專利名稱：基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于液晶的負折射器件，特別涉及一種溫度調(diào)控光頻負折射器件。
背景技術(shù)：
近年來，隨著人工周期材料，如左手材料(left-handed metamaterials)和光子晶體(photonic crystals)研究的升溫，負折射現(xiàn)象也受到了人們的廣泛關(guān)注。負折射是一種有悖于人們以往光學(xué)常識的物理現(xiàn)象。理論預(yù)言負折射在光學(xué)和信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，如突破衍射極限成像等，有望能為信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命。
目前，負折射現(xiàn)象主要是通過上述人工周期材料實現(xiàn)。然而，受人工周期材料物理性質(zhì)和加工手段的制約，采用該方式來實現(xiàn)負折射具有以下缺點首先，工作波段基本上集中于微波波段并且響應(yīng)頻寬較窄；其次，材料一經(jīng)制得其負折射行為就不可調(diào)控。另外，紅外和可見光波段的負折射效應(yīng)在無線電通訊、信息技術(shù)等領(lǐng)域具有更光明的應(yīng)用前景。因此，利用人工周期材料實現(xiàn)負折射很大程度上制約了其應(yīng)用和發(fā)展。
液晶是一種奇特且已被人們系統(tǒng)研究和充分認識的材料，已被廣泛地應(yīng)用到許多新的技術(shù)領(lǐng)域。其主要特性是分子排列并不像晶體結(jié)構(gòu)那樣牢固，容易受到電場、磁場、溫度、應(yīng)力等外部刺激的影響，從而光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。液晶這種作用力微弱的分子排列，正是其眾多光學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本發(fā)明正是利用液晶在不同溫度下敏感的光學(xué)響應(yīng)行為，實現(xiàn)可調(diào)控的光頻負折射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件。該器件由起偏器、液晶、控溫裝置及光學(xué)玻璃組成，能使入射到該器件上的光發(fā)生折射且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負折射現(xiàn)象。利用溫度對液晶雙折射率的調(diào)節(jié)特性來實現(xiàn)負折射的可調(diào)控性。
首先對光學(xué)玻璃表面進行液晶預(yù)傾角處理，用含有肉桂酸、香豆素以及其衍生物基團的高分子以及光敏聚酞胺酸等材料，通過線性偏振紫外光照射誘導(dǎo)液晶取向(簡稱“光控取向”)的方法對光學(xué)玻璃進行表面處理，得到表面預(yù)傾角處理的光學(xué)玻璃片，將處理過的光學(xué)玻璃的取向表面相對，粘合成間距Lμm間距的雙平板結(jié)構(gòu)，在雙平板結(jié)構(gòu)中加入液晶，并在上方的光學(xué)玻璃上面固定一個起偏器，使其偏振方向平行于界面并與液晶分子的預(yù)傾角在同一平面內(nèi)。
所述對光學(xué)玻璃表面進行液晶預(yù)傾角處理的預(yù)傾角為0～90°。
所述對光學(xué)玻璃進行表面處理的光控取向方法能夠通過調(diào)節(jié)入射光角度來實現(xiàn)控制表面的預(yù)傾角大小，并且是一種非接觸性的取向方法，故可以避免靜電產(chǎn)生及灰塵污染。除采用以上方法外，還可采用SiOx薄膜的斜向蒸鍍法、聚酰亞胺LB膜取向法等對光學(xué)玻璃進行液晶分子預(yù)傾角處理。
本發(fā)明的有益效果是利用液晶分子取向參量隨溫度的可調(diào)節(jié)特性，即雙折射率隨溫度的可調(diào)節(jié)特性來實現(xiàn)負折射的可調(diào)控性。在80℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，液晶負折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負折射角為-5.8°，能對入射角小于8.4°的光波實現(xiàn)可調(diào)控負折射。該器件在平板成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件。
圖2為電場振動方向位于主截面內(nèi)的線偏振光入射到光學(xué)玻璃與正單軸液晶界面時發(fā)生負折射的示意圖。OB和OC分別表示群速度和相速度的方向。
圖3為正單軸向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)的負折射隨溫度的調(diào)控曲線。
圖4為正單軸向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)的最大負折射角以及發(fā)生負折射的最大入射角隨溫度的變化關(guān)系曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件。在圖1所示的基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件的結(jié)構(gòu)示意圖中，該器件由起偏器1、液晶3及上、下兩塊光學(xué)玻璃板2和4、環(huán)圍光學(xué)玻璃5、控溫裝置6組成。首先通過線性偏振紫外光照射誘導(dǎo)液晶取向(簡稱“光控取向”)的方法，對光學(xué)玻璃2和4的導(dǎo)電表面進行液晶預(yù)傾角處理。具體地，將光敏聚酰亞胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶劑中配成1％的溶液，旋轉(zhuǎn)涂覆在光學(xué)玻璃導(dǎo)電表面上；將上述涂有光敏聚酰亞胺的光學(xué)玻璃在150℃，烘烤5小時，然后在偏振紫外光下垂直照射25分鐘，得到表面取向處理光學(xué)玻璃板2和4，將兩片表面取向處理過的光學(xué)玻璃板按照表面取向面相對平行粘合成間距L為5μm~200μm間距的上光學(xué)玻璃板2和下光學(xué)玻璃板4的雙平板結(jié)構(gòu)，其間放置環(huán)圍光學(xué)玻璃5，在雙平板結(jié)構(gòu)中注入液晶3，并在上光學(xué)玻璃2的上面固定一個起偏器1，使其偏振方向平行于界面并與液晶分子的預(yù)傾角在同一平面內(nèi)。能使入射到該器件上的光發(fā)生折射且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負折射現(xiàn)象；同時該器件的核心是液晶的雙折射率隨溫度變化而變化，從而其負折射行為受到溫度調(diào)控。具體地，將上述液晶裝置放置在控溫裝置6中，通過調(diào)節(jié)控溫裝置6的溫度，調(diào)節(jié)液晶雙折射率從而實現(xiàn)負折射的可調(diào)控性。
本發(fā)明是按照如下技術(shù)方案實現(xiàn)的光束由各向同性媒質(zhì)入射到單軸晶體時，通常會發(fā)生雙折射。當(dāng)偏振方向位于主截面內(nèi)的光束以一定角度入射在單軸晶體(光軸與界面成某一角度)界面上時，折射光S3和入射光S1可能位于界面法線的同側(cè)的折射光即折射光S2，即發(fā)生負折射現(xiàn)象。液晶3是一種依靠微弱作用力實現(xiàn)分子有序排列的特殊晶體材料。液晶的各向異性光學(xué)性質(zhì)與普通光學(xué)晶體類似，其分子軸取向即為光軸方向。因此，當(dāng)液晶分子軸與界面成一定角度時，具有一定偏振特性的光可以實現(xiàn)負折射。又由于液晶的光學(xué)性質(zhì)易于受外場(如電場、磁場、溫度和應(yīng)力場等)的影響，從而可通過改變溫度來調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì)，進而實現(xiàn)負折射的溫度可調(diào)控特性。
考慮如圖2所示情形，入射光S1經(jīng)起偏器1后變?yōu)槠穹较蛭挥谥鹘孛鎯?nèi)的線偏振光，然后線偏振光入射到各向同性材料與正單軸液晶(n0＜no＜ne)界面上，OC、OB分別代表e光相速度方向及e光群速度方向。液晶分子取向OA(即光軸)與界面T成∠TOA＝γ，于是，e光相速度及群速度方向與界面夾角分別為∠NOC＝θp和∠NOB＝θg，e光相速度與光軸夾角為∠AOC＝α。
則，相折射滿足斯涅爾定理n1sinθ1＝ne(α)sinθp……(1)其中，相折射率為ne(α)=none(no2sin2α+ne2cos2α)1/2---(2)]]>由于液晶的光學(xué)各向異性，使得e光相速度與群速度的方向不一致，他們之間偏離角稱為離散角Ω＝α-β＝∠AOC-∠AOB，可表示為Ω=actan((1-no2ne2)tanα(1+no2ne2tan2α))---(3)]]>根據(jù)上述關(guān)系式(1)~(3)可知，當(dāng)液晶光軸OA與界面T成一定角度γ時，入射光S1的折射光S3可能會與入射光S1位于界面法線的同側(cè)即折射光S2，即發(fā)生負折射現(xiàn)象。
對于向列型液晶，其o光(尋常光)和e光(非常光)折射率與分子極化各向異性以及取向矢參量S的關(guān)系為ne2-no2n2+2=ρ·NA·(αl-αt)·S3Mϵ0---(4)]]>上式中n2=(ne2+2no2)/3,]]>ρ為液晶密度，NA為Avogadro常數(shù)，S為取向矢參量，M分子質(zhì)量，ε0為真空介電常數(shù)，αl和αt分別為分縱向和橫向的極化率。
由(4)式可知，液晶雙折射率的大小隨取向矢參量S以及液晶密度ρ的減小而減小。另外，由于取向矢參量S和密度ρ均隨溫度的升高而減小，而o光折射率在不同溫度下基本保持恒定，故e光折射率隨溫度的升高將減小，從而負折射效應(yīng)隨溫度升高單調(diào)減小，實現(xiàn)了溫度對負折射的調(diào)控。
因此，首先對光學(xué)玻璃表面進行液晶預(yù)傾角處理。用含有肉桂酸、香豆素以及其衍生物基團的高分子以及光敏聚酞胺酸等材料，通過線性偏振紫外光照射誘導(dǎo)液晶取向(簡稱“光控取向”)的方法對光學(xué)玻璃表面進行處理，從而在加入液晶時實現(xiàn)一定預(yù)傾角。該方法能夠通過調(diào)節(jié)入射光角度來實現(xiàn)控制表面的預(yù)傾角大小，并且是一種非接觸性的取向方法，故可以避免靜電產(chǎn)生及灰塵污染。除采用以上方法外，還可采用SiOx薄膜的斜向蒸鍍法、聚酰亞胺LB膜取向法等對光學(xué)玻璃進行液晶分子預(yù)傾角處理。
將上述處理過的光學(xué)玻璃的取向表面相對，形成具有5μm~200μm間距的雙平板結(jié)構(gòu)。在光學(xué)玻璃的上表面固定一個起偏器，使其偏振方向平行于界面并與液晶分子的預(yù)傾角在同一平面內(nèi)。
接下來將向列型液晶注入上述光學(xué)玻璃構(gòu)成的雙平板結(jié)構(gòu)。由于液晶負折射效應(yīng)與液晶材料雙折射率成正比，故此處應(yīng)選用雙折射率大于0.1的液晶材料。由于光學(xué)玻璃表面的預(yù)傾角取向作用，此時極板間液晶分子沿預(yù)傾角方向排列，因此液晶光軸與光學(xué)玻璃之間所成的角度等于預(yù)傾角的大小。
將上述固定有起偏器并注入向列型液晶的雙平板結(jié)構(gòu)放置到控溫裝置之中。該控溫裝置須滿足以下條件首先，其控溫精度應(yīng)達到±0.1℃；其次，該控溫裝置應(yīng)留有入射光和出射光通道。
使光波經(jīng)起偏器入射至光學(xué)玻璃與液晶的界面，通過調(diào)節(jié)控溫裝置實現(xiàn)溫度變化從而改變液晶的雙折射率，實現(xiàn)可調(diào)控的光頻負折射。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程和材料的性能由實施例和

實施例一通過線性偏振紫外光照射誘導(dǎo)液晶取向方法對光學(xué)玻璃板2和4的導(dǎo)電表面進行液晶預(yù)傾角處理。具體地，將光敏聚酰亞胺溶解在N-甲基吡咯烷酮溶劑中配成1％的溶液，旋轉(zhuǎn)涂覆在光學(xué)玻璃導(dǎo)電表面上；將上述涂有光敏聚酰亞胺的光學(xué)玻璃在150℃，烘烤5小時，然后在偏振紫外光下垂直照射25分鐘，得到有30°的預(yù)傾角的光學(xué)玻璃板2和4。將上述光學(xué)玻璃取向表面相對，粘合成間距50μm的雙平板結(jié)構(gòu)，環(huán)圍光學(xué)玻璃放置在雙平板結(jié)構(gòu)之間。在光學(xué)玻璃的上表面固定一個起偏器，使其偏振方向平行于界面并與液晶分子的預(yù)傾角在同一平面內(nèi)。
向兩光學(xué)玻璃間注入單軸向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)，其o光(尋常光)和e光(非常光)的折射率隨溫度的變化關(guān)系為 經(jīng)起偏器并以5°角入射的光波，光線折射角隨溫度的變化關(guān)系曲線如圖3所示?？梢钥闯觯?0℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，可得到連續(xù)可調(diào)的負折射，且其負折射角度絕對值隨溫度升高而減小。圖4給出了最大的負折射角和發(fā)生負折射時的最大入射角隨溫度的變化關(guān)系曲線?？梢钥闯鲈?0℃～160℃的溫度范圍內(nèi)，液晶負折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負折射角為-5.8°；同時，該液晶負折射器件能對入射角小于8.4°的光波實現(xiàn)可調(diào)控負折射。
實施例二同實施例一，通過線性偏振紫外光照射誘導(dǎo)液晶取向方法進行液晶預(yù)傾角處理，得到有10°的預(yù)傾角的光學(xué)玻璃板2和4，粘合成間距10μm的雙平板結(jié)構(gòu)，并向兩光學(xué)玻璃間注入單軸向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)。經(jīng)起偏器并以5°角入射的光波，在100℃～140℃的溫度范圍內(nèi)，可得到連續(xù)可調(diào)的負折射。在該溫度范圍內(nèi)，液晶負折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負折射角為-3.2°；同時，該液晶負折射器件能對入射角小于3.7°的光波實現(xiàn)可調(diào)控負折射。
實施例三同實施例一，通過線性偏振紫外光照射誘導(dǎo)液晶取向方法進行液晶預(yù)傾角處理，得到有70°的預(yù)傾角的光學(xué)玻璃板2和4，粘合成間距180μm的雙平板結(jié)構(gòu)，并向兩光學(xué)玻璃間注入單軸向列型液晶(4-n-butylphenyl-4-(4-n-butylbenzoyloxy)benzoate)。經(jīng)起偏器并以5°角入射的光波，在70℃～150℃的溫度范圍內(nèi)，可得到連續(xù)可調(diào)的負折射。在該溫度范圍內(nèi)，液晶負折射器件能夠?qū)崿F(xiàn)的最大負折射角為-5.3°；同時，該液晶負折射器件能對入射角小于4.9°的光波實現(xiàn)可調(diào)控負折射。
權(quán)利要求
1.一種基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件，該器件由起偏器、液晶、控溫裝置及光學(xué)玻璃組成，其特征是首先對光學(xué)玻璃表面進行液晶預(yù)傾角處理，用含有肉桂酸、香豆素以及其衍生物基團的高分子以及光敏聚酞胺酸材料，通過線性偏振紫外光照射的光控取向方法對光學(xué)玻璃進行表面取向處理，得到表面處理光學(xué)玻璃，將處理過的光學(xué)玻璃的取向表面相對，粘合成間距Lμm間距的雙平板結(jié)構(gòu)，環(huán)圍光學(xué)玻璃放置在雙平板結(jié)構(gòu)之間，在雙平板結(jié)構(gòu)中部加入液晶，并在雙平板結(jié)構(gòu)上光學(xué)玻璃板的上方固定一個起偏器，因此能使入射到該器件上的光發(fā)生折射且折射光和入射光位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負折射現(xiàn)象；利用溫度對液晶雙折射率的調(diào)節(jié)特性來實現(xiàn)負折射的可調(diào)控性。
2.如權(quán)利要求1所述基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件，其特征是起偏器的偏振方向平行于界面并與液晶分子的預(yù)傾角在同一平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件，其特征是液晶為雙折射率大于0.1的向列相液晶。
4.如權(quán)利要求1所述基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件，其特征是經(jīng)過取向處理的光學(xué)玻璃表面取向的預(yù)傾角為0°～90°。
5.如權(quán)利要求1所述基于液晶的溫度調(diào)控負折射器件，其特征是兩片光學(xué)玻璃預(yù)取向面相對形成間距為5μm～200μm的雙平行板結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于液晶的負折射器件的溫度調(diào)控光頻負折射器件。該器件由起偏器、液晶及光學(xué)玻璃組成。首先通過線性偏振紫外光照射的光控取向方法對光學(xué)玻璃表面進行液晶預(yù)傾角處理，將上述處理過的光學(xué)玻璃的取向表面相對，形成具有5μm~200μm間距的雙平板結(jié)構(gòu)，在雙平板結(jié)構(gòu)內(nèi)加入液晶，同時實現(xiàn)一定預(yù)傾角。在光學(xué)玻璃的上表面固定一個起偏器，使其偏振方向平行于界面并與液晶分子的預(yù)傾角在同一平面內(nèi)。其主要特點是能使入射到該器件上的光發(fā)生折射且折射光線和入射光線位于法線的同側(cè)，即發(fā)生負折射現(xiàn)象，利用液晶分子雙折射率隨溫度的可調(diào)節(jié)特性來實現(xiàn)負折射的可調(diào)控性。該器件在平板成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G02F1/13GK1866063SQ20061008940
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月23日
發(fā)明者周濟, 趙乾, 康雷, 李勃 申請人:清華大學(xué)