一种电控液晶光斩波器阵列及制作方法

摘要

本发明涉及一种电控液晶光斩波器阵列及制作方法，电控液晶光斩波器阵列由玻璃基板、ITO导电膜、聚合物分散液晶光栅和驱动电源构成，ITO导电膜涂在玻璃基板的内表面，聚合物分散液晶光栅在导电膜之间，驱动电源产生的驱动电场加在导电膜上。电控液晶光斩波器阵列可实现对多通道阵列式输入光进行快速的不同频率的斩波调制功能。具有电场调控，响应速度快的特点，尤其在相关光学实验系统，如多光路和频叠加信号的多普勒分析实验系统，多路载频荧光显微成像信号的载频调制中能够替代机械转盘式的光斩波器，因此具有灵活，便捷，快速和实用的应用特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电子器件领域，具体涉及一种基于纳米聚合物分散液晶(H-PDLC)材料的多通道全息光栅阵列的光斩波器及其制作方法。

背景技术

在光学实验或者研究中，通常采用机械式的斩波器对光束进行斩波调频。例如对连续激光光束通过斩波产生一定频率的激光信号，将两束不同频率的激光光束叠加，并进行信号分析，如分析光子晶体材料的多普勒效应等。通常，实现斩波功能的传统的斩光器是电子控制的风扇式轮叶结构，在一定转速下将连续光调制成一定频率的周期性连续光。传统的光斩波器时间响应速度慢，而且单路光束需要一台斩波器，对于多路光束的同时调频无法实现快速、实时、小型化和集成化设计。

纳米聚合物分散液晶材料(holographic polymer dispersed 1iquidcrystal，HPDLC)是一种不同于传统聚合物分散液晶材料的新型光电子信息功能材料。纳米聚合物分散液晶采用全息方法将聚合物，液晶微滴从混合均匀状态扩散聚合物形成富含聚合物区和富含液晶区域的交替周期性结构，产生折射率调制，该折射率调制能够在电场调控下发生变化，因此能够实现开关交换等功能。纳米HPDLC材料的液晶微滴在几个纳米到几十纳米之间，对可见光波段的入射光几乎不产生散射和吸收，同时衍射效率高，在表面活性剂的作用下，能有效降低驱动电压，提高驱动反应速度，而且能够通过对衍射光的开关调控实现对入射光束的频率调制。因此，纳米HPDLC材料及器件在衍射光学元件，光通信器件，显示器件以及存储方面有一定的应用前景。

发明内容

本发明是针对现有传统的光斩波器体积大，反应速度慢的问题，提出了一种电控液晶光斩波器阵列及制作方法，此光斩波器无机械运动部件、反应速度快、易于集成和小型化。

本发明的技术方案为：一种电控液晶光斩波器阵列，由阵列式高衍射纳米聚合物分散液晶光栅器件和驱动电源构成，阵列式高衍射纳米聚合物分散液晶光栅器件由玻璃基板、ITO导电膜、聚合物分散液晶光栅组成，ITO导电膜涂在玻璃基板的内表面，聚合物分散液晶光栅在导电膜之间，驱动电源产生的驱动电场加在导电膜上。

一种电控液晶光斩波器阵列制作方法，包括以下具体步骤：

A、将相同的两片ITO导电玻璃用刻蚀工艺刻蚀成阵列式结构，阵列单元间相互严格绝缘，刻蚀不仅将ITO导电膜部分刻蚀清除，而且深入玻璃基板0.5mm，以方便将电源接线整齐安装在刻槽内，然后将两片刻蚀并安装好控制导线的ITO玻璃基板完全对准，用间隔器控制好液晶盒厚度，再制作一个厚度为5μm～20μm的均匀液晶预聚混合物阵列的液晶盒；

B、将液晶材料、聚合物单体、适量的交联剂、活化剂和引发剂，在遮光条件下混合加热到60～70℃，使其处于各向同性的状态，在充分搅拌并用超声波乳化使其均匀混合从而制备出聚合物分散液晶预聚物混合材料，混合溶液中以质量比计算，液晶材料占30％～40％，聚合物单体占40％～60％，交联剂占5％～16％，活化剂占6％～12％，引发剂占0.3％～2％；将混合溶液在60～70℃条件下注入到四周封闭的聚合物分散液晶盒中，当其降温至40～50℃时，在全息光路中进行曝光，发生聚合反应诱导其相分离，从而形成全息聚合物分散液晶光栅，曝光时间为1min～2min；

C、再将光栅写入后的斩波器阵列在紫外光下固化10分钟，使其完全相分离；

D、将斩波器阵列和相应的电源控制系统配合，连接，实现不同频率电控斩波阵列功能。

所述全息光路为氩离子激光器产生的514nm的Ar离子激光束首先经过滤光片调整光强能量后，再经过小孔滤波和准直系统扩束透镜进入非偏振分光棱镜，经过分光并反射镜反射后产生两束光强相等、光程差为零的514nm相干激光的平面波，在干涉曝光面曝光形成HPDLC电控光栅元件，曝光时液晶盒表面垂直于两相干激光的角平分线方向。

本发明的有益效果在于：本发明电控液晶光斩波器阵列及制作方法，具有电场调控，响应速度快的特点，尤其在相关光学实验系统，如多光路和频叠加信号的多普勒分析实验系统，多路载频荧光显微成像信号的载频调制中能够替代机械转盘式的光斩波器，因此具有灵活，便捷，快速和实用的应用特点。

附图说明

图1为本发明刻蚀法制备H-PDLC光斩波器阵列刻蚀好的1×2的阵列结构示意图；

图2为本发明刻蚀法制备H-PDLC光斩波器阵列制作好的液晶阵列的截面示意图；

图3为本发明2×2斩波器阵列的工作示意图；

图4为本发明聚合物分散液晶盒结构示意图；

图5为本发明制作全息光栅的光路示意图；

图6为本发明聚合物分散液晶全息光栅光调制机理未加电场时，出射光呈衍射状态示意图；

图7为本发明聚合物分散液晶全息光栅光调制机理施加电场时，出射光呈透射状态示意图；

图8为本发明H-PDLC光栅器件的电控衍射效率变化曲线图；

图9为本发明电控实验现象图；

图10为本发明驱动电源电路图。

具体实施方式

电控液晶光斩波器阵列由聚合物分散液晶(H-PDLC)全息光栅阵列、驱动电源系统组成。

(1)H-PDLC光栅阵列是单个H-PDLC光栅单元根据实际应用的需要排列并固定成器件。其特点就是单个H-PDLC纳米光栅具有高衍射效率(接近于100％)，可实现“0”，“1”开关，反应速度快(在毫秒或者亚毫秒量级)。

纳米聚合物分散液晶全息光栅的材料配方需要经过优化和实验，通常由占总重量30％～50％的液晶材料、40％～60％的聚合物单体、5％～16％的交联剂、6％～12％的活化剂、0.3％～2％的引发剂经充分搅拌后制作成各向同性预聚物，制作成均匀的液晶盒，然后在全息光路中经过1min～2min曝光固化形成。

作为本专利申请的实施范例，在我们实验室的优化配方中，采用的是39.9％TEB300向列液晶材料(清华亚王液晶公司提供)、39.9％的EB8301(美国UCB公司产品)做为预聚物材料、8％的N-vinylpyrrolidone(简称NVP)(美国Aldrich公司产品)、12％的S-271活化剂(美国Chemistry公司)和0.2％的引发剂rose bengal(简称RB)和N-phenylglycine(简称NPG)(美国Aldrich公司产品)经充分混合均匀后得到预聚物，然后在514nm的激光全息光路中曝光。

(2)驱动电源系统则既要考虑到液晶器件对调控电源的要求，又要根据斩波器斩波频率的功能，进行特殊设计。要根据需要做成输出多路不同频率、电压可调的交流电源。例如，在本发明专利的优化和实验中，HPDLC材料的电源驱动可以是1KHz或者更高频率的正弦波，而斩波器的斩波频率是100Hz，驱动电压在100V-300V。将电源系统首先通过信号发生器产生1KHz或更高频率正弦波，再通过电路变成100Hz脉冲群，再将信号通过放大器得到高电压输出。将电压施加在液晶盒上，实现对HPDLC光栅的电场开关调控。如图10所示是30KHz，300Hz脉冲群的电路设计，该电路图主要是由整波稳压电路、NE555定时器构成的多谐振荡电路和推挽电路组成。该电路的主要功能是实现30KHz的交流输出，并具有300Hz的脉冲频率。其中300Hz的脉冲频率是光斩波器频率，而30KHz是用来提供H-PDLC液晶光栅的开关电压要求，输出电压为100V。

(3)电控液晶光斩波器阵列制作的方案是在液晶盒准备过程中，首先将相同的两片ITO导电玻璃用刻蚀工艺刻蚀成阵列式结构，如附图1、2所示为一个1×2阵列结构，1为绝缘间隔，2为导电膜，3为聚合物分散液晶膜，4为控制电源，阵列单元间相互严格绝缘。刻蚀不仅将ITO导电膜部分刻蚀清除，而且深入玻璃基板0.5mm，以方便将电源接线整齐安装在刻槽内。然后将两片刻蚀并安装好控制导线的ITO玻璃基板完全对准，用间隔器控制好液晶盒厚度，再采用纳米HPDLC电控斩波器单元制作方法封装5μm～20μm的均匀液晶预聚混合物阵列，然后通过单次全息曝光得到HPDLC光斩波器阵列。

(4)对于所设计的H-PDLC阵列中的每个单元设计不同的驱动电源系统，例如2×2阵列中每个单元根据需要设置不同的工作频率，电源设计可以根据需要，能够电压和脉冲频率可调。如附图3所示，是2×2斩波器阵列的工作示意图，5为制作好的2×2的全息聚合物分散液晶光栅阵列，它在控制电源6的电场作用下，可以实现对4路入射光束分别进行50Hz、100Hz、150Hz和350Hz四种不同斩波频率的调制。

基于纳米聚合物分散液晶(H-PDLC)材料的多通道全息光栅阵列的光斩波器的制作步骤如下：

A：制备纳米聚合物分散液晶预聚物材料

在暗室中将预聚物单体，液晶，光引导剂，协同引发剂，交联剂，以及表面激活剂等化学物质，按照优化后的质量比配方混合。具体的材料选用，配方和工艺需要一定的优化过程，在实施举例部分中有具体说明。其中，光引导剂能够吸收特定波长激光的能量，产生大量的自由激活粒子，这些自由激活粒子与协同引发剂共同作用，促进聚合物发生聚合反应，并诱发液晶微滴的相分离过程。交联剂，也是光学性能改善剂，能够改善HPDLC光栅微观结构形貌，改善光栅的光学性能，提高衍射效率，降低散射程度。然后用带有加温功能的超声波乳化仪在略超过液晶清亮点温度下(通常是62℃-65℃之间，根据所选择的液晶种类和清亮点不同而不同)搅拌均匀并超声乳化至少超过两个小时，再注入已经控制好厚度为5μm至20μm的ITO导电膜液晶盒，液晶盒结构如附图4所示，待曝光制作电控液晶斩波器单元。

B：全息光栅制作

将制作完成的聚合物分散液晶盒置于体全息干涉光路曝光。体全息光路如附图5所示，氩离子激光器10产生的514nm的Ar离子激光束首先经过滤光片11调整光强能量后，再经过小孔12滤波和准直系统13扩束透镜进入非偏振分光棱镜14，经过分光并反射镜15反射后产生两束光强相等、光程差为零的514nm相干激光的平面波，在干涉曝光面曝光形成HPDLC电控光栅元件。曝光时液晶盒表面垂直于两相干激光的角平分线方向。激光光源采用功率为100mW的514nm的氩离子激光器；实验中，每束激光的强度约为10mW/cm²，曝光时间随聚合物分散液晶配方比例的不同而不同，通常在60s到120s之间。

C：驱动电源的制作

HPDLC电控液晶光栅做为光斩波器工作时，需要针对液晶材料的特点和斩波器的频率特性设计合理的驱动电路。HPDLC材料的电源驱动可以是1KHz或者更高频率的正弦波，假设所需要斩波器的斩波频率是100Hz，驱动电压在100V-300V。则可以将电源系统首先通过信号发生器产生1KHz或更高频率正弦波，再通过电路变成100Hz脉冲群，再将信号通过放大器得到高电压输出。将电压施加在液晶盒上，实现对HPDLC光栅的电场开关调控。另外可以考虑将市电通过电容、桥式电路与稳压管进行整流滤波降压，再用这样的电压去控制两个555定时器输出所需频率，进而用三极管进行频率的整合，最后用MOS管与变压器组成推挽变压的功能，在变压器的中间抽头部分输入所需要的电压值，电压的变化是通过用单片机，双向可控硅和光电耦合器进行电压的调整达到所需要求。如附图10所示是输出30KHz，300Hz脉冲群的电路设计图。输出电压可以随输入电压的变化而变化达到设计要求。

D：电控液晶阵列斩波器的制作

制作电控液晶光斩波器阵列的方法是在液晶盒准备过程中，首先将相同的两片ITO导电玻璃用刻蚀工艺刻蚀成阵列式结构，如附图3所示，阵列单元间相互严格绝缘。刻蚀不仅将ITO导电膜部分刻蚀清除，而且深入玻璃基板0.5mm，以方便将电源接线整齐安装在刻槽内。然后将两片刻蚀并安装好控制导线的TTO玻璃基板完全对准，用间隔器控制好液晶盒厚度，再采用步骤A中的单元制作方法封装5-20微米的均匀液晶预聚混合物阵列，再通过一次全息曝光得到HPDLC光斩波器阵列。

E：电控液晶阵列斩波器的实现

将斩波器阵列和相应的电源控制系统配合、连接，实现不同频率电控斩波阵列功能。附图3所示是2×2液晶电控斩波器的工作示意图。用该器件实现50HZ，100HZ，150HZ和350HZ的四种不同斩波频率的快速同时斩波。

如图4所示聚合物分散液晶盒是由玻璃基板7，涂在玻璃基板上的ITO导电膜8以及中间的聚合物分散液晶膜9组成。聚合物分散液晶膜的厚度需要由间隔器控制在5μm～20μm之间，同时在制作的过程中要在两端各露出一个电极，以便给液晶盒施加电场。

如图6、7所示，17为聚合物分散液晶材料中预聚物和单体分子，18为存在其中的液晶微滴，19为入射光，20为出射光。如图6所示在没有驱动电场的情况下，聚合物和液晶形成了明暗相间的光栅结构，因此在有入射光通过时会发生衍射现象；如图7所示在加上驱动电场以后，液晶的折射率与聚合物的折射率相匹配，这样就不会发生衍射现象，入射光可以全部透射。

制作光斩波器阵列过程：

A：首先制备两片涂有ITO导电膜的玻璃基片，在玻璃基片间涂上一层5μm～20μm的聚合物分散液晶材料作为记录层，具体结构如图4所示。其中，聚合物分散液晶材料是由占总重量39.9％液晶材料、39.9％的聚合物单体、8％的交联剂、12％的活化剂和0.2％的引发剂(包括共引发剂和光敏引发剂，两者质量比为5∶2)经充分搅拌后形成的。液晶是由北京清华亚王公司提供的TEB300液晶(n_e＝1.679，Δn＝0.168)，聚合物单体为EB8031(由美国UCB公司提供)，交联单体为N-vinylpyrrolidone(NVP)由Sigma-Aldrich公司提供，其作用是减小全息聚合物分散液晶光栅中液晶微滴的大小，提高液晶光栅的性能；表面活化剂选用ChemService公司提供的S-271，其作用是降低液晶光栅的驱动电压；共引发剂为N-phenylglycine(NPG)，光敏引发剂为rose bengal(RB)，这两种引发剂都是由Sigma-Aldrich公司提供，促进聚合物分散液晶材料发生聚合，并决定了聚合速度。这些材料的质量比决定了液晶光栅的衍射效率和驱动阈值电压的大小；另外，聚合物分散液晶膜的厚度也对衍射效率和阈值电压的大小有影响，从而影响了光斩波器的性能。阈值电压的大小可表示为：

$V_{\mathrm{th}}=\frac{d}{r}{\left[\frac{K(l^2-1)}{{ϵ}_0\mathrm{\Delta ϵ}}\right]}^2$

其中，d是聚合物分散液晶膜的厚度，r为预聚物种液晶微滴的半径，K为液晶的弹性系数，ε₀是真空介电常数，Δε是液晶的介电各向异性，$l=\frac{a}{b}$是液晶微滴宽高比(a，b分别为椭圆形微滴的长轴和短轴的长度)。

B：按照图5所示搭建激光全息光路，光源是氩离子激光器发出的波长为514nm的绿光，两束相干光之间的夹角为θ，改变θ的值，所得光栅的空间频率也会随之发生改变。在该光路中，制备所得光栅的空间频率可表示为：

$v=\frac{2\sin \frac{\theta }{2}}{\lambda }$

实验中，把激光的强度调整为12mW/cm²左右，曝光时间随聚合物分散液晶配方比例的不同而不同，通常在30s到5min之间；曝光光强的大小和曝光时间的长短会影响光栅的衍射效率。经过大量的实验，这里使用的材料曝光时间为90s时所得的光栅的衍射效率最好。这样单个的全息聚合物分散液晶光栅就制作好了，其结构如图6所示。

如表1所示，在液晶含量为39.9％，聚合物单体含量为39.9％，交联剂含量为8％，活化剂含量为12％，引发剂含量为0.2％，固化温度为35℃到50℃时制备的聚合物分散液晶全息光栅，该全息光栅的阈值电压大约为10V，衍射效率最高能达到60％左右。在该种条件下制备出来的材料可以达到较好的电光特性，能为PDLC器件提供良好的材料支持，基本能够满足光斩波器对光束进行调制的要求。在尚未完全优化情况下，较典型的电控衍射效率的变化情况表1和附图8所示。附图9是实验现象图，它显示了液晶光栅的单元实物图。

表1H-PDLC光栅器件的电控情况表

  所加电压  (V)  0  10  15  20  25  30  35  40  45  衍射效率  (％)  57.6  56.5  54.6  51.1  44.7  36.7  25.6  19.7  15.1  所加电压  (V)  50  55  60  65  70  80  90  100  衍射效率  (％)  12.5  9.4  8.5  7.5  6.8  5.9  4.9  4.2

C：驱动电源的电路图如图10所示。该电源输出电压为100V，调制频率为300Hz的交流电。按照图10所示电路图印制PCB板，然后再选择图中要求的的电子元器件进行元件焊接，焊接完成后测试无误即可。

D：制作光斩波器阵列，方案如下：

首先将相同的两片ITO导电玻璃用刻蚀工艺刻蚀成阵列式结构，阵列单元间相互严格绝缘。刻蚀不仅将ITO导电膜部分刻蚀清除，而且深入玻璃基板0.5mm，以方便将电源接线整齐安装在刻槽内。然后将两片刻蚀并安装好控制导线的ITO玻璃基板完全对准，用间隔器控制好液晶盒厚度，再采用步骤B中的单元制作方法封装5-20微米的均匀液晶预聚混合物阵列，再通过一次全息曝光得到HPDLC光斩波器阵列。如附图2所示是一个使用刻蚀法制备H-PDLC光斩波器阵列。

该方案可以通过一次曝光得到所需的光斩波器阵列，特别是在阵列数越多的情况下，这种优势更明显，例如对于4×4阵列，一般需要16个普通的单通道机械斩波器，而该方案只需一次曝光，这样提高了制作效率，降低了成本，更易于集成。