表面垂直取向对HPDLC光栅特性的影响

李文萃，舒新建，杨 燚，黄文彬

(1.国网河南省电力公司 信息通信公司，河南 郑州 450052；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033)

引言

HPDLC光栅(holographic polymer dispersed liquid cystal)，它是利用全息条件原理[1-3]，在相干光场下，使得反应体系(液晶和丙烯酸酯单体的均匀混合物)发生相分离，构成了聚合物区与液晶区规律性交替性排列，即一个聚合物层和一个液晶层构成一个周期，因而形成布拉格光栅[4-6]。由于液晶区和聚合物区的折射率存在一定的差值，形成了一种折射率调制，并且液晶材料的折射率是可以随着外加电场的改变而改变的，所以光栅的折射率差值也会随着电场的变化而减小，器件的透射光强度可以实现持续调节和控制[7-9]。因此，这种光栅和其他光栅器件相比具有很大的优势，它的制作方法非常简单，体积非常小，生产成本也很低，再加上其电场可调性，使得HPDLC光栅在诸多领域如变焦透镜、可调光衰减器以及光通信都有着较为广泛的应用。

近年来，HPDLC光栅引起了国内外众多研究者的关注， 2001年吴世聪等人[10]通过在材料中添加氨基氮二苯乙炔改善光栅的特性；2004年Roper等人[11]通过添加硫醇单体提高单体双键转化率，但是在提高HPDLC光栅衍射效率的同时也会引发一些其他的问题。以上学者大都从材料方面来改善光栅的特性，本文从改变外部条件入手，着重研究表面垂直取向处理对HPDLC光栅特性的影响，通过分析表面处理对液晶分子取向和光栅相分离程度的影响，指出只有在特定的垂直取向情况下，光栅的特性才能得到改善。

1 垂直取向层的作用深度

为了量化表面垂直取向处理对样品内部液晶分子的锚定作用，制备了5种盒厚不同的样品，液晶盒厚分别为3 μm、6 μm、9 μm、12 μm 和15 μm，将纯液晶TEB30A注入这几个液晶盒中。运用偏光显微镜对这几个不同厚度的液晶盒进行形貌的观测，基本的测试原理如图1所示，观测结果如图2所示。光栅放置在图中“样品”的位置，其中偏振片1和偏振片2的偏振态互相垂直。 如果液晶分子完全垂直于液晶盒的玻璃基板的话，在偏光显微镜下观察应为暗场。

图1 偏光显微镜测试对比度原理Fig.1 Contrast test principle of polarizing microscope

图2 偏光显微镜下观察的液晶形貌Fig.2 Liquid crystal morphology of polarized light microscope

从图2(a)中可以看出，在视野范围中只有很少的亮点出现，表明了当液晶盒厚非常小(3 μm)的时候，液晶分子是垂直于液晶盒表面排列的，所以经过偏光显微镜观察基本为全暗场，当液晶盒厚增加到6 μm 和 9 μm的时候，可以看到大片的彩色液晶区域出现，如图2(b) 和2(c) 所示，这说明了此时液晶分子已经不是完全按照垂直于液晶盒表面排列。当液晶盒厚继续增加之后，如图2(d) 和2(e)所示，当液晶盒厚为12 μm和15 μm时，偏光显微镜所能观察到的液晶彩色区域更大，几乎布满整个视野。由此可以得出以下结论：垂直取向层对液晶的锚定作用随着盒厚的增加而逐渐减弱，取向层的作用范围大概在3 μm～5 μm之间。

2 垂直取向深度对相分离的影响

为了说明表面的取向处理确实影响着光栅的相分离过程，将制备光栅的材料体系注入以上5种液晶盒，然后在UV光下曝光，并实时观察其形貌，如图3(a)～3(e)所示，每组图片均由6幅图片组成，分别展示出曝光开始后0 s、30 s、60 s、90 s、120 s、180 s器件的形貌。从图3(a) 和3(b)中可以看出，当盒厚为3 μm和6 μm时，在曝光180 s之后，视场里一直处于暗态，没有观察到有液晶分子析出，这说明了表面取向层对液晶分子有着非常强的锚定作用，使得相分离不能进行下去。随着盒厚的增加，相分离现象越来越容易出现，图3(c)、3(d)和3(e)中可以看出，盒厚为9 μm、12 μm和15 μm的样品，当分别曝光120 s、90 s 和60 s后有液晶分子析出，盒厚为12 μm的样品，其液晶析出的速度最快，析出的液晶也最多。由此可见，随着液晶盒厚度的增加，相分离开始的时间越来越快，并且分离程度也越来越深。这是由于随着盒厚的增加，取向层对液晶分子的锚定作用力越来越小，当盒厚增加到一定程度，就开始有液晶分子从聚合物中析出，然后随着盒厚的增加，液晶分子析出的速度和程度都随之增加。

图3 实时相分离形貌Fig.3 Phase separation morphology in real time

3 表面垂直取向对HPDLC光栅衍射效率的影响

将以上不同盒厚的5种样品置于双光束干涉场下进行曝光，制备激光器选用Nd-YAG激光器，并对制备好的光栅进行衍射效率、衍射能力以及散射损失的测试，测试结果如表1所示，只有当盒厚较小的时候(6 μm和9 μm)，HPDLC光栅的散射损失才有所减小，分别为7.3%和10.1%，但是衍射效率比较低。随着盒厚的增加，HPDLC光栅的衍射效率呈现一个上升的趋势，但是当盒厚过大的时候(大于15 μm)，其散射损失并没有减少，反而有所增加。由此可以看出，垂直取向处理虽然在盒厚较小的情况下能够实现液晶分子的一致排列，但是却影响光栅的相分离，所得光栅形貌也不理想，当盒厚较大时，表面的垂直取向剂只能对靠近玻璃基板表面的液晶分子进行取向，而液晶盒中间的液晶分子并没有被取向，所以当盒厚较大时，垂直取向处理对HPDLC光栅散射损失并没有太大的改善。只有当盒厚适中(12 μm)时，光栅的衍射效率最高，散射损失也最小。

表1 不同盒厚条件下HPDLC光栅的衍射特性Table 1 Diffraction characteristics of HPDLC grating with different cell gaps

究其原因，根本在于垂直取向条件下HPDLC光栅的相分离结构不好。图4给出了以上5种样品的SEM图片。为了更加深入了解垂直取向对光栅的形貌影响，本文将以前传统的HPDLC光栅形貌与不同盒厚的垂直取向光栅形貌进行对比，综合这6幅形貌图可以看出：当液晶盒厚较小的时候，如图4(a)和4(b)所示，相分离不明显，聚合物与液晶分子没有完全分开，因此这两条件下的光栅衍射效率比较低。随着盒厚的增加，析出的液晶分子会慢慢增多，逐渐形成液晶微滴，液晶区域是由大小不均匀的孔洞构成，而且是不连续分布于两层聚合物区域之间。当盒厚继续增加，相分离逐渐趋于理想，分离出来的液晶微滴形成连续的区域，如图4(c)和4(d)所示。当盒厚增加到一定程度(大于15 μm)时，其光栅形貌和无取向处理HPDLC的光栅相似，所以其衍射效率也最接近。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：垂直取向处理虽然在盒厚较小的情况下能够实现液晶分子的一致排列，但是却影响光栅的相分离，所得光栅形貌也不理想，当盒厚较大时，表面的垂直取向剂只能对靠近玻璃基板表面的液晶分子进行取向，而液晶盒中间的液晶分子并没有被取向，所以当盒厚较大时，垂直取向处理对HPDLC光栅散射损失并没有太大的改善。只有当盒厚适中(12 μm)时，表面取向深度和光栅的相分离相匹配，此时HPDLC光栅的衍射效率最高，散射损失也最小。

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