路，如果能把這些元件重疊起來，再通過外電場的作用將透光方向調節一致，就能實現按點切換的光束；若是將多層液晶光柵對應不同的空間頻率光柵，則能順序或是同時控制電信號的施加，從而實現多個輸出點的切換。

參考文獻

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