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.

竞争向列相液晶中(1+2)维空间光孤子

基于JUNG等人提出的竞争非局域模型,研究了竞争型向列相液晶中(1+2)维空间光孤子的传输特性。利用变分法给出了孤子临界功率解析表达式,发现当热非局域程度固定时,临界功率随分子取向效应非局域程度的变化规律与随热非线性系数的变化规律一致:随着分子取向非局域程度或热非线性系数的增加,临界功率由功率不等的两个分支逐渐重合为功率相等的一支;当分子取向效应非局域程度和热非线性系数固定时,随着热非局域程度的增加,临界功率由功率相等的一支分为功率不等的两个分支。利用光束传输方法发现,只有功率不等分支上的点对应的(1+2)维空间光孤子才能稳定传输。该研究结果可为竞争非局域介质中(1+2)维空间光孤子的实验研究以及全光互联应用提供理论基础。

向列相液晶器件光调制性能研究

液晶的折射率易受外加电压和温度的影响,据此可获得电场和温度可调制器件。为改善液晶器件对光的调制性能,制备了向列相液晶器件,并对其调制性能进行理论模拟和实验研究。首先研究液晶器件的透过光强和相位延迟随电压变化关系,结果显示,相同电压下,增大器件厚度,光强调制曲线的峰谷数增多,相位调制量增大,其中电压在0.8~3 V范围内,相位延迟曲线变化较明显,厚度为4、6和10μm的器件可分别获得约1.21π、1.87π和3.19πrad的相位调制量。其次对厚度为4μm的器件进行温度可调制性能的研究,结果显示,温度从20℃升至45℃时,获得的温度可调制量约为0.29πrad。改变电场或温度均能引起液晶的折射率变化,从而实现对光的调控,适当增加液晶器件厚度可获得较大的相位调制量。研究结果对液晶光调制器件的性能改善及应用具有重要参考意义。

向列相液晶中非对称相位光栅的产生及形貌

为了研究液晶中相位光栅的动态衍射特性和光栅形貌,提出了在C_(60)掺杂垂直排列向列相液晶(NLC)中产生非对称光栅的方法,分析了光栅产生机制并建立了光栅形貌的数学模型。首先,用水平偏振光的斜入射光束写入相位光栅。然后,利用一束光作为探测光读出光栅并利用光电探测器记录衍射光强。实验表明,光栅的最大衍射效率超过60%,且衍射强度分布不对称。基于非对称衍射的特征,提出了基于光折变效应产生非对称衍射分布和衍射效率超过对称光栅Raman-Nath衍射理论极限的物理机制。最后,给出了在NLC中形成非对称锯齿形光栅的假设,并提出了描述非对称锯齿形相位光栅的数学模型。研究结果表明,相位光栅的高衍射效率来源于液晶中非正弦调制的空间电荷场。这种非对称电场主要是表面电荷调制和Carr-Helfrich效应共同作用的结果。提出的非对称锯齿形光栅模型假设能够很好地描述非对称衍射和衍射效率突破Raman-Nath理论关于对称光栅衍射理论限制的原因。

向列相液晶分子结构与黏度关系研究及BPNN-QSAR模型建立

用于光学、微波通信调谐等器件的向列相液晶材料需要具备高响应速度来实现应用需求.液晶器件响应速度与液晶的旋转黏度、液晶的双折射率等因素相关.微波器件用向列相液晶,常采用大π-电子共轭体系、大极性基团来提高液晶分子的双折射率和介电各向异性,实现宽相位调制量,也因此增大了液晶材料黏度,影响了微波器件的响应速度.本文以液晶黏度因素为主线,对本课题组设计合成的42种向列相液晶在25℃时的黏度用旋转流变仪进行测试,从液晶化合物的结构角度分析影响液晶黏度的因素.首次建立向列相液晶分子结构与黏度的BPNN-QSAR定量构效模型,模型测试组预测值跟真实值之间的相关系数q^(2)=0.607>0.5,说明模型可用于液晶化合物的黏度性能预测,并对影响黏度性能的分子结构描述符进行了探讨.从实际应用出发结合本课题研究,设计了两个系列7个大双折射率液晶分子,BPNN模型测试黏度量度小于同类型分子,实验测试值与模型测试值相近.

向列相液晶激光器件侧面辐射谱研究

研究了向列相液晶激光器件侧面激光辐射谱,并深入分析了激光辐射机制。分别制备了传统液晶盒和引入SU-8光栅结构的两种器件,并注入向列相液晶TEB30A和激光染料PM597的混合物。利用Nd:YAG固体脉冲激光器倍频出的532 nm激光作为泵浦源正面入射器件,侧面探测激光辐射谱。在传统液晶盒器件侧面,测得575~600 nm范围的随机激光辐射谱。而具有周期100μm和8μm的SU-8光栅结构器件侧面,获得了多波长激光辐射谱。随着泵浦能量增大,最高强度激光辐射峰波长位置出现在583~585 nm和588~592 nm附近,FWHM约0.3 nm。基于光波导理论结合器件结构分析得出,在传统液晶盒中引入SU-8光栅结构增强了液晶器件的光波导效应,是获得多波长激光辐射谱的主要原因。

垂直于圆柱轴电场作用下圆柱腔内向列相液晶的指向矢分布(英文)

曲面液晶系统具有与平面液晶系统不同的特性。本文在轴向强锚定边界条件下,施加垂直于圆柱轴方向的匀强电场,对圆柱腔内向列相液晶的指向矢形变进行研究。基于液晶连续体弹性理论,给出系统的平衡态方程及边界条件,并通过有限差分迭代方法进行了数值计算。得出了指向矢形变阈值电场的解析解,发现不同的弹性常数会导致圆柱腔横截面上的指向矢变化的不对称性。此研究为光子晶体光纤的实验研究提供了更准确的理论分析。

柱筒中掺杂手性剂向列相液晶的介电及挠曲电性能

在电场作用下,同心圆柱筒中的介电作用及挠曲电作用具有与平面液晶盒中不同的性质。本文在轴向强锚定边界条件下,对柱筒内添加手性剂的向列相液晶5CB施加径向电场,分别研究了介电效应和挠曲电效应对指向矢分布的影响。基于液晶连续体弹性理论和有限差分迭代方法,计算了体平衡态方程。通过数值计算发现,挠曲电系数e1、e3具有不同的取向作用。本文的模拟结果为电场作用下柱筒内手性向列相液晶指向矢结构的预测提供了更全面的理论分析,对液晶挠曲电系数的测量也具有一定的指导意义。

向列相液晶的饱和非线性及双稳态孤子

本文讨论了正性向列相液晶的饱和非局域非线性.从光束在正性向列相液晶中传输满足的非线性耦合模型出发,分别讨论了1+1维和1+2维情况下液晶非线性折射率的饱和特性,并得到了在不同预偏角情况下,饱和双稳态孤子的数值解.结果表明:液晶中预偏角越大其饱和非线性折射率的值就越小,存在双稳态孤子的范围也越小;当非线性折射率饱和后,双稳态孤子之间的波形差异明显,且饱和情况下存在的孤子光斑不再是圆形.

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。

电场驱动下向列相液晶中耗散型指向子的研究

从海洋到天空,从物理到生物系统,孤子无处不在并且在各式各样的非线性系统中被观测到。液晶作为一种典型的非线性材料,除了被广泛应用于显示器领域,还经常被作为对孤子研究的理想材料。由于其在基础物理科学以及各种应用领域中的潜在价值,液晶孤子在近些年受到了越来越多的关注。本文介绍了近年来耗散型液晶孤子(指向子)最新的实验研究进展,重点介绍了其在非手性和手性向列相液晶中开展的指向子的实验研究进展。新型的耗散型液晶孤子(即指向子)具有复杂多样的非线性动态行为,将在光学和微流控领域产生潜在应用。

液晶润滑ZrO_(2)/PI的超滑性能研究

研究了由液晶(LC)和聚酰亚胺(PI)组成的摩擦学系统的摩擦性能。该摩擦学系统用ZrO_(2)和PI(PMDA-ODA)薄膜作为摩擦副,液晶3PEP5(80%)-3UTPP2(20%),3PEP5(80%)-3UTPP4(20%)和3PEP5(80%)-4UTPP3(20%)作为润滑剂。在不同的转速和载荷下对该系统进行了摩擦试验,并对实验样品PI膜进行了表面分析测试,其中包括白光干涉测试和SERS。摩擦实验结果表明:液晶3PEP5(80%)-4UTPP3(20%)在5?N载荷和250?r/min转速下的平均摩擦系数最小。表面分析结果表明:PI分子主链与侧链的部分基团在摩擦后的取向与PI表面平行,导致超滑现象的产生。在摩擦学系统中以ZrO_(2)陶瓷作为摩擦副是一种新的尝试,这有助于推动ZrO_(2)摩擦系统的研究。

液晶在气体传感领域的研究进展

基于液晶的气体传感器是一个新兴的研究领域。液晶本身具有化学多样性、可逆的分子排列和固有的自组装能力,可以满足传感器高灵敏度、快速响应、低能耗和选择性等要求。随着相关研究的深入,液晶气体传感方法也不断被完善。本文回顾了近几年基于液晶的气体传感技术,讨论了现有液晶气体传感技术的检测方法,主要包括向列相液晶的气体检测方法和胆甾相液晶的气体传感方法。向列相液晶的气体传感包括功能化基板的液晶膜传感、特性几何形貌的液晶传感和液晶液滴传感方法。胆甾相液晶的气体传感主要包括聚合物胆甾相液晶膜的气体传感、液晶液滴传感、基于光纤的气体检测以及纤维素气体传感。最后对液晶气体传感的应用和发展进行了阐述。

不同形貌Ni颗粒对向列相液晶电光性能的影响

将不同形貌的Ni颗粒(类碗状Ni颗粒、Ni花颗粒和Ni球颗粒)掺杂在液晶中制备了扭曲向列相(TN)液晶显示模式液晶盒,采用液晶综合参数测试仪对掺杂不同形貌Ni颗粒的向列相液晶(NLC)显示模式液晶盒的阈值电压、饱和电压、对比度及响应时间进行了研究。结果表明,掺杂Ni颗粒后,液晶的电光性能得到明显改善,阈值电压、饱和电压均有所降低,对比度明显增大,响应时间下降。其中类碗状Ni颗粒改善效果最为明显,驱动电压降幅达到13.77%,对比度增大35.55%,响应时间降低至9.390 ms。Ni颗粒的形貌及比表面积对液晶的电光性能有很大影响。比表面积及曲率大的Ni颗粒对液晶电光性能的改善效果好。

一种改进的C-V方法对向列相液晶弹性常数k_(11)、k_(33)测量的理论研究

提出了一种更为准确的测量向列相液晶展曲、弯曲弹性常数的C-V方法。以正性液晶材料为例,当沿面排列的液晶分子预倾角不为零时,阈值电压值不易确定,k11的确定必定存在误差,而以前报道并未考虑到此问题。文章针对此问题给出了在强锚定条件下,预倾角不为零时C-V的关系式,并提出了通过曲线拟合来同时确定弹性常数k11、k33的方法。此方法对弹性常数的测量更为准确,液晶盒的制作要求降低,且测试简单、易操作。

快速高双折射率向列相液晶的分子设计与模拟计算

当前液晶自适应光学系统还不能满足校正大气湍流频率(>40Hz)的要求,这主要受限于LCOS器件的响应速度(10～20ms)和位相调制量超过1λ的系统要求。研制新型快速高双折射率向列相液晶材料是解决这一问题的根本方案。本文从分子结构上探讨了影响液晶粘度和双折射率的一般规律。在此基础之上,设计了两种低粘度、高双折射率的液晶分子。通过使用AM1半经验量子化学算法进行了模拟计算,预测了所设计的液晶材料的Δn和Δε值。模拟结果说明,这两种结构的液晶材料能够很好地满足自适应系统的要求。

平行排列向列相液晶的导波研究

基于透镜扩束系统,应用棱镜耦合技术对液晶层的全漏导模特性进行了研究。采用盒厚为4.6μm的平行排列向列相液晶盒,其内灌注E7液晶,通过实验给出了平行排列向列相液晶薄层的导波图,进而将实验结果与理论模拟结果进行了比较,理论所预言的液晶波导的导模在实验的导波图上得到了很好的验证。

向列相液晶电热光效应的实验研究

通过研究在变化的温度下向列相液晶BL 0 0 9的电控双折射率特性 ,探讨了向列相液晶的电热光效应。实验上采用简单、精确的偏光干涉法 ,在入射光波长为 6 30nm、测出从室温 2 0℃～ 10 0℃时 ,液晶的透射率随温度的变化曲线。从而得到液晶电控双折射率随温度的变化曲线。分析实验数据可知 ,液晶的电控双折射率随温度的升高 ,在外加电压值不同时具有不同的变化规律。此实验结果对液晶器件的设计、制作、使用都具有一定的参考价值。

向列相液晶中的耦合自相位调制现象

通过实验研究了C60掺杂的向列相液晶(5CB)在低光强下的自相位调制现象。样品经过二波耦合实验之后液晶分子进行一定的取向,这时在水平和竖直偏振光的照射下可观察到明显的自相位调制现象。改变入射光的偏振方向可以看到自相位调制的衍射图样也随之改变,原因就是液晶折射率变化的各向异性。可见,液晶盒中的分子取向与光束的偏振方向有很强的依赖关系。

向列相液晶动态全息存储特性的研究

研究了C60掺杂向列相液晶中全息光栅的形成,实验中我们利用了一种特殊的全息再现方法:即低电压记录,高电压再现,观察到清晰的全息再现像 实验结果表明样品具有良好的全息存储能力 分析了电压对实验结果的影响,实验表明:为了避免动态散射的出现应使用较低的记录电压,而再现时应采取高电压以重新激发隐藏的光栅,提高再现的质量。