宽波段大视角液晶偏振转换器研究进展

偏振转换器能够通过对入射光偏振态的动态调控间接实现几何相位型多功能光学器件光学响应特性的动态可调。基于液晶的偏振转换器具有调控效率高、调控面积大、紧凑化程度高等诸多优势,是目前应用较为广泛的偏振转换器。本文围绕偏振转换效率、工作波段、视场角3个核心参量,系统介绍了液晶偏振转换器最新的研究进展,分别给出了典型液晶偏振转换器和大视角宽波段液晶偏振转换器的详细结构和性能表现,同时介绍了液晶偏振转换器工作波段和视角的拓展方法。该项工作能够为液晶偏振转换器结构设计与应用提供必要的参考,同时为基于几何相位或新型相位调控模式的研究提供一些思路。

“液晶动态调控及其应用”专刊序

作为一种神奇的软物质材料,液晶对光、电、磁、热等外场具有高灵敏度的响应,展现了丰富的动态调控性,因此被广泛地应用于显示等领域。为突破传统物态的局限,推动液晶在新型光电和生物传感等领域的研发,亟需进一步厘清液晶这一取向序物态的新性质、效应和调控机制。

“软物质光功能材料、器件及其调控”专刊序

液晶作为一种典型的软物质,同时具有液体和晶体的特征,存在着丰富的相态(包括向列相、近晶相、胆甾相、蓝相等)。通过表面处理、光控取向等方式可以对液晶分子的指向矢进行空间设计甚至像素化操控,从而产生多样的光学调控功能。另外,液晶还具有灵活的可重构特性,其分子结构和排列可以在外场刺激(如电、磁、光、热等)下发生改变,具有调控方式多样和易于加工等优点。鉴于此,液晶及其复合材料在多个领域中展示出强大的光学调控功能和灵活的调控能力。例如,基于几何相位及取向设计可以开发以偏振光栅、透镜为代表的平面光场调控元件,有望替代传统光学元件,实现虚拟现实与增强现实等领域的应用;此外,将液晶的可调谐功能应用于光波导中,能够为光纤集成器件和光波导器件带来光束整形和傅里叶变换光谱等功能;而液晶弹性体凭借其刺激响应及可编程形变的特性,在软体机器人及微型执行器等领域展现了巨大的应用潜能。

4D打印可编程液态金属-液晶弹性体软体致动器

为了得到能够可控制形变的液晶弹性体,提高其在软体致动器和软体机器人领域的应用潜力,本文报道了一种基于液态金属(LM)-液晶弹性体(LCE)的光驱动软体致动器。该软体致动器通过4D打印技术制备而成,展现出了良好的形变可编程性。通过超声将LM分散在乙醇中,随后将LM微米颗粒混合到配置好的液晶溶液中得到均匀的LM-LCE墨水,利用4D打印技术对其墨水的取向结构进行编程,最终制备出具有特定形变的软体致动器。通过4D打印,分别制备了具有交替正交和圆锥形阵列取向结构的LM-LCE软体致动器。该致动器具有良好的光热性能,在808 nm红外激光照射下,在10 s内致动器表面温度可达120℃。基于优越的光热性能,交替正交取向结构的致动器可以快速产生弯曲形变;而圆锥形阵列取向结构的致动器则以螺旋中心为顶点产生凸起形变。基于4D打印技术,LM-LCE的光驱动软体致动器具有良好的形状可编程性,在动态和复杂的环境中展现出更加优异的适应性及可调节性,有望在医疗、军事和软体机器人领域得到广泛应用。

基于可调剪切干涉曝光方法的大口径液晶偏振光栅制备

为了解决传统偏振全息干涉方法受限于过长的光路难以制备长周期的大口径液晶偏振光栅的问题,提出了基于液晶偏振光栅模板的可调剪切干涉曝光方法,并通过理论分析了制备偏振光栅的周期随模板方位角及沿光轴轴向位置的变化。利用小口径高效液晶偏振光栅作为模板搭建可调剪切干涉曝光光路,并基于此制备了数十微米周期的200 mm口径液晶偏振光栅,平均衍射效率达到99%以上,平均周期约为59.86μm,周期分布不均匀性约为0.07%。实验结果表明,调剪切干涉曝光方法能够制备大口径的长周期偏振光栅,周期和效率分布均匀,还具备周期易于调节、结构紧凑和抗振动干扰强等优势。

基于液晶包层平板光波导的偏振转换器设计

基于液晶的动态可调偏振转换器具有大调制幅度、低功耗的优势,在片上集成系统具有重要的研究意义。然而现有的液晶偏振转换器存在传输损耗大、液晶分子难取向的问题。为此,本文提出了一种基于液晶包层平板光波导的偏振转换器。首先基于液晶各向异性与4层波导理论,构建了满足液晶包层平板光波导物理特性的偏振转换分析模型,厘清偏振转换发生的内在机理为液晶分子场致转动引起的波导内模式耦合。而后通过精确求解耦合状态下波导模式的传播常数和光场分布,提出一种适合于液晶包层平板光波导的偏振转换分析方法,总结出偏振转换效率及最小转换长度的理论公式,并掌握了模式耦合对偏振转换效率的影响规律。最后综合优化各层波导参数得到了一组可实现高偏振转换效率的器件参数,分析了芯层厚度、取向层厚度和电极长度偏差对转换效率的影响。结果表明,本文设计的液晶包层平板光波导偏振转换器可在0.2 V的驱动电压变化下实现转换效率在0%~99.98%的连续可调。

液晶Lieb晶格衍射偏振特性分析

Lieb晶格是被研究较多具有平带特性的完整晶格结构之一。本文基于液晶光控取向技术制备了Lieb晶格,通过改变曝光的偏振方向,构建了晶格位点内液晶为90°扭曲(TN)取向、图案外为均匀(PA)取向的液晶Lieb晶格结构。测量了在外加电场作用下,不同入射方案的液晶Lieb晶格的衍射特性。通过偏振测试仪测试了在不同外加电场作用下的多个衍射级次的偏振特性。实验结果表明,施加电压时衍射图样中衍射光斑的级次增多;随电压升高到约2.5 VPP,液晶Lieb晶格结构的衍射效果变差,除了零阶衍射光斑,各衍射级次衍射光斑强度达到最弱;增加电压至4 VPP,各级次衍射光斑强度逐渐增强,衍射图案逐渐清晰。在改变电压的过程中,各种入射情况的不同阶次衍射光的偏振态也在逐渐改变,一阶衍射光在1~3 VPP之间有+45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光、左旋圆偏振光等特殊偏振态出现。本文提出的液晶Lieb晶格具有易调控、易制备等特性,通过调控施加在液晶上的电压,可以实现衍射级次偏振态的动态调控,为光场调控提供了新的方式。

基于聚合物分散液晶的频率可重构贴片天线

本文设计了一种以液晶聚合物为介质基板的频率可重构天线,通过调节贴片的位置及尺寸实现天线的阻抗匹配。制备聚合物分散液晶薄膜作为天线的介质,并根据液晶与聚合物的比例分别为7∶3、6∶4、5∶5这3种不同配比以及50μm和100μm两种不同膜的厚度来考察其效果。在电场作用下,液晶微滴会沿着电场方向重新取向排列,通过改变驱动电压的大小,实现天线的频率可重构。经过对比分析得出,液晶含量(质量分数)为70%的聚合物分散液晶薄膜具有最佳的效果,在48 V的驱动电压下实现了62 MHz的频率连续调节,天线的最大增益为3.5 dBi。该基于液晶聚合物的频率可重构贴片天线结构简单、体积小、质量轻,易于集成在各种移动设备中,发展前景广阔。

曝光工艺对蓝相液晶图案清晰度的影响

为提高图案化蓝相液晶薄膜(Blue Phase Liquid Crystal Film, BPLCF)的边缘分辨率,使图案更清晰,降低制备工艺难度,本文基于硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应,在恒温下利用分步掩膜曝光的方式设计并制备了图案化BPLCF。首先,观察BPLCF光学特性随迈克尔加成反应过程进行的变化,结合光谱的半峰宽和反射强度,确定BP I织构相对较好的反应时间;接着,根据选定的反应时间,探究在相同紫外曝光时间下,不同曝光强度对BPLCF光学性能和图案分辨率的影响,得到使图案化BPLCF具有清晰图案和高边缘分辨率的最佳紫外曝光强度;最后,根据实验得到的反应时间和紫外曝光强度,制备了具有高分辨率兰花和梅花图案的BPLCF。实验结果表明,在33℃的恒温下,当迈克尔加成反应时间为60 min、紫外曝光强度为30 mW/cm2、曝光时间为15 s时,BP I结构保留完好,BPLCF图案清晰,边界无阴影,对应的中心波长和半峰宽分别为528 nm和53 nm,此时分辨率可达38μm。该研究对于制备高分辨率的蓝相液晶图案及其在信息防伪以及显示领域的应用具有重要意义。

光-电协同调控的高反射率全彩色液晶器件

本文利用光-电协同调控的方法获得了具有高反射率、全彩色显示的倾斜螺旋胆甾相(ChOH)器件。在液晶体系中引入一种具有左旋旋向的手性光开关switch 1,并基于相反旋向手性添加剂的手性抵消原则,使用R811来平衡switch 1发生光致Z/E异构化前后螺旋扭曲力上的差异,使体系在光照前后对其施加相同的电场强度可以反射具有相反旋向且相同波段的红-绿-蓝三色光。在此基础上,构筑了双层结构的液晶器件,对材料进行分层光-电刺激,诱导上层螺旋结构翻转,可在双层结构中分别形成左右旋结构,从而具有全反射效应,在双层ChOH液晶器件中反射率提升约60%。本研究为制备具有高反射率的全彩色电子纸器件提供了新思路,同时也为光开关材料在液晶器件中的应用提供了有益的探索。

胆甾相液晶图案的动态调控与应用

自然界光子晶体图案为生物的生存提供了独特的功能,例如变色龙使其皮肤图案颜色适应环境以进行伪装保护,头足类动物(鱿鱼、墨鱼、章鱼等)能够产生宽波长范围的结构颜色和光学图案以利于物种间的信息交流。受自然界光学图案的特殊功能启发,胆甾相液晶的图案得以开发,并在数据存贮、传感器、柔性智能器件等方面展示了潜在应用。本文综述了胆甾相液晶图案的外场刺激响应性、功能演变及其应用。首先,总结了胆甾相液晶图案的外场刺激响应性,包括光、电、热、机械力和溶剂。其次,介绍了胆甾相液晶图案的各种应用,如具有加密和解密功能的存贮器件、信息安全防伪设备、柔性可穿戴传感器和圆偏振发光系统等。最后,介绍了胆甾相液晶图案的前景和挑战。本文为构建基于胆甾相液晶图案的新型功能材料提供了基础。

偶氮苯磺酸薄膜的光致取向可重复性

偶氮苯磺酸SD1作为一种液晶光致取向材料,具有强锚定、可再次重新取向等优点。本文研究了偶氮苯磺酸光取向材料SD1薄膜在405 nm线偏振光辐照下的光致取向重复写入性能。研究发现,在线偏振光重复擦写曝光SD1膜的过程中,随擦写次数增加,膜饱和有序度持续下降。经过200次重复擦写后(累计能量密度1200 J/cm^(2)),饱和有序度(S)从0.78下降到0.3,取向速度从0.39 s^(-1)下降到0.08 s^(-1)。对重复取向过程中SD1膜的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱进行了实时监测,发现在单次取向过程中SD1膜的UV-Vis吸收光谱峰值吸光度先快速下降再缓慢回升后达到饱和,并整体呈现吸收下降的趋势。经历200次重取向后,吸光度从0.10下降到0.03。这表明重取向过程中面内反式SD1的分子数量逐渐减少导致取向能力减弱,因而重写次数受限。在关闭辐照光一段时间后,面内分子数量有一定程度的回升。总之,SD1薄膜在线偏振光重复擦写过程中出现面内分子数量持续下降的现象,由于SD1薄膜面内分子数量直接影响着其取向能力,这种部分可逆的面内分子数量变化导致SD1可重复取向能力有限。

氧化石墨烯/液晶网络复合膜的响应性能及仿生设计

液晶网络是由液晶聚合物单体适度交联得到,兼具有聚合物的弹性和液晶的各向异性,包括多刺激响应能力、可逆的驱动以及可编程的形状变形等性能,因此具有良好的外场响应性、分子协同作用和弹性。氧化石墨烯膜层具有优秀的光热转换性能,而光具有环保性、远程可控性等优异的特性,因此光致形变的氧化石墨烯/液晶网络(GO-LCNs)复合膜逐渐成为人们的研究热点。它可以制作柔性机器人、仿生光热驱动器等先进器件,具有良好的发展前景。本文在两种厚度的液晶网络膜上制作氧化石墨烯薄膜,构成氧化石墨烯/液晶网络复合膜,测量了温度或红外光作用下液晶网络膜厚度对其响应性能的影响。本文结果为复合膜的应用设计提供了实验基础,并以此为基础设计了GO-LCNs复合膜的仿生器件。

叉指电极结构对液晶包层光波导有效折射率调制量影响的建模研究

叉指电极基于单侧加电方式,有望通过简化波导层结构提升液晶包层光波导的光学性能。为此,本文建立了基于叉指电极的液晶包层光波导物理模型,并研究了该结构下波导模式有效折射率调制量的变化规律。首先,通过理论模拟明确了叉指电极所产生的电场分布特点;然后,分析了电场作用下液晶分子的排布状态及对波导模式有效折射率的作用规律,并定量化研究了液晶初始取向角度、Δn、Δε对波导模式有效折射率的影响;最后,对比了叉指电极与传统双侧电极结构下液晶光波导有效折射率调制量变化。结果表明,叉指电极会产生周期性电场分布,并导致液晶转动角度与光波导有效折射率分布呈现周期性;相比于平行取向(初始取向角为2°),垂直取向(初始取向角为88°)下所产生的有效折射率调制幅度更大,在40 V电压下,垂直取向是平行取向的10.1倍。更大的Δn和Δε有助于获得更大的光波导有效折射率调制量。与双侧电极对比,叉指电极能够在同等电压下实现更大的有效折射率调制量。

光控取向引导的液晶序演变

液晶独特的取向序和位置序为其带来奇特的物理性质,使其在凝聚态软物质中占据了重要的地位。由于液晶有序结构中连续对称性的破缺,引入了拓扑缺陷。而拓扑缺陷在相变过程中的转变机制及其在外场作用下的有序控制生成一直广受关注。通过控制液晶系统的空间尺度、边界条件和外场刺激,以及引入不同的热力学过程,液晶分子将呈现截然不同的组装行为,伴随各种拓扑缺陷的出现,以实现系统自由能的最小化。然而目前对液晶相变过程中拓扑缺陷的有序控制和动力学演变、外场作用下的受控转变行为和机制,以及拓扑缺陷应用探索等方面仍有待进一步研究。本文综述了本课题组利用光控取向技术实现高精度任意可编程的二维平面锚定设计,通过二维光取向层引导了液晶分子的三维排列,从而实现了不同相态下拓扑缺陷的可控有序大面积生成。进一步借助Landau-deGennes理论,揭示了拓扑缺陷在相变过程中的演化机制,并挖掘了其背后的演化规律。本研究丰富了人们对有序系统自组装行为的理解,为探索拓扑缺陷的可控生成及应用探索铺平了道路。

负性液晶电致图案化及其衍射特性

液晶中电对流图案形成是一种奇特而又有趣的现象,同时也是光衍射研究中的一个重要问题。本文旨在探索负介电各向异性的向列相液晶中图案的形成以及相关的衍射特性。实验观察到4种不同的电对流图案,分别是软方形图案、斜条纹、静脉状图案和不规则图案。探究了不同温度下产生图案所需要的阈值电压。研究了电场对图案的周期性以及相对指向矢倾斜角的影响,并对图案相应的衍射特性进行了分析。实验结果表明,通过调节电场和温度可以改变电对流图案。产生图案所需要的阈值电压随着温度的升高而减小,随着频率的升高而增大。软方形图案的周期随着频率的升高先减小后增大,而斜条纹的周期随频率的升高而减小。当f=25~45Hz时,斜条纹相对于初始指向呈现约44°的偏转。这种可控的电对流图案为实现基于向列相液晶的可调谐光学衍射器件提供了一种可行方案。

负性向列相液晶电致缺陷的产生与湮灭过程

取向有序的液晶材料具有丰富的物理各向异性、外场响应性、物理效应,催生了新一代的光电应用.利用电场可在液晶中产生拓扑缺陷.缺陷动态过程受材料自身特性和外界条件的影响尚未明晰.本文选用介电各向异性△ε在-1.1到-11.5之间的7种向列相液晶材料,通过施加线性增加的交流电场,研究了负性向列相液晶电致脐点缺陷产生到湮灭过程中材料特性(△ε)和外界条件(温度、外加电场参数)对脐点缺陷的标度规律及湮灭快慢的影响.结果表明:在不同的△ε、温度和电场频率下,缺陷产生过程均满足Kibble-Zurek机制,即缺陷密度与电场变化率之间存在标度关系,且标度指数约为1/2;温度越高,产生缺陷密度越大;△ε越强或电场变化越快,缺陷湮灭速度越快.本文的研究厘清了拓扑缺陷产生湮灭与材料特性和外界条件的依赖关系,有利于对软物质中拓扑缺陷动态过程的认识和理解.

改变本征形变特性:机械超材料启发的液晶弹性体研究进展

液晶弹性体是一类集成了液晶相的各向异性和聚合物基质的力学特性的材料,具有可操控的自主形变能力,在柔性电子、光学器件及生物医疗技术等诸多领域有广阔的应用前景。液晶弹性体的高级功能主要来源于其制备过程的处理方法和几何结构的构筑方式。不同的取向策略和结构的组合能够赋予材料复杂的形变模式和功能特性。近年的研究发现,将机械超材料与液晶弹性体结合能够实现常规材料设计难以实现的功能和特性,实现如双轴驱动、加热膨胀、多维运动等功能,应用在生物医疗、无电子传感、振动控制等领域。本文综述了利用超材料结构设计思路对液晶弹性体的取向及几何结构进行同步构筑的设计方法及其应用,介绍了3D打印技术在构建人造有序结构方面的应用及对材料性能的影响。

Chromonic溶致液晶及调控研究进展

Chromonic溶致液晶(Lyotropic Chromonic Liquid Crystals,LCLCs)是由可溶性芳香族化合物自组装形成的一类溶致液晶。由于其丰富的物理各向异性、生物兼容性以及可调控性,LCLCs在生物检测、细菌操控等应用领域具有重要的研究价值。本文回顾了LCLCs调控方面的研究,简要介绍了其特性,重点分析了外场调控、掺杂等调控手段对LCLCs的影响,最后讨论和总结了可行的调控手段和未来的发展路线。

液晶弹性体微结构及其应用

液晶弹性体因其可编程的形变与高达400%的应变而在微型医用机器人、可调控表面微结构、微流控等微观尺度领域有着重要的潜在应用。液晶弹性体微结构的制作需要同时兼顾高分辨率分子取向和高精度微米尺度结构,对分子取向和微纳加工技术有着很高的要求。本文综述了液晶弹性体分子取向的方法和微结构的先进加工技术,总结了其在微驱动器、人工肌肉纤维、可调控表面等方向的应用进展,并展望了液晶弹性体微结构在微型医用机器人领域的未来发展趋势。