基于SLM光刻制備的光電可調控液晶器件

丁振

摘要：液晶空間光調制器（SLM， Spatlal Light Modulator）在光信息處理、光束控制、輸出顯示等諸多領域有著廣泛的應用。利用SLM對光的相位調制，以及偶氮液晶的光致異構和Freedericksz轉變，進行液晶器件的制備。具體過程是清洗玻璃基板，旋涂取向層，制成液晶盒，以457nm波長激光為光源，通過8位灰度圖控制SLM改變光的偏振方向，對液晶取向層進行微米級無掩模圖案化光取向。將偶氮液晶灌入液晶盒，使用UV光和交流電場對其調控，制備成顏色可變的液晶顯示器件。具有成本低、分辨率高、響應靈敏、色域廣等特點。

關鍵詞： 空間光調制器; 光控取向; 偶氮液晶; 偏振方向; 光電調控

中圖分類號：TN141.9? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0001-03

Abstract： Liquid crystal spatial Light Modulator （SLM） is widely used in optical information processing， beam control， output display and many other fields.The phase modulation of light by SLM and the photoisomerization and Freedericksz transition of azo liquid crystal were used to fabricate the liquid crystal devices.The specific process is to clean the glass substrate， spin coating the orientation layer， and make the liquid crystal cell. With a 457nm wavelength laser as the light source， an 8-bit grayscale image is used to control SLM to change the polarization direction of light， and the orientation of the liquid crystal orientation layer is carried out micron-scale maskless patterned light orientation.The azo liquid crystal was injected into the liquid crystal cell and regulated by UV light and AC electric field to prepare the liquid crystal display device with variable color.It has the characteristics of low cost， high resolution， sensitive response and wide color gamut.

Key words： SLM; photoalignment; azo liquid crystal; polarization; photoelectric control

1 引言

偶氮苯類液晶化合物以其優秀的光響應能力，受到了世界各地學者的廣泛關注。這種液晶在紫外光和可見光的照射下，會發生獨特的光致異構現象，即由順式到反式、反式到順式的分子結構變化。所以，這種液晶屬于光敏材料，也可以叫作光致液晶，在光學顯示器件、光開關、光信息存儲及光控液晶分子取向等領域有著極為廣闊的用途[1]。除此之外，液晶作為一種兼有液體流動性和晶體各向異性的特殊物質，分子具有排列有序程度和方向，這個方向也就是指向矢。在液晶器件的應用中，液晶一般被置于兩個玻璃基板之間，玻璃基板表面的取向層決定了液晶分子排列的方式。近年來，成熟的光取向技術逐漸取代了傳統摩擦取向的方式[2]，通過在ITO玻璃上旋涂偶氮染料亮黃（Rrilliant yellow，BY），可以形成一層穩定的取向層，在 457nm的激光照射下產生表面的各向異性，重新進行分子的排列以完成取向[3-4]。將向列相液晶置于取向過的液晶盒內，使用電磁場等外場刺激時，會產生Freederickzs轉變現象，液晶分子的指向矢發生形變，并使其光學性質變化[5]。

液晶空間光調制器（SLM， Spatlal Light Modulator）可以在電驅動信號或其他信號控制下，對光的強度、相位、偏振態及波長進行調制[6]。SLM有很多種分類，硅基液晶（LCoS，Liquid Cristal on Silicon）就是其中一種。LCoS是一種全新的數碼成像技術，電信號驅動，采用CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片[7]，芯片上涂有一層很薄的液晶硅，具有分辨率高的優點。通常情況下，實驗都是采用同一偏振方向的光進行光取向，在光路中放置特定形狀的掩膜板進行圖案化處理。本文通過搭建LCoS SLM光路，輸入分辨率為1920×1080的8位灰度圖控制LCoS，改變光的偏振方向，實現偏振態差異的無掩模圖案化光控取向，利用液晶的光致異構及Freederickzs轉變特性，制備而成的一種光電調控顏色變化的液晶顯示器件。

2 實驗準備

2.1 光路搭建

實驗以LCOS SLM為核心搭建了一套光取向的曝光光路，具體構成由圖1所示。光路分為光源部分和曝光部分，光源采用的是波長為457nm的線偏振激光。激光直接打出的光束直徑為1mm，經過45°全反射鏡M1、M2、M3、M4之后，經過擴束鏡BE，光束被擴寬至為直徑22mm，目的是完全覆蓋LCoS的反射鏡面。被擴寬的光束經過45°全反射鏡M5后，經過一個二分之一玻片，目的是為了調整偏振方向與LCoS的夾角為45°，然后光束經過一個半透半反的分光棱鏡，垂直入射到LCoS的鏡面，線偏振光變成圓偏振光，被調制的光束反射到BS，再經過一個四分之一玻片，重新變為線偏振光，最后經過一個由透鏡L1和L2組成的4f縮放系統，縮放的倍數為L1/L2（約為6.67倍），聚焦在樣品位置。LCoS的最小像素為6.4μm，所以通過這個成像系統縮放以后，可實現偏振調制的最小像素約為0.96μm，從而實現μm級別的偏振調制。