液晶全漏導(dǎo)模的實驗研究

葉文江,李志廣,王 欣,張志東,陳國鷹

(河北工業(yè)大學(xué) a.理學(xué)院;b.信息工程學(xué)院,天津300401)

1 引 言

光波導(dǎo)是一種能夠?qū)⒐獠ㄏ拗圃谄鋬?nèi)部或其表面附近,引導(dǎo)光波沿確定方向傳播的介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu),它包括具有圓形截面的圓波導(dǎo)以及平板波導(dǎo)、條形波導(dǎo)等具有平面對稱性或直角對稱性的光波導(dǎo)[1].夾在2塊玻璃基板之間的液晶可以形成波導(dǎo)層,光在其間傳播形成導(dǎo)模.導(dǎo)模結(jié)構(gòu)的變化直接反映光通過液晶盒的全部光學(xué)信息,能給出液晶盒中液晶指向矢的變化情況.

扭曲向列相(Tw isted Nematic:TN)液晶顯示[2]是液晶顯示領(lǐng)域發(fā)展較早、生產(chǎn)技術(shù)較完善,并且到目前為止在一些中低檔產(chǎn)品中一直延續(xù)使用的顯示模式.TN型液晶顯示的電光效應(yīng)取決于外加電壓下液晶指向矢的排列[3].因此,如果液晶指向矢分布確定,通過液晶盒的光也是一定的.通常情況下,液晶指向矢分布可以通過牛頓法[4]、松弛法[5]、有限元法[6]、差分迭代法[7]等數(shù)值方法由計算機模擬得到,然后通過對實際液晶盒電光曲線的測量最終確定.但是,由于液晶本身具有光學(xué)各向異性,線偏振光經(jīng)過液晶層后,其偏振狀態(tài)將會發(fā)生改變,通過檢偏片后的透射光強度將會降低.這種方法只能大致給出指向矢分布情況,存在相當(dāng)大的誤差,不能夠精確描繪指向矢的細微變化.將光導(dǎo)波[8-9]的方法應(yīng)用到液晶測試領(lǐng)域可以解決這一難題,而且精度相當(dāng)高,能夠區(qū)分液晶指向矢傾角或扭曲角1°的變化[9].

2 實驗原理

平板波導(dǎo)是最常用最基本的光波導(dǎo),其結(jié)構(gòu)主要由3部分組成[1,8]:覆面層(折射率為 nc)、波導(dǎo)層(折射率為 ng)、襯底層(折射率為 ns),如圖1所示.

圖1 平板波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)

若使光波被限制在厚度為 d的波導(dǎo)層內(nèi)沿z方向傳播,要求 ng＞ns,且 ng＞nc,為了進一步討論,假設(shè) ns＞n c,因此有 ng＞ns＞n c.假設(shè)平面光波的入射角為β,由折射定律可知波導(dǎo)層上下交界面的臨界角分別為βc=arcsin(nc/ng),βs=arcsin(ns/ng),其中βs＞βc. 因此,若使光波維持在波導(dǎo)層內(nèi)傳播,并且滿足光線相互加強條件,光線與界面的夾角β只能取有限個離散值.

根據(jù)光是否在覆面層或襯底層中傳播(形成漏波),可以將平面波導(dǎo)劃分為3種基本的模式[8]:當(dāng)βs＜β＜π/2時,由于在上下分界面的全反射作用,光被保留到波導(dǎo)層,這種情況對應(yīng)完全波導(dǎo)模式;當(dāng)βc＜β＜βs時,光只有在覆面層交界面發(fā)生全反射,一部分輻射能量進入襯底層,這種情況對應(yīng)襯底輻射模式,輻射能量迅速從波導(dǎo)層泄露至半幾何空間,稱為半漏波導(dǎo)模式;當(dāng)β＜βc,光能量將泄漏進襯底層和覆面層半空間,這種情況稱為全漏波導(dǎo)模式.3種波導(dǎo)模式沿 z方向的動量和沿x方向的光場分布均取決于波導(dǎo)層的厚度和折射率的情況,而不同階導(dǎo)模對波導(dǎo)層不同位置具有敏感性.

由于液晶具有光學(xué)各向異性[10],一般來說,波導(dǎo)本征模將不再是純粹的 TE(s光)或 TM(p光)波[11].假設(shè)線偏振光(p光或s光)入射,反射光和透射光中將出現(xiàn)偏振保存和偏振轉(zhuǎn)換成分(Rpp,Rps,Rsp,Rss,Tpp,Tps,Tsp,Tss),記錄下不同階導(dǎo)模的反射率或透射率數(shù)據(jù),將能得出液晶盒內(nèi)全面的精細的光學(xué)信息.這里,只對液晶全漏導(dǎo)模進行實驗研究,并且僅給出了液晶全漏導(dǎo)模反射率隨內(nèi)角變化的實驗曲線.

液晶全漏導(dǎo)模的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示[8,12],主要包括:棱鏡、扭曲向列相液晶盒和折射率匹配液.液晶盒上下玻璃基板分別用相應(yīng)的折射率匹配液(其折射率與相接觸的棱鏡和玻璃基板的折射率相同)與棱鏡形成耦合,使光在不同的介質(zhì)界面上不發(fā)生偏折,經(jīng)棱鏡折射后直線入射到液晶層上.當(dāng)一光波從波導(dǎo)層上界面出發(fā)向下行進到波導(dǎo)層下界面時,在下界面全反射后返回到上界面,在上界面又發(fā)生全反射后與原先從上界面出發(fā)的光波疊加在一起,要發(fā)生相互加強,這2列光波的相位差應(yīng)等于2π的整數(shù)倍.考慮上波導(dǎo)層與覆面層和襯底層交界面處的相移 -2φgc和-2φgs,波導(dǎo)層內(nèi)光線相互加強的條件為

其中 k0=2π/λ,λ為自由空間的波長,m為整數(shù).光在液晶層中的傳播發(fā)生全反射而形成導(dǎo)波,同時由于衰逝波的耦合,液晶層導(dǎo)波光線可以由上下棱鏡射出,分別對應(yīng)反射光線和透射光線.

圖2 液晶全漏導(dǎo)模幾何結(jié)構(gòu)

當(dāng)入射角β小于棱鏡和液晶的全反射角時,入射光進入到液晶層,到達基板表面時部分光反射回液晶中,部分光折射進入基板.當(dāng)光在液晶/基板交界面的反射滿足相干加強條件時,光在液晶內(nèi)部將會發(fā)生共振.改變光線的入射角度(通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)模結(jié)構(gòu)實現(xiàn)),通過掃描這個范圍內(nèi)的入射角,可記錄下光通過液晶層的反射光強度.

3 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置如圖3所示,具體實驗方法如下:

1)調(diào)節(jié)激光光束準直.將透光孔1和2并排放在光學(xué)平臺水平導(dǎo)軌上,調(diào)節(jié)其高度使激光能夠透過2個小孔,然后移動透光孔2至轉(zhuǎn)臺附近,調(diào)節(jié)激光器,使激光束能同時通過2個小孔直射在轉(zhuǎn)臺上的棱鏡側(cè)面.

2)調(diào)圓偏振光.a.將偏振片1置于導(dǎo)軌上,旋轉(zhuǎn)偏振片的方向,利用探測器追蹤透射光強度,使其達到最大;b.然后將偏振片2如圖所示擺放在導(dǎo)軌上,同樣的方法調(diào)節(jié)偏振片2,使激光光束通過2個偏振片達到消光的效果,此時2個偏振片透振方向互相垂直;c.最后將1/4波片擺放在2個偏振片之間,旋轉(zhuǎn)其方向,使透射光同樣達到消光的效果,此時再將1/4波片轉(zhuǎn)動45°,這樣穿過1/4波片的光為圓偏振光.如果光線過強,可使用衰減器將光線的強度降低.

圖3 實驗裝置圖

3)確定p光和s光.根據(jù)布儒斯特定律,當(dāng)p偏振光以布儒斯特角入射到棱鏡表面時,反射光的強度為零,這樣,首先以布儒斯特角大小轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺,然后調(diào)節(jié)偏振片2,使得探測器探測到的反射光能量達到最小(接近零),此時通過偏振片2的光即為p光,將其轉(zhuǎn)動π/2得到s光;一旦p光和s光的透振方向確定后,旋轉(zhuǎn)反射光和透射光探測器前方的偏振片,由探測器示數(shù)的大小可以確定探測器檢測到的反射光和透射光的p偏振和s偏振方向.在調(diào)節(jié)過程中,使用先粗調(diào)后細調(diào)的方法,直到測得通過探測器的光能量最小.

4)制作液晶導(dǎo)模.首先將棱鏡和液晶盒用酒精或丙酮擦拭干凈,其中1塊棱鏡的小底面固定在支架上,在另一底面滴1滴折射率匹配液,再將液晶盒輕輕放在上面,慢慢地滑動液晶盒避免其間存有氣泡;然后在液晶盒的上基板再滴1滴折射率匹配液,將另一塊棱鏡置于上面,滑動棱鏡使兩接觸面之間無氣泡;最后將2塊棱鏡及液晶盒固定.

5)給液晶盒加交流電壓.利用交流電源輸出頻率為1 k Hz有效值不同的電壓.將電源輸出導(dǎo)線分別與液晶盒兩端引出的導(dǎo)線連接,調(diào)節(jié)電壓輸出值為0,1,2,3,4 V.

6)數(shù)據(jù)采集.利用計算機控制轉(zhuǎn)臺以固定步長(例如0.05°)轉(zhuǎn)動,在固定的間隔時間內(nèi)(例如1 s)采集數(shù)據(jù),包括參考光強度和反射光強度,建立參考光和反射光隨外角變化的數(shù)據(jù)文件.

7)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.由斯涅爾折射定律可以將計算機采集得到的參考光和反射光隨外角變化的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為反射率隨內(nèi)角(光經(jīng)過棱鏡、折射率匹配液、玻璃基板、ITO涂層、PI取向?qū)尤肷涞揭壕拥娜肷浣?變化的數(shù)據(jù)文件.

8)作圖.利用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)文件,通過Origin軟件作圖,得到反射率隨內(nèi)角變化的曲線.

4 結(jié)果和討論

扭曲向列相液晶盒上下玻璃基板內(nèi)側(cè)覆蓋著一薄層高分子有機物取向?qū)?經(jīng)定向摩擦處理,可以使棒狀液晶分子平行于玻璃基板表面,沿定向處理的方向排列,并且在上下玻璃基板之間扭曲90°[13].當(dāng)外加電壓小于其閾值電壓時,液晶分子在液晶盒內(nèi)的排列基本保持不變,線偏振光(p光或s光)入射到液晶盒會發(fā)生90°旋光.此時,若基板表面液晶分子指向矢傾角為0°,反射光只有偏振保存信號;若存在一小的傾角,反射光中既有偏振保存信號又有偏振轉(zhuǎn)換信號,實驗用的液晶盒屬于這種情況.當(dāng)外加電壓超過閾值電壓,液晶分子開始向電場方向傾斜,施加不同電壓,液晶分子傾斜方向不同.此時,線偏振光(p光或s光)入射到液晶盒,反射光中將會有偏振保存和偏振轉(zhuǎn)換2種信號.

不同電壓下液晶全漏導(dǎo)模反射率(包括偏振保存和偏振轉(zhuǎn)換信號)隨內(nèi)角變化曲線如圖4～7所示,由此可以得到如下結(jié)論:

圖4 R pp-θi關(guān)系

圖5 R ps-θi關(guān)系

圖6 R ss-θi關(guān)系

圖7 R sp-θi關(guān)系

1)無論入射到液晶全漏導(dǎo)模上的光為p光還是s光,經(jīng)過液晶層之后,都會存在偏振保存和偏振轉(zhuǎn)換信號,并且偏振保存信號較偏振轉(zhuǎn)換信號大很多.

2)對應(yīng)不同的電壓,偏振保存反射率信號最大值隨內(nèi)角的增大而增大,而偏振轉(zhuǎn)換反射率信號最大值沒有明顯的單調(diào)關(guān)系,時大時小.

3)液晶指向矢受電壓控制,電壓發(fā)生變化,液晶分子取向亦將變化,這是導(dǎo)致液晶全漏導(dǎo)模反射率變化的直接原因.因此,對應(yīng)不同電壓的反射率不同,并且此液晶盒的閾值電壓小于1 V.

4)雖然偏振轉(zhuǎn)換信號比較弱,但同樣的變化(如1～2 V),其信號要比偏振保存信號的相對變化大.因此,可以利用偏振轉(zhuǎn)換信號探測液晶指向矢細微變化引起的液晶導(dǎo)模的變化.

5 結(jié)束語

本文對液晶的全漏導(dǎo)模進行了實驗研究.由偏振片選擇的線偏振光p光或s光通過棱鏡耦合入射到由棱鏡、折射率匹配液及扭曲向列相液晶盒構(gòu)成的全漏導(dǎo)模上,經(jīng)過液晶層后,反射光中存在偏振保存和偏振轉(zhuǎn)換2種信號,其主要原因是液晶本身具有光學(xué)各向異性.并且,不同的電壓導(dǎo)致不同的液晶指向矢分布,偏振保存和偏振轉(zhuǎn)換反射率也在變化,尤其是偏振轉(zhuǎn)換反射率的相對變化率較大.因此,液晶盒內(nèi)部細微變化能夠引起液晶全漏導(dǎo)模反射率的變化,可以通過液晶全漏波導(dǎo)技術(shù)進行探測.除此之外,液晶全漏導(dǎo)模還會存在透射光線,其透過率也隨液晶指向矢的變化而變化,同樣可以被利用來對液晶指向矢進行監(jiān)測.

[1] 佘守憲.光信息科學(xué)與技術(shù)系列叢書:導(dǎo)波光學(xué)物理基礎(chǔ)[M].北京:北方交通大學(xué)出版社,2002.

[2] Schadt M,Helfrich W.Voltage-dependent op tical activity of a tw isted nematic liquid crystal[J].App l.Phys.Lett.,1971,18(4):127-128.

[3] Blinov L M,Chigrinov V G.Electroop tic effects in liquid crystalmaterials[M].New York:Sp ringer-Verlag,1994.

[4] Deuling H J.Defo rmation pattern of tw isted nematic liquid crystal layers in an electric field[J].Mol.Cyst.Liq.Cryst.,1974,27(1):81-93.

[5] Dickmann S,Eschier J,Cossalfer O,et al.Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogeneous fields[A].SID 93 Digest[C].1993:638-641.

[6] 邵喜斌,黃錫珉.有限元法求解液晶層中的指向失的分布[J].液晶與顯示,2001,16(3):163-169.

[7] 王謙,何賽靈.液晶指向矢分布的模擬和比較研究[J].物理學(xué)報,2001,50(5):926-932.

[8] Yang Fuzi,Samble J R.Guided mode studiesof liquid crystal layers,Chap ter 16 of nanotechnology and N ICE devices[M].London:Taloy and Francis L td,2003:1-67.

[9] Yang Fuzi,Samble J R.Op tical fully leaky mode characterization of a standard liquid-crystal cell[J].J.Op t.Soc.Am.B,1999,16(3):488-497.

[10] 謝毓章.液晶物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

[11] Co rnfo rd S L,Taphouse T S,New ton C J P,et al.Determination of the directo r p rofile in a nematic cell from guided wave data:an inverse p roblem[J].New Journal of Physics,2007,9:166.

[12] 李志廣,葉文江,郭婷婷,等.平行排列向列相液晶的導(dǎo)波研究[J].液晶與顯示,2009,24(6):818-822.

[13] 王慶凱,吳杏華,王殿元,等.扭曲向列相液晶電光效應(yīng)的研究[J].物理實驗,2007,27(12):37-39.