pretilt angle(double-layered type), degree thickness of double-layered region, μm
±7 degree ±10 degree
±12 degree ±15 degree
0
pretilt angle(double-layered type), degree phase shift of double-layered region, π
±7 degree ±10 degree
±12 degree ±15 degree
(a)模擬雙層型區域的厚度 (b)正向入射光之雙層型相位移模擬
pretilt angle(double-layered type), degree
pretilt angle(residual),degree
±7 degree ±10 degree
±12 degree ±15 degree
(c)模擬剩餘相位型區域液晶分子的預傾角
圖6- 5 模擬計算光聚合電壓 2.5Vrms製作之T-PNLC 的各項參數 計算出第一層雙層型區域可能的厚度後，可以計算雙層型區域貢獻 的相位調制大小，再經過第二道預傾角的限制，可以再度縮小雙層型 區域液晶分子可能的預傾角至40 度~70 度，如圖 6-5(b)所示：
最後由雙層型區域貢獻的相位移大小，可以計算剩餘相位型區域液 晶分子的預傾角，經由第三道預傾角的限制，最後我們得到雙層型區 域液晶分子的預傾角約50~60 度，如圖 6-5(c)。反推雙層型區域的厚 度約 0.9μm~1.1μm，也得知剩餘相位型區域液晶分子的預傾角約 73~83 度。我們發現模擬計算出來的預傾角大，原因主要是在製作
pretilt angle(double-layered type), degree thickness of double-layered region, μm
±7 degree ±10 degree
±12 degree ±15 degree
0
pretilt angle(double-layered type), degree phase shift of double-layered region, π
±7 degree ±10 degree
±12 degree ±15 degree
(a)模擬雙層型區域的厚度 (b)正向入射光之雙層型相位移模擬
pretilt angle(double-layered type), degree
pretilt angle(residual),degree
±7 degree ±10 degree
±12 degree ±15 degree
(c)模擬剩餘相位型區域液晶分子的預傾角
圖6- 6 模擬計算光聚合電壓 4Vrms製作之T-PNLC 的各項參數
同樣我們先假設所有可能的預傾角計算第一層雙層型區域厚度，如 圖6-6(a)。再由第一層雙層型區域厚度計算雙層型區域貢獻的正向入 射光之相位調制量，如圖6-6(b)，由雙層型區域的相位調制量再計算 出剩餘相位型之預傾角，如圖6-6(c)所示，最後我們得到雙層型區域 液晶分子的預傾角約60~70 度，反推雙層型區域的厚度 1μm~1.5μm，
也得知剩餘相位型區域液晶分子的預傾角約73~83 度。
我們發現光聚合電壓 4Vrms 條件下製作之預傾角比光聚合電壓 2.5Vrms的預傾角還高，這是因為光聚合電壓越高，會造成聚合物網絡 較垂直玻璃基板方向鍵結，使液晶分子的預傾角更大，所以我們提出 的 T-PNLC 模擬模型，由光聚合電壓 2.5Vrms與 4Vrms的模擬結果來 看，相當符合實驗的現象。
第 7 章 結果與展望
我們開發出一種偏振無關相位調制器 T-PNLC，其機制結合了雙層 型偏振無關液晶相位調制與剩餘型偏振無關液晶相位調制，其電控相 位移大小介於剩餘相位型與雙層型之間，且操作之前不需額外偏壓，
與剩餘型相位調制器相比，T-PNLC 具有相位調制量大之優勢，而與 雙層型相位調制器相比，T-PNLC 製作過程相對簡單許多，且反應時 間一般較為快速。
論文中我們研究光聚合電壓、光聚合溫度、液晶盒厚度及光入射角 等因素對電光特性及相位移特性之影響，要增加T-PNLC 之電控相位 移大小，可藉由降低光聚合電壓、增加液晶盒厚度，但光聚合電壓太 低會導致相位移與偏振方向相關，液晶盒厚度太厚會導致光穿透強度 衰減。實驗中，當液晶盒厚度為 7μm，其相位調制器在施加 30 Vrms
電壓下可達到0.28π 之相位變化，液晶反應速度快~1.5ms，且為偏振 無關相位調制，若需要進一步提高T-PNLC 之反應時間，則可選擇降 低光聚合溫度來製作。另外我們的T-PNLC 在入射光與正向夾角正負 7 度內，其電控相位與光的偏振方向無關。但是，當入射光與正向方 向夾角變大時(>正負 7 度)，T-PNLC 相位移與光的偏振方向相關性變 大，由實驗結果顯示，當入射光與正向方向夾角 18 度且固定電壓在 2Vrms時，轉動偏光片，相位移可偏差到 0.08π。在 Laser beam steering 應用上，雷射光束的發散角大多小於正負7 度，因此，T-PNLC 對於 一般Laser beam steering 的應用上，可說是與光的偏振方向無關。
對於斜向入射於 T-PNLC 的實驗中，我們提出一個以光學分析 T-PNLC 模型的方法，可以得知 T-PNLC 中雙層型區域與剩餘相位型 區域所佔的厚度、液晶的平均預傾角及雙層型區域與剩餘相位型區域
提供的相位調制大小。由模擬計算的結果，我們發現製作T-PNLC 由 於光聚合時需要外加一個電壓，使T-PNLC 中雙層型區域與剩餘相位 型區域的液晶分子在光聚合之後，已具有一個大預傾角度(>50 度)，
因此臨界電壓低(<5Vrms)。
實驗過程中，我們發現一些問題及現象，需更深入的研究：
(1) 可調制相位移大小還不夠大，雖然可應用在微液晶透鏡，但要應 用到液晶透鏡裡相位移調制量至少需要2π。
(2) 在紫外光照射 T-PNLC 時，其相分離的過程和機制還不明，需要 再深入研究。
(3) 不同單體濃度、不同紫外光強度對 T-PNLC 電光特性、相位移大 小與偏振相關性的影響還尚未討論。
(4) 我們使用的液晶盒皆為右旋 TN，若再加入具有左旋性的分子，是 否能再提升T-PNLC 的相位移大小，需要進一步實驗證明。
由於偏振無關液晶相位調制不需額外偏振片，光效率高，且能應用 在液晶透鏡、電控光柵、雷射指向、空間相位調制器，甚至是3D 立 體影像的顯現，在光電領域的應用層面廣，所以偏振無關液晶相位調 制器為將來重要的研究項目，日後若能再提升T-PNLC 液晶相位調制 器的相位調制量，並且維持相位移與偏振無關，必定能對光電領域帶 來一大突破。
參考文獻
[1]H. Ren, Y. H. Fan, S. Gauza, and S.T. Wu, “Tunable-focus flat liquid crystal spherical lens”, Appl. Phys. Lett. 84, 4789 (2004)
[2]Y. H. Lin, H. Ren, K. H. Fang-Chiang, W. K. Choi, S. Gauza, X. Zhu, and S.T. Wu, “Tunable-focus cylindrical liquid crystal lenses”, Jpn. J.
Appl. Phys. 44, 243( 2005).
[3]H. Ren, Y. H. Fan, and S. T. Wu, “Prism grating using
polymer-stabilized liquid crystal”, Appl. Phys. Lett. 82, 3168 (2003).
[4]Gregory Kreymerman, “Liquid crystal diffractive phase grating as light modulator for projection display”, Optical Engineering 45, 116202 (2006)
[5]McManamon P.F., T.A. Dorschner, D.L. Corkum, L.J. Friedman, D.S.
Hobbs, M Holz, S. Liberman, H.Q. Nguyen, D.P. Resler, R.C.Sharp, and E.A. Watson,“Optical phased array technology”, Proceedings of the IEEE 84, 268 (1996)
[6]Y. H. Fan, Y. H. Lin, H. Ren, and S. Gauza, “Fast-response and scattering-free polymer network liquid crystals for infrared light modulators”, Appl. Phys. Lett. 84 1233 (2004).
[7]Y. H. Wu, Y. H. Lin, Y. Q. Lu, H. Ren, Y. H. Fan, J. R. Wu, and S. T.
Wu, “Submillisecond response variable optical attenuator based on sheared polymer network liquid crystal” Opt. Express 12, 6377 (2004) [8]J. L. West, Guoqiang Zhang, Yurii Reznikov, and Anatoliy
Glushchenko, “Fast Birefringent Mode of Stressed Liquid Crystal” , Appl. Phys. Lett., 86, 031111 (2005)
[9]Y. H. Lin, H. Ren, and S. T. Wu, “Liquid Crystals Today”, 17, 2 (2008) [10]P. G. de Gennes, and J. Prost, The Physics of Liquid Crystals,
(Clarendon Press, Oxford 1993)
[11]P. Yeh, and C. Gu, Optics of liquid crystal displays, (Wiley Interscience, 1999)
[12]D. K Yang, and S. T. Wu, Fundamentals of Liquid Crystal Devices (Wiley Intersccience, 2005)
[13]H. Ren, Y. H. Lin, and S. T. Wu, “Polarization-independent and fast-response phase modulators using double-layered liquid crystal gels”, Appl. Phys. Lett. 88, 061123(2006)
[14]Y. H. Lin, H. Ren, Y. H. Wu, Y. Zhao, J. Fang, Z. Ge, and S. T. Wu,
“Polarization-independent liquid crystal phase modulator using a thin polymer-separated double-layered structure”, Opt. Express 13, 8746 (2005)
[15]Y. H. Lin, H. Ren, Y. H. Fan, Y. H. Wu, and S. T. Wu
“Polarization-independent and fast-response phase modulation using a normal-mode polymer-stabilized cholesteric texture”, J. Appl. Phys.
98, 043112 (2005)
[16]H. Ren, Y. H. Lin, Y. H. Fan, and S. T. Wu, “Polarization-independent phase modulation using a polymer-dispersed liquid crystal”, Appl.
Phys. Lett., 86, 141110 (2005)
[17]H. Ren, Y. H. Lin, C. H. Wen, and S. T. Wu
“Polarization-independent phase modulation of a homeotropic liquid crystal gel”, Appl. Phys. Lett., 87, 191106 (2005)
附錄 A
Rotate the Cell (cross polarizer)
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm
0V
0V 5V 30V
Applied Voltage
a a
5V 10V 100μm
100μm
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm
0V
0V 5V 30V
Applied Voltage
a a
5V 10V 100μm
100μm
100μm 100μm 100μm
100μm 100μm
0V
0V 5V 30V
Applied Voltage
a a
5V 10V 100μm
100μm (Normally White)的現象，另外也可以看出由於添加聚合物 網絡而出現一區一區 domain 的構造。
0°
100μm 100μm 100μm
100μm
Applied Voltage
p
100μm 100μm 100μm
100μm
Applied Voltage
p
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 5 10 15 20 25 30
Voltage, Vrms
Transmittance(normalized)
He-NeLaser, λ=543nm He-NeLaser, λ=633nm
圖表A- 3 光聚合電壓 2.5Vrms下，分別用綠光氦氖雷射與紅光氦氖雷 射量測 T-PNLC 的穿透率對電壓之關係圖，其中綠光與紅 光 個 別 用 不 加 液 晶 盒 detector 量 到 的 光 強 度 做 Normalized，實驗結果顯示，兩曲線幾乎一致，代表在紅 光到綠光範圍內，波長不影響 T-PNLC 的穿透率大小。
0 0.5 1 1.5 2
0 5 10 15 20 25 30
Voltage, Vrm s
Transmittance, a.u.
0° 45°
90° 135°
圖表A- 4 光聚合電壓 2.5Vrms下製作之T-PNLC 的穿透光強度對電壓 關係圖，其中穿透率不隨施加電壓或入射光偏振態而變
0 0.5 1 1.5 2
0 5 10 15 20 25 30
Voltage, Vrms
Transmittance, a.u.
0° 45°
90° 135°
圖表A- 5 光聚合電壓 4Vrms下製作之T-PNLC 的穿透光強度對電壓關 係圖，其中穿透率不隨施加電壓或入射光偏振態而變
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
0 10 20
Voltage, Vrms
Phase, π
30 7 deg 0 deg -7 deg
圖表A- 6 我們將 cell 旋轉 90 度，量測正負七度內非偏振光的相位移 變化，結果顯示 T-PNLC 在上下七度內的相位移變化較小。
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
0 15 30 45 60 75 90 polarized angle, degree
Phase, π
7 deg 10 deg
-12 deg -15deg
圖表A-7 當 V=30Vrms，偏振光在各入射角的相位移-偏振方向圖(樣 品製作條件為光聚合電壓 2.5VCuring、光聚合溫度 25℃、液 晶盒厚度 7μm)，可看出 45 度線偏振光的相位調制大小介於 0 度與 90 度之間。