基于SLM光刻制备的光电可调控液晶器件

丁振

摘要：液晶空间光调制器（SLM， Spatlal Light Modulator）在光信息处理、光束控制、输出显示等诸多领域有着广泛的应用。利用SLM对光的相位调制，以及偶氮液晶的光致异构和Freedericksz转变，进行液晶器件的制备。具体过程是清洗玻璃基板，旋涂取向层，制成液晶盒，以457nm波长激光为光源，通过8位灰度图控制SLM改变光的偏振方向，对液晶取向层进行微米级无掩模图案化光取向。将偶氮液晶灌入液晶盒，使用UV光和交流电场对其调控，制备成颜色可变的液晶显示器件。具有成本低、分辨率高、响应灵敏、色域广等特点。

关键词： 空间光调制器; 光控取向; 偶氮液晶; 偏振方向; 光电调控

中图分类号：TN141.9      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）25-0001-03

Abstract： Liquid crystal spatial Light Modulator （SLM） is widely used in optical information processing， beam control， output display and many other fields.The phase modulation of light by SLM and the photoisomerization and Freedericksz transition of azo liquid crystal were used to fabricate the liquid crystal devices.The specific process is to clean the glass substrate， spin coating the orientation layer， and make the liquid crystal cell. With a 457nm wavelength laser as the light source， an 8-bit grayscale image is used to control SLM to change the polarization direction of light， and the orientation of the liquid crystal orientation layer is carried out micron-scale maskless patterned light orientation.The azo liquid crystal was injected into the liquid crystal cell and regulated by UV light and AC electric field to prepare the liquid crystal display device with variable color.It has the characteristics of low cost， high resolution， sensitive response and wide color gamut.

Key words： SLM; photoalignment; azo liquid crystal; polarization; photoelectric control

1 引言

偶氮苯类液晶化合物以其优秀的光响应能力，受到了世界各地学者的广泛关注。这种液晶在紫外光和可见光的照射下，会发生独特的光致异构现象，即由顺式到反式、反式到顺式的分子结构变化。所以，这种液晶属于光敏材料，也可以叫作光致液晶，在光学显示器件、光开关、光信息存储及光控液晶分子取向等领域有着极为广阔的用途[1]。除此之外，液晶作为一种兼有液体流动性和晶体各向异性的特殊物质，分子具有排列有序程度和方向，这个方向也就是指向矢。在液晶器件的应用中，液晶一般被置于两个玻璃基板之间，玻璃基板表面的取向层决定了液晶分子排列的方式。近年来，成熟的光取向技术逐渐取代了传统摩擦取向的方式[2]，通过在ITO玻璃上旋涂偶氮染料亮黄（Rrilliant yellow，BY），可以形成一层稳定的取向层，在 457nm的激光照射下产生表面的各向异性，重新进行分子的排列以完成取向[3-4]。将向列相液晶置于取向过的液晶盒内，使用电磁场等外场刺激时，会产生Freederickzs转变现象，液晶分子的指向矢发生形变，并使其光学性质变化[5]。

液晶空间光调制器（SLM， Spatlal Light Modulator）可以在电驱动信号或其他信号控制下，对光的强度、相位、偏振态及波长进行调制[6]。SLM有很多种分类，硅基液晶（LCoS，Liquid Cristal on Silicon）就是其中一种。LCoS是一种全新的数码成像技术，电信号驱动，采用CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片[7]，芯片上涂有一层很薄的液晶硅，具有分辨率高的优点。通常情况下，实验都是采用同一偏振方向的光进行光取向，在光路中放置特定形状的掩膜板进行图案化处理。本文通过搭建LCoS SLM光路，输入分辨率为1920×1080的8位灰度图控制LCoS，改变光的偏振方向，实现偏振态差异的无掩模图案化光控取向，利用液晶的光致异构及Freederickzs转变特性，制备而成的一种光电调控颜色变化的液晶显示器件。

2 实验准备

2.1 光路搭建

实验以LCOS SLM为核心搭建了一套光取向的曝光光路，具体构成由图1所示。光路分为光源部分和曝光部分，光源采用的是波长为457nm的线偏振激光。激光直接打出的光束直径为1mm，经过45°全反射镜M1、M2、M3、M4之后，经过扩束镜BE，光束被扩宽至为直径22mm，目的是完全覆盖LCoS的反射镜面。被扩宽的光束经过45°全反射镜M5后，经过一个二分之一玻片，目的是为了调整偏振方向与LCoS的夹角为45°，然后光束经过一个半透半反的分光棱镜，垂直入射到LCoS的镜面，线偏振光变成圆偏振光，被调制的光束反射到BS，再经过一个四分之一玻片，重新变为线偏振光，最后经过一个由透镜L1和L2组成的4f缩放系统，缩放的倍数为L1/L2（約为6.67倍），聚焦在样品位置。LCoS的最小像素为6.4μm，所以通过这个成像系统缩放以后，可实现偏振调制的最小像素约为0.96μm，从而实现μm级别的偏振调制。