浅析小型聚合物分散液晶薄膜光开关

武大伟

摘 要：聚合物分散液晶又称为PDLC（polymer dispersed liquid crystal），是存在于有机固态聚合物体内的微小滴状液晶。由于液晶分子的折射效应，在光轴处液晶分子处于自由取向，液晶分子的折射率和有机固态聚合物的折射率不同，所以在光通过此处时就会散射出不透明的乳白状态或者是半透明状态。若是施加电场后，可以通过电压调节液晶的光轴取向，当液晶分子和基体的光轴取向相一致时，就出呈现透明态。撤去电场，液晶又恢复原态，达到显示的作用。

关键词：聚合物分散液晶 光开关 研究探讨

中图分类号：O753.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0128-02

1 基本原理

（1）聚合物分散液晶的电控开关原理。采用相分离的方式制作聚合物分散液晶的过程中，向列相液晶以极小的单位均匀地分散在固态有机聚合物体内，在没有电场的情况下，液晶呈现自由排列，光轴方向则呈现出无序取向状态，由于液晶材料的各向异性，及与基体间的折射率不相同，导致入射光呈现出半透明乳白态。给液晶施加电场后，液晶受到电场的作用有序排列，从而使得液晶分子保持了光轴方向一致性，液晶分子的折射率和基体的折射率达到较高的一致性，使得入射光线可以透过材料，呈现出透明或者是半透明状态。在没有外电场的作用后，液晶分子又会回到之前没有施加电压时的状态，呈现出散射态。所以聚合物分散液晶可以在外电场的作用下表现出电控开关的特性。

（2）两片镀有ITO导电层玻璃中间均匀地涂上液晶、预聚物和光导剂，形成厚度达几微米到几十微米不等的距离，这时候入射光照到玻璃时，就会形成明暗相间的干涉条纹而引发了液晶聚合物产生聚合和发散的作用过程。在亮条纹处，液晶分子随着聚合物的作用而被强制移动，导致分离现象的产生，从而出现了条纹的作用不断变化，再根据液晶分子和聚合物自身的折射特性相结合，最终形成了聚合物分散液晶的全息光栅。没有电场的作用时，符合条件的入射光经过光栅衍射的作用，导致出射光偏离。通过电场的作用后，液晶分子受电场的影响，有序排列，使得光轴方向与有机聚合物相一致，使得光束正常透过，但是随电场的不断增加，光栅也会随之消失，衍射现在不再重复出现，此时入射光则按原路返回。

2 聚合物分散液晶的电光特性

2.1 聚合物分散液晶的制备

聚合物分散液晶的制备一般采用封装法和相分离法。将聚合物和液晶均匀地混合在一起制备聚合物分散液晶的方式成为相分离法，通常有聚合引发相分离、热引导相分离和溶剂诱导相分离3个方式。聚合引发相分离主要是通过聚合反应将液晶分子析出小微粒，再慢慢扩张变大以填满聚合物的空间不能移动为止，可以通过使用激光诱导，使得液晶和聚合物相分离的过程。在实验制备聚合物分散液晶时可以根据聚合物的材料、光引导剂材料和液晶材料的种类在避光的条件下将其根据不同的配比进行充分加热搅匀，直到温度到达液晶的清亮点得到的混合物，将其均匀地夹在两玻璃之间，通过均匀力度的压力，使其保持一定的均匀性，用相同功率的He-Cd激光照射，对比各自的效果。

2.2 相分离的观察研究

聚合物分散液晶在经历了相分离后的观察研究发现，影响聚合物分散液晶的性能因素包括有液晶分子的大小和外形尺寸、液晶的种类、聚合物的种类以及在实验过程中加热的时间和固化时间。固化时间和材料的种类选用直接影响到液晶微滴分子的尺寸。不同的固化温度和时间影响到聚合物的聚合时间和液晶分子的扩散速度，从而导致了液晶微滴的尺寸不一，在宏观上则体现在光学性能上，不过对这些因素的研究发现，也明确了全息光栅的最大空间频率。实验表明在相同的激光功率作用下，在允许的温度范围内，温度的升高对液晶的尺寸大小具有反相的影响，随激光功率的增大，对固化析出相分离的时间减少，液晶微滴分子尺寸也随之减小。

2.3 聚合物分散液晶的电控开光效应研究

在镀有ITO薄膜的玻璃基板中间填充上加热后的混合材料，用相分离法获取聚合物分散液晶膜，这层膜具有一定散射的效果，因为液晶分子的光轴是随机分布的。给其施加电场，散射的现象逐渐变得清晰，在施加不同的电场下，所呈现出来的现象也不相同，说明了电场具有改变液晶分子光轴的能力，使聚合物和液晶两者的折射率达到相互匹配的状态，从而影响光的透过程度。

3 全息聚合物分散液晶光栅的特性研究

3.1 马赫—曾德全息光路的曝光

马赫—曾德全息光路曝光可以降低聚合物分散液晶材料受多种因素的影响，能保证干涉条纹的清洗记录，在低频全息光栅上使用较合适。马赫—曾德实验是有He-Ne激光器发出的激光转换成平面波，经可变光阑后，再经分束器分成投射光和反射光。投射光将反射镜2反射后到达原来的平面，在经过衍射后的光通过合束器到达記录面。经过分束器的反射光作为参考光被反射镜1和合束器反射到记录面上与物光干涉产生的干涉条纹就被记录下来了如图1所示。

3.2 全息衍射效率

能造成聚合物分散液晶全息光栅影响的主要因素有几点：光路的影响、材料配方不一致和激光的辐射时间对光栅条纹的折射率调制深度不同。通过棱镜的分光和入射的角度有光，要求要做到曝光面上的两束激光能量相等，光程差为零；材料的配方可以导致不同程度的两点显现，有的配方能看到清晰的五级亮点，而有的配方仅能看到模糊的一级衍射点，尤其受液晶含量的多少影响更为明显；光栅条纹的衍射则是因为明暗条纹的折射率不同而造成的。衍射的效果是通过液晶微滴和基体二者的折射率结合而成的，所以会受到液晶微滴的条件影响，曝光时间的增加，衍射效率表现的情况是先升高到一定程度后在下降，根据这个可以确认最佳的曝光时间。

4 多路光开关的应用

通过制造不同空间频率的光栅元件可以得到不同的全息光路，如果能把这些元件重叠起来，再通过外电场的作用将透光方向调节一致，就能实现按点切换的光束；若是将多层液晶光栅对应不同的空间频率光栅，则能顺序或是同时控制电信号的施加，从而实现多个输出点的切换。

参考文献

[1] 李雪莹，曹峰梅，孙云峰.小型聚合物分散液晶薄膜光开关的研制[J].激光与光电子学进展，2014（2）：196-202.

[2] 董大明，刘官元，张占山，等.采用柔性ITO导电膜制备聚合物分散液晶PDLC光开关[J].包头钢铁学院学报，2006（1）：89-91.

[3] 魏向东.聚合物分散液晶的压光效应研究[D].河北工业大学，2010.