專利名稱：手性液晶退偏器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于控制光偏振的器件或裝置領(lǐng)域，具體涉及一種手性液晶退偏器及其制備方法。
背景技術(shù)：
在光纖、大氣或海面等介質(zhì)中傳播的光，其偏振特性會發(fā)生很大變化。如何控制或消除因偏振態(tài)變化而帶來的影響，是強(qiáng)激光、高精度光譜輻射測量、空間光學(xué)遙感、光通訊等眾多技術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的問題。美國等國家的學(xué)者對退偏器件在遙感器、強(qiáng)激光等方面的應(yīng)用研究較多，并在CZCS、EAWIFS、MODIS2N、MERIS等遙感器中得到應(yīng)用。
目前常用的退偏器主要是利用晶體二向色性，即入射光經(jīng)過二向色性晶體后，由于各波長具有不同的位相延遲，產(chǎn)生了不同橢偏率的橢圓偏振光，出射光束由多種偏振狀態(tài)的偏振輻射組合而成，結(jié)果使出射光接近非偏振。通過改變光學(xué)器件中的介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)來改變、控制光的傳輸方向。其中，楔形晶體退偏器和石英旋光退偏器較為常用。
楔形晶體退偏器為斜劈狀，光軸方向與通光面平行，入射平面偏振光振動方向應(yīng)與晶體光軸方向成45°夾角，因器件的厚度在不斷變化，透過光束包含了由從圓偏振、橢圓偏振到線偏振的多種偏振態(tài)勢的微光束的空間迭加，從而起到退偏的作用。楔形晶體退偏器對入射光的偏振方向有嚴(yán)格的要求，其應(yīng)用受到諸多限制，并有光束偏折現(xiàn)象，且晶體光楔加工困難，大口徑的晶體光楔非常昂貴。
石英旋光退偏器根據(jù)石英晶體的旋光性研制的復(fù)合型退偏器，是由左旋和右旋兩部分石英棱鏡組成，兩塊棱鏡大小相等，結(jié)構(gòu)角一致。偏振光沿光軸方向傳輸，通光面中的不同部位將對應(yīng)著不同的厚度，旋過的角度也不同，出射光束將是一束混合迭加的退偏光束。石英旋光退偏器對入射光偏振方向非常敏感，一旦入射光偏振方向發(fā)生變化，退偏效果就受到很大影響。
美國專利U.S.Appl.NO.097471、U.S.Appl.NO.256785采用分光相位延遲的方法來實(shí)現(xiàn)退偏，包括分束和合成等精密器件，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題上提供一種手性液晶退偏器及其制備方法。
本發(fā)明的手性液晶退偏器是一種可以控制或消除因偏振態(tài)變化而帶來不利影響、退偏時不依賴于入射光的偏振態(tài)和偏振方向、易于制作、成本較低、性能優(yōu)異的光學(xué)退偏器。
本發(fā)明的一種手性液晶退偏器，含有兩種光學(xué)透明材料，在其中之一的光學(xué)透明材料上設(shè)置有楔形或梯形槽陣列；兩種光學(xué)透明材料貼合形成具有楔形或梯形空腔的液晶盒，液晶盒內(nèi)設(shè)置有由聚酰亞胺溶液形成的取向膜，并灌注有具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物，取向膜誘導(dǎo)手性液晶自組織為晶體特征的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的手性液晶退偏器還可以在光學(xué)透明材料上設(shè)置有單楔形結(jié)構(gòu)的空腔液晶盒，在單楔形結(jié)構(gòu)的空腔液晶盒的大端設(shè)置有控制楔角大小的墊片。
手性液晶退偏器采用的具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物的組成為液晶(Δn值為0.07～0.35) 質(zhì)量百分比為65％～95％手性分子 質(zhì)量百分比為35％～5％。
本發(fā)明的手性液晶退偏器的取向膜摩擦方向相互平行。
本發(fā)明的一種手性液晶退偏器的制備方法，包括下列內(nèi)容a)將光學(xué)透明材料切割成所需尺寸形狀，并進(jìn)行磨邊；b)利用超聲波清洗機(jī)對透明材料進(jìn)行清洗；c)在110℃潔凈條件下(1000級)烘干30～40分鐘；d)在光學(xué)透明材料上涂覆濃度為4％的聚酰亞胺溶液，在清洗后的光學(xué)透明材料上形成100nm左右的取向膜；e)在溫度70℃～80℃的烤箱里先進(jìn)行預(yù)固化，再在溫度為180℃～200℃下進(jìn)行正式固化；f)將取向膜進(jìn)行摩擦處理；g)將處理過的光學(xué)透明材料對位貼合，灌注手性液晶，封邊。
本發(fā)明的一種手性液晶退偏器的制備方法，還可以采用下列內(nèi)容制備a)將光學(xué)透明材料切割成所需尺寸形狀，并進(jìn)行磨邊；b)利用超聲波清洗機(jī)對光學(xué)透明材料進(jìn)行清洗；c)在110℃潔凈條件下(1000級)烘干30-40分鐘；d)在光學(xué)透明材料上涂覆濃度為4％的聚酰亞胺溶液，在清洗后的光學(xué)透明材料上形成100nm左右的取向膜；e)在溫度70℃～80℃的烤箱里先進(jìn)行預(yù)固化，再在溫度為180℃～200℃下進(jìn)行正式固化；f)將取向膜進(jìn)行摩擦處理；g)將處理過的光學(xué)透明材料對位貼合，使用墊片來控制楔角，灌注手性液晶，封邊。
本發(fā)明的手性液晶退偏器包括具有空間幾何結(jié)構(gòu)的液晶盒，液晶盒灌注有手性分子和液晶組成的混合物(簡稱手性液晶)，液晶和液晶盒的界面是取向膜，取向膜可誘導(dǎo)液晶盒內(nèi)手性液晶自組織為有晶體特征的組織結(jié)構(gòu)。手性液晶只有在小于100μm的盒厚，在取向膜的誘導(dǎo)下才具有較好的晶體特征，隨口徑的增大，楔形高度也增大，超過100μm后就需要設(shè)計(jì)為陣列結(jié)構(gòu)，這種大口徑的手性液晶退偏器通常應(yīng)用于大于5mm的光束直徑。當(dāng)應(yīng)用于小于5mm光束直徑的小口徑手性液晶退偏器不需要復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，可由上下光學(xué)透明材料組成楔形盒，用墊片來控制退偏器的楔角，楔形盒內(nèi)灌注手性液晶，液晶和液晶盒的界面為取向膜。
空間幾何結(jié)構(gòu)，如三角形的楔形、梯形的斜劈或楔形斜劈陣列等，可使手性液晶膜層厚度在不斷變化，透過的光束就包含了由從圓偏振、橢圓偏振到線偏振的多種偏振態(tài)勢的微光束的空間迭加，從而起到退偏的作用；手性分子具有螺旋結(jié)構(gòu)，和液晶組成混合物時，在取向膜的誘導(dǎo)下，可自組織為具有晶體結(jié)構(gòu)和旋光性質(zhì)的手性液晶，在不同部位將對應(yīng)著不同的厚度的手性液晶膜層，旋過的角度也不同，出射光束將是一束混合迭加的退偏光束。取向膜沿特定方向摩擦處理后，誘導(dǎo)手性液晶取向，才具有對偏振光進(jìn)行調(diào)制的能力。
手性液晶退偏器退偏器適用于任意偏振方向和偏振態(tài)(線偏振、圓偏振、橢圓偏振)，適用波長在0.4um～20um，口徑可在1mm到數(shù)百mm范圍內(nèi)調(diào)整。
本發(fā)明利用手性液晶的旋光性和雙折射，以及具有空間幾何結(jié)構(gòu)的液晶盒，使入射偏振光的出射光束由2π內(nèi)長軸方向均勻分布的橢圓偏振光組合而成，即偏振態(tài)不再具某方向的優(yōu)先取向。手性液晶退偏器包括具有空間幾何結(jié)構(gòu)的液晶盒、手性液晶、誘導(dǎo)液晶盒內(nèi)手性液晶自組織為有晶體特征結(jié)構(gòu)的取向膜。主要應(yīng)用于強(qiáng)激光、光通訊、光學(xué)遙感、光譜分析等對光的偏振態(tài)敏感的諸領(lǐng)域。
手性液晶退偏器兼具楔形晶體退偏器和旋光晶體退偏器的優(yōu)點(diǎn)，更為突出的是可在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單色光退偏，且對任意入射偏振光方向都有很好的退偏效果。手性液晶退偏器制作工藝簡單，成本大幅下降，特別對于大口徑光束退偏，優(yōu)勢明顯。


圖1為本發(fā)明的手性液晶退偏器結(jié)構(gòu)(楔形陣列)示意圖，(a)為手性液晶退偏器主視圖，(b)為手性液晶退偏器俯視剖面圖。
圖2為本發(fā)明應(yīng)用于光束直徑小于5mm的小口徑手性液晶退偏器結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為手性液晶退偏器主視圖，(b)為手性液晶退偏器俯視剖面圖。
圖3為本發(fā)明的手性液晶退偏器應(yīng)用示例情況圖(a)、(b)、(c)。
圖4為本發(fā)明的手性液晶退偏器檢測光路圖。
圖5為本發(fā)明的手性液晶退偏器退偏后光束偏振態(tài)檢測圖。
圖6為0.6328μm激光通過起偏器、手性液晶退偏器和檢偏器時，旋轉(zhuǎn)檢偏器取得的信號情況圖(a)、(b)。
圖中光學(xué)透明材料(1、2)，取向膜(3、5)，4墊片，6具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物(手性液晶)，7取向膜的磨擦方向，8封邊膠
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的手性液晶退偏器進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖1為大口徑手性液晶退偏器空間幾何結(jié)構(gòu)(楔形陣列)示意圖，(a)為手性液晶退偏器主視圖，(b)為手性液晶退偏器俯視剖面圖。
本發(fā)明的手性液晶退偏器，其中光學(xué)透明材料(1、2)采用玻璃，手性液晶退偏器由具有楔形槽陣列的上基板玻璃和下基板玻璃組成；構(gòu)成楔形的玻璃表面涂覆濃度為4％的聚酰亞胺溶液形成取向膜(3、5)；取向膜(3、5)經(jīng)摩擦處理，形成溝道，液晶分子沿溝道排布，形成結(jié)構(gòu)有序的晶體，取向膜(3、5)的摩擦方向平行且沿圖1(a)中7所示方向。楔形陣列空腔內(nèi)灌注手性分子和液晶混合物6，然后用封邊膠8封邊。手性液晶只有在小于100μm的盒厚，在取向膜的誘導(dǎo)下才具有較好的晶體特征。隨口徑的增大，楔形高度也增大，超過100μm后就需要設(shè)計(jì)為陣列結(jié)構(gòu)。
圖2為小口徑手性液晶退偏器結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為手性液晶退偏器主視圖，(b)為手性液晶退偏器俯視剖面圖。較小口徑的退偏器可制成單楔形結(jié)構(gòu)，包括上、下光學(xué)玻璃，取向膜(3、5)，取向膜(3、5)的摩擦方向須平行且沿7所指方向，控制楔角的墊片4，手性分子和液晶混合物6。
本發(fā)明的手性液晶退偏器，光學(xué)玻璃也可采用塑料、晶體等光學(xué)材料替代?？臻g結(jié)構(gòu)可采用楔形、梯形、梯形陣列、梯形斜劈等結(jié)構(gòu)。
手性液晶退偏器制備方法將光學(xué)透明材料玻璃切割成所需的尺寸形狀，對透明材料進(jìn)行磨邊。利用超聲波清洗機(jī)對透明材料進(jìn)行清洗，將玻璃上各種污染物和黏附的灰塵等徹底清洗干凈。然后在110℃潔凈條件下(1000級)烘干35分鐘。接下來在玻璃上涂覆濃度為4％的聚酰亞胺溶液，在清洗后的透明玻璃上形成100nm左右的取向膜(3、5)，控制好膜的均勻性。在80℃的烤箱里預(yù)固化，正式固化溫度為190℃。
取向膜(3、5)的摩擦處理是制作退偏器中重要的環(huán)節(jié)，和普通液晶盒相比，手性液晶退偏器具有楔形等空間幾何結(jié)構(gòu)，摩擦工藝更雜，需根據(jù)空間幾何結(jié)構(gòu)來安排摩擦方向。為使手性液晶取向更為有序，取向膜(3、5)的摩擦方向相互平行，沿圖2(a)中楔面所示7的方向。
對于小口徑手性液晶退偏器，使用墊片4來控制楔角；對于大口徑的手性液晶退偏器，把具有空間幾何結(jié)構(gòu)的上下玻璃對好位置，貼合，灌注手性液晶6，用封邊膠8封邊。
手性液晶的配制過程，手性分子具有螺旋結(jié)構(gòu)，作為添加劑添加在液晶中，形成具有旋光性質(zhì)的手性液晶。如本發(fā)明中應(yīng)用手性分子CB15與Δn值為0.272的液晶BL-038(Merck公司)組成的手性液晶，當(dāng)液晶的質(zhì)量百分比為90％，手性分子質(zhì)量百分比為10％時，對線偏振綠激光實(shí)現(xiàn)很好的退偏。根據(jù)具體使用要求，可選擇Δn值為0.07～0.35(Δn＝no-no)的單體液晶或混合液晶，質(zhì)量百分比為65～95％(對紅外等較長波長的光退偏，選擇較高質(zhì)量百分比；對較短波長的光退偏，選擇較低質(zhì)量百分比)添加適當(dāng)?shù)淖笮蛘哂倚中苑肿樱|(zhì)量百分比為35％～5％(對紅外等較長波長的光退偏，選擇較低質(zhì)量百分比；對較短波長的光退偏，選擇較高質(zhì)量百分比)，以獲得具有螺旋結(jié)構(gòu)的手性液晶混合物，手性液晶的螺距應(yīng)大于需要消偏的入射光波長，加熱至液晶清亮點(diǎn)溫度以上充分混合。
手性液晶退偏器應(yīng)用情況如圖3所示。
圖3(a)所示，光纖激光器沒有受到干擾時，經(jīng)檢偏器后，輸出激光功率穩(wěn)定。
圖3(b)所示，由于光纖雙折射特性，光纖激光器的輸出光或經(jīng)光纖傳輸光的偏振態(tài)會隨溫度、壓力和彎曲等各種因素變化，經(jīng)起偏器起偏后，其輸出功率會出現(xiàn)較大起伏。
通常采用主動退偏的光纖激光器系統(tǒng)，兩束偏振態(tài)正交的激光種子源疊加為圓偏振態(tài)，以減少傳輸過程中因偏振態(tài)的變化帶來的影響，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，技術(shù)難度大。因此被動退偏具有迫切的需求。
圖3(c)所示，在起偏器前加上手性液晶退偏器就可以改善由上述溫度、壓力和彎曲等各種因素造成的影響，激光輸出功率穩(wěn)定。
退偏器退偏試驗(yàn)檢測實(shí)驗(yàn)檢測光路圖如圖4所示，單波長激光器發(fā)射的橢圓偏振激光束通過起偏器后變成線偏振光，然后經(jīng)過手性液晶退偏器的退偏作用變成非偏振光，最后經(jīng)過檢偏器被光電探測器接收，信號經(jīng)示波器讀出處理。在具體檢測時，先固定起偏器的偏振方向不動，然后旋轉(zhuǎn)檢偏器來檢測液晶退偏器的退偏度；接下來改變起偏器的偏振方向，再旋轉(zhuǎn)檢偏器來檢測液晶退偏器對入射偏振光的敏感程度。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。
圖5中，手性液晶退偏器退偏后的光束偏振態(tài)在空間幾乎各向同性分布，偏振方態(tài)不再具某方向的優(yōu)先取向，即實(shí)現(xiàn)了退偏。
圖6中，橫坐標(biāo)描述了檢偏器旋轉(zhuǎn)角度的變化，縱坐標(biāo)表示了射出激光光強(qiáng)的變化，圖6(a)表示沒有退偏的情況，激光光強(qiáng)經(jīng)檢偏器后發(fā)生周期性的變化；圖6(b)表示經(jīng)手性液晶退偏器退偏后，激光光強(qiáng)經(jīng)檢偏器后幾乎不變，表明偏振態(tài)在空間不再具某方向的優(yōu)先取向，實(shí)現(xiàn)了退偏。
權(quán)利要求
1.一種手性液晶退偏器，其特征在于所述的手性液晶退偏器包括光學(xué)透明材料(1)和光學(xué)透明材料(2)，在光學(xué)透明材料(2)上設(shè)置有楔形或梯形槽陣列；光學(xué)透明材料(1)和光學(xué)透明材料(2)貼合形成具有楔形或梯形空腔的液晶盒，液晶盒內(nèi)設(shè)置有由聚酰亞胺溶液形成的取向膜(3、5)，并灌注有具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物(6)，取向膜(3、5)誘導(dǎo)手性液晶自組織為晶體特征的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手性液晶退偏器，其特征在于所述的光學(xué)透明材料(2)上設(shè)置有單楔形結(jié)構(gòu)的空腔液晶盒，還在單楔形結(jié)構(gòu)的空腔液晶盒的大端設(shè)置有控制楔角大小的墊片(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的手性液晶退偏器，其特征在于所述的具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物(6)的組成為液晶(Δn值為0.07～0.35) 質(zhì)量百分比為65％～95％手性分子 質(zhì)量百分比為35％～5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的手性液晶退偏器，其特征在于所述的取向膜摩擦方向?yàn)槿∠蚰?3)與取向膜(5)的摩擦方向相互平行。
5.一種用于權(quán)利要求1所述的手性液晶退偏器的制備方法，其特征在于包括下列內(nèi)容a)將光學(xué)透明材料(1、2)切割成所需尺寸形狀，并進(jìn)行磨邊；b)利用超聲波清洗機(jī)對透明材料(1、2)進(jìn)行清洗；c)在110℃潔凈條件下(1000級)烘干30～40分鐘；d)在光學(xué)透明材料(1、2)上涂覆濃度為4％的聚酰亞胺溶液，在清洗后的光學(xué)透明材料(1、2)上形成100nm左右的取向膜(3、5)；e)在溫度70℃～80℃的烤箱里先進(jìn)行預(yù)固化，再在溫度為180℃～200℃下進(jìn)行正式固化；f)將取向膜(3、5)進(jìn)行摩擦處理；g)將處理過的光學(xué)透明材料對位貼合，灌注具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物(6)，封邊。
6.一種用于權(quán)利要求2所述的手性液晶退偏器的制備方法，其特征在于包括下列內(nèi)容a)將光學(xué)透明材料(1、2)切割成所需尺寸形狀，并進(jìn)行磨邊；b)利用超聲波清洗機(jī)對光學(xué)透明材料(1、2)進(jìn)行清洗；c)在110℃潔凈條件下(1000級)烘干30～40分鐘；d)在光學(xué)透明材料(1、2)上涂覆濃度為4％的聚酰亞胺溶液，在清洗后的光學(xué)透明材料(1、2)上形成100nm左右的取向膜(3、5)；e)在溫度70℃～80℃的烤箱里先進(jìn)行預(yù)固化，再在溫度為180℃～200℃下進(jìn)行正式固化；f)將取向膜(3、5)進(jìn)行摩擦處理；g)將處理過的光學(xué)透明材料對位貼合，使用墊片(4)來控制楔角，灌注具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物(6)，封邊。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種手性液晶退偏器及其制備方法。本發(fā)明的手性液晶退偏器包括光學(xué)透明材料(1、2)，在光學(xué)透明材料(2)上加工有楔形或梯形槽陣列，并涂敷形成取向膜(3、5)，并誘導(dǎo)手性液晶自組織成為具有晶體特征的結(jié)構(gòu)；光學(xué)透明材料(1、2)貼合形成具有楔形或梯形空腔的液晶盒，液晶盒內(nèi)灌注具有旋光性質(zhì)的手性分子和具有雙折射特性的液晶組成的混合物(6)。當(dāng)手性液晶退偏器為單楔形結(jié)構(gòu)時還包括控制楔角的墊片(4)。手性液晶退偏器兼具楔形晶體退偏器和旋光晶體退偏器的特點(diǎn)，可在寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單色光退偏，且對任意方向的入射偏振光都有很好的退偏效果。本發(fā)明制作工藝簡單，成本大幅度降低，特別是對于大口徑光束退偏優(yōu)勢更加明顯。
文檔編號G02F1/13GK1749810SQ20051002156
公開日2006年3月22日 申請日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者張大勇, 羅飛, 駱永全, 劉海濤, 張寧, 劉倉理, 李劍峰 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所