新型多功能液晶光学器件——电、光和热响应的液晶偏振体光栅

布拉格光栅是一种周期性折射率调制的反射结构,在自由空间滤波器、光纤滤波器、波分复用器和波导耦合器等方面都有广泛的应用。作为一种高效的体布拉格光栅,液晶偏振体光栅具有较强的圆偏振选择性、~100%的衍射效率和较大的偏转角等特点,在激光束控制、增强现实(AR)显示的波导耦合器、远程通信设备的开关、可切换的加-减滤波器、光学互连、动态均衡器、可变光衰减器和可切换滤波器等领域具有潜在的应用前景。液晶是很特殊的软物质材料,其分子对光、电、热等外部刺激具有响应的特性,因此很容易制作成方便调制的光学器件。具有单一响应特性的液晶布拉格光栅已有报道,但存在操作电压高、制作工艺复杂和光散射等问题。

近日,美国中佛罗里达大学光学院(CREOL)吴诗聪教授,陕西师范大学材料学院安忠维教授和博士研究生陈然等,首次将光敏感型偶氮苯手性分子掺入双频液晶中,获得了一种对电、光、热三重刺激响应的多功能液晶偏振体光栅。该液晶偏振体光栅的制作方法极为简单,将手性液晶的螺旋轴沿着光取向层(BY)周期性排列的图案定向,从而形成倾斜的螺旋结构。在低频46 V电压状态下,手性液晶分子解旋趋向于垂直排列,布拉格反射消失;切换到高频30 V电压状态,手性液晶分子重新配向为平面状态的螺旋结构,布拉格反射效率大于95%。该器件光栅消失的响应时间是1.36 ms,开启的响应时间为11.55 ms。若施加的低频电压不足以使液晶分子垂直排列,在1 kHz~50 kHz之间改变频率可实现往复地调节布拉格反射。该器件在室温周围对温度波动相对不敏感,温度升高使得布拉格反射波长呈现较大的红移,该系统的热致变色特性可以应用于传感器。在升降温循环过程中,该器件几乎没有观察到热滞后现象,说明其热响应过程具有可逆性。由于紫外光作用下偶氮苯手性材料发生反式-顺式光异构化反应,其螺旋扭曲力(HTP)降低,使得该器件可以在整个可见光谱上调制布拉格波长。同时,本文建立了光敏PVG的UV曝光时间、布拉格中心波长和带宽之间的相关关系。综上,该液晶光学器件具有制备工艺简单、切换电压低、衍射效率高、光散射小等优势,同时具备电、光、热三重响应特性,因此,本文报道的新型多功能液晶光学器件在波导耦合光栅或光束转向器件中有着很大的应用潜力。

该研究成果发表于Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900101),陈然为第一作者,共同作者还包括李昀翰、湛韬和尹坤。