高分子液晶在全像干涉光場中的組構

全文

(1)國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 高分子液晶在全像干涉光場中的組構 The Study of Holographic Optical Field Induced Molecular Packing of Polymeric Liquid Crystal. 研究生：于紹偉撰指導教授：鄭文軍博士. 中華民國九十七年六月. I.

(2) 摘要本研究中以連續放光的氬離子雷射(波長488nm、垂直偏振)引發雙光束之全像干涉光場，並用以照射高分子液晶薄膜，其中高分子液晶薄膜是利用毛細現象於140℃灌注RM257材料於空的液晶盒中。利用RM257 薄膜我們成功的記錄下全像干涉光場的光學訊息，且經過照射的RM257 薄膜會因為內部分子具有週期性排列的關係而形成全像光柵。於研究中我們改變雷射強度、樣品溫度、干涉周期與照射時間…等以達到最佳的配向。並探討RM257薄膜經照射後，內部分子的組構、指向與光學特性。. II.

(3) Abstract In the present study we investigate the use of polymer liquid crystal for holographic recording. Holographic patterns were produced by means of two-beam interference using an Ar+ laser. The polymer liquid crystal thin layers were prepared by injecting RM257 into cells through capillary action at 140°C where the RM257 mesogen was in isotropic state. By exposing the mesogenic layer to the laser interference patterns, we have successfully imprint holographic patterns into RM257 thin layers. In order to reach the best alignment, the intensity of laser beam, sample temperature, the spacial period and exposure time must be properly set.. III.

(4) 致謝大學畢業後進入了研究所，很快的又要從研究所畢業了。兩年的研究生生活裡，改變我很多的做事情與處理問題的態度。首先要感謝我的父母與家人們，他們生我養我育我更讓我無憂無慮的唸完研究所，感謝他們所付出的一切。感謝我的指導老師鄭文軍博士引領我進入液晶領域並給予我正確的觀念與實驗上的引領。此外感謝已畢業的學長們(益誌、英志、勇彰、陸翔)辛苦建立起實驗室、觀念上的指導與研究生活的陪伴。還有學長們(征晏、志宏、百騰)對於實驗室的維護與實驗上的協助與討論。不能忘記的還有陪伴我兩年的同學們(君旗、仲隆、信評、雅婷)，與學弟們(明宏、一仁、兆奕、宗哲)在各方面的協助。要感謝的人實在太多了，平時受到大家的照顧，想跟大家說聲謝謝！. IV.

(5) 目錄摘要…………………………………………………………………………II Abstract…………………………………………………………………….III 致謝………………………………………………………..……………….IV 目錄…………………………………………………………………………V 圖表索引.…………………………………………………………………VII 第一章. 簡介……………………………………………………………….1. 第二章. 相關基本理論…………………………………………………….3. 2-1 液晶簡介……………………………………………...……………3 2-1-1 物質的中間相…………………………………………….…3 2-1-2 液晶的方向與位置秩序…………………………………….4 2-1-3 液晶的分類…………………………………………….……6 2-1-4 高分子液晶……………………………………………….…9 2-2 液晶光電特性簡介……………………………………….………12 2-2-1液晶的光學異向性…………………...……………………..12 2-2-2液晶的旋光性……………………………………………….15 2-3 全像干涉光場………………………………………………….…17 2-4 全像光柵………………………………………………………….19 2-5 量測系統理論…………………………………………………….24. V.

(6) 2-5-1 熱台偏光顯微鏡...............................................................…24 2-5-2 顯微鏡光強度檢測系統…………………………………...25 2-5-3 細薄光柵繞射效率檢測系統………………………….…..26 第三章高分子液晶樣品製備與系統架設……………………………...27 3-1 高分子液晶樣品製備…………………………………………….27 3-1-1 材料介紹………………………………………………..….27 3-1-2 樣品製作………………………………………………..…..28 3-2 實驗裝置的架設………………………………………….………30 第四章. RM257薄膜對全像干涉光場的記錄…………………...………32. 4-1 溫度對 RM257 薄膜的影響………………………………………32 4-2 全像干涉干涉光場對 RM257 薄膜的配向………………………40 4-3 不同條件之全像干涉光場對 RM257 薄膜影響…………………44 4-3-1 不同干涉週期…………………………………………...…44 4-3-2 不同的照射時間……………………………………………48 4-4 RM257 光柵對光學的調變討論………………………….………53 第五章. 總結……………………………………………………………...56. 參考文獻…………………………………………………………………...57. VI.

(7) 圖表索引 P.3 圖2-1 液晶隨著溫度轉換示意圖。 P.4 圖 2-2 向列型液晶瞬間指向與分布示意圖。 P.5 圖 2-3 層列 A 型液晶相與層列 C 型液晶相之分子指向與分布示意圖 P.7 圖2-4 向列型液晶相之分子指向與分布示意圖。 P.9 圖 2-5 膽固醇型液晶相之分子指向與分布示意圖。 P.10 圖 2-6 主鏈型液晶高分子示意圖，(a)為剛直型高分子液晶、(b)為半剛直型高分子液晶。 P.11 圖 2-7 側鏈型液晶高分子示意圖，(a)為直接鍵結型高分子液晶、(b) 為間接鍵結型高分子液晶。 P.11 圖 2-8 合併型液晶高分子示意圖。 P.13 圖 2-9 (a)正單光軸之折射率橢圓球、(b)垂直入射光前進方向且通過座標原點之平面於橢圓球上所截之橢圓曲線。 P.15 圖 2-10 光源垂直入射導軸平行 x 方向且厚度 d 之向列相棒狀液晶層示意圖。 P.16 圖 2-11 線偏振光與導軸夾角 45 度入射液晶層，沿 z 方向之相位延遲與偏振改變。 P.17 圖 2-12 全像干涉光場與能量強度示意圖，其中I為單光束入射強度、λ為光波長、k1.2波向量、θ為兩光束夾角。 VII.

(8) P.20 圖 2-13 (a)振幅光柵示意圖、(b)相位光柵示意圖。 P.21 圖 2-14 (a)細薄光柵繞射示意圖、(b)體積光柵繞射示意圖。 P.24 圖 2-15 熱台偏光顯微鏡。 P.26 圖 2-16 光強度檢測系統架構圖。 P.26 圖 2-17 相位薄膜光柵一階繞射效率量測系統示意圖。 P.27 圖 3-1. RM257 材料之相變溫度與分子式。. P.29 圖 3-2 空 cell 製作示意圖。 P.30 圖 3-3 藥品填充與封邊示意圖。 P.30 圖 3-4 全像干涉光場實驗架構示意圖，其中 M 1 ~ M 3 為反射鏡、BS 表示 50-50 的分光鏡。 P.31 表 3-1 不同空間週期對應的兩光束夾腳與樣品距離。 P.33 圖 4-1 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=100 ℃、Rate=-0.5 ℃/ min、t=60 min、Λ=40 μm)，樣品在室溫於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。其中(a)~(g)分別為方位角ψ於 0°、15°、30°、45°、60°、 75°、90°的光學圖像。 P.34 圖 4-2 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T= 100℃、Rate=-0.5 ℃/ min、t=60 min、Λ=40 μm)，樣品在 132℃於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。 P.35 圖 4-3 RM257 薄膜於不同溫度下照射後(I=3.96 W/cm2、t=30 min、. VIII.

(9) Λ= 30 μm)，室溫下樣品於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。其中(a)~(d)分別為 50 ℃、100 ℃、132 ℃與 145 ℃照射之樣品。 P.37 圖 4-4 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ= 30 μm)，樣品於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像(室溫)。其中(a)~(d)分別為方位角ψ於 0°、15°、30°、45°的光學圖像。 P.38 圖 4-5 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ= 30 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.41 圖 4-6 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ= 30 μm)，沿不同方向傾斜小角度時不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。其中(a)傾角α為 1.2°、(b) 傾角α為 1.5°。 P.42 圖 4-7 光源以不同入射條件入射導軸平行玻璃表面的液晶薄膜之示意圖。 P.44 圖 4-8 RM257 薄膜經照射後(I=2.69 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ= 10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.45 圖 4-9 RM257 薄膜經照射後(I=3.4 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、Λ= 10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.46 圖 4-10 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ= 10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.47 圖 4-11 RM257 薄膜經照射後(I=4.74 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、. IX.

(10) Λ= 10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.48 圖 4-12 RM257 薄膜經照射後(I=2.69、3.4、3.96、4.74 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、Λ=10~35 μm)，不同干涉週期對應亮暗比分布曲線圖。 P.49 圖 4-13 RM257 薄膜經照射後(I=2.69 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、Λ=10 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.50 圖 4-14 RM257 薄膜經照射後(I=3.4 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.50 圖 4-15 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、Λ=10 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 P.51 圖 4-16 RM257 薄膜經照射後(I=2.69、3.4、3.96 W/cm2、T=145 ℃、 t=10~60 min、Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。 P.54 圖 4-17 RM257 薄膜經照射後(I=2.69W/cm2、T=145℃、t=10~60min、 Λ=10μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。 P.54 圖 4-18 RM257 薄膜經照射後(I=3.4 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。 P.55 圖 4-19 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。. X.

(11) 第一章簡介高分子液晶為具有液晶相的高分子，由於其具有液晶的特性且聚合之後有很好的穩定性，故廣泛的被應用於各領域的研究中。有些液晶領域的研究中，會將高分子液晶單體摻雜於一般液晶中，於特定的情況下照射光源使單體聚合成高分子以達成特定的目標。例如：高分子網絡(polymer network)1-4液晶與高分子穩定型(polymer stabilized)液晶5-8。此外，近年來亦是有許多關於全像干涉光場之研究，例如利用兩光束之全像干涉光場照射光聚合物與液晶混合之薄膜以產生薄膜光柵9-19，或是利用多重光束產生之干涉光場照射感光材料產生三維光子晶體20，也有許多利用全像干涉光場照射偶氮材料以產生表面起伏…等等許多的研究21-24。本研究以Ar+氣體雷射產生穩定的雙光束全像干涉光場照射高分子液晶薄膜以產生分子排列整齊、單一指向性且具有空間週期分佈的高分子薄膜。本論文第二章會介紹本研究中所用到的相關理論。包括液晶與其光學特性與雙光束全像干涉光場的物理與理論推導。由於高分子液晶薄膜經過全像干涉光場照射之後，由於分子排列方式不同而記憶全像干涉光場，且形成介電係數週期分佈的薄膜光柵，故亦會介紹光柵的分類與特性。最後介紹於研究中使用量測系統的理論。. 1.

(12) 第三章中，我們介紹高分子液晶薄膜的製備方式，從玻璃清洗到製成空 cell 的流程、材料填充方式等皆會有詳細的介紹。而實驗中利用雙光束產生全像干涉光場的架設，亦會在此章節做介紹。第四章中，我們首先會探討照射溫度對高分子液晶薄膜的引響。在決定了照射溫度之後，我們會探討不同空間週期的全像干涉光場與不同的照射時間下，高分子液晶薄膜內部分子的配向。其後會進一步討論不同照射條件下所形成之細薄全像光柵的繞射效率。並於最後一章做一總結。. 2.

(13) 第二章相關基本理論 2-1 液晶簡介 2-1-1 物質的中間相(a mesophase of matter) 25,26 自然界中，一般物質皆以固態、液態、氣態三態存在，其中晶體與液體為兩種最常見的凝相(condensed phases)。在巨觀尺度下，晶體分子的空間排列具有大尺度秩序性，這種秩序稱為長程有序(long range order)。其秩序性通常包括方向秩序與位置秩序二者，故晶體的分子會被局限於晶格(lattice)的特別位置中，且其內分子之分子軸皆指著一定的方向。反之於液體中則無此現象，液體中的分子可自由的分散於樣品體內，且可以隨意的翻滾。當固態物質加熱至熔點以上時，通常會直接變成分子不具秩序的液體。但是某些有機(organic)材料被加熱時，並不直接從固態變成液態，而是經過了一個或多個中間相再 Crystal. Liquid Crystals. Isotropic. Temperature 圖2-1 液晶隨著溫度轉換示意圖。 3.

(14) 變成液態，如圖2-1所示。於這些中間相，它們的秩序比液體高而比晶體低且它們兼具液體及晶體的部份特性，這些中間相即被歸類稱為液晶(liquid crystals)。. 2-1-2 液晶的方向與位置秩序(Orientational and Positional Order) 26 所有的液晶相中，其分子分佈的方式和液體很像，卻又保有相當程度的方向秩序，於特定的液晶相中甚至有些具有位置秩序。即對液晶相而言，分子在各方向中會稍微偏好某特定的方向或是在特定的位置上停留較長的時間。圖 2-2 展示了最簡單的液晶相(向列型液晶)[注]，該相之棒狀型分子的瞬間指向與分佈如圖所示。其內部分子的分佈，分子的軸會趨於指向某個特定方向，則我們稱此特定之方向. ). 為導向(director)，以單位向量 n 表示。. ) n θ. 圖 2-2 向列型液晶瞬間指向與分布示意圖。. 4. [註]向列型液晶會於 2-1-3 液晶的分類中介紹。.

(15) 為了標定液晶具有方向秩序的程度，故定義了秩序參數 S (order parameter)並以下式表達： S =< P2 (cos θ ) >=<. 3 1 cos 2 θ − > 2 2. (2.1). 於式(2.1)中 P 為 Legendre 多項式、θ 為分子軸與導軸間之角度、角形括弧表示對同一瞬間的分子作平均或對某一單分子的所有時段作平均。對整齊排列的固態晶體，樣品內部所有分子之分子軸與導軸之夾角 θ=0°，其秩序參數 S=1。對於各向同性(isotropic)的液體，其秩序參數 S=0。於典型的液晶中，秩序參數 S 會隨著溫度之增加而減少，其 S 值介於 0.3 至 0.8 之間。如先前所提及，於特定液晶相中分子會具有位置秩序，最直接的例子即為層列相 A(Smectic A)與層列相 C(Smectic C)這兩種液晶相，如圖 2-3 所示[註]。於此二種液晶相中，分子之質量中心在樣本中，會具有一維週期性的分佈而呈現層列狀態，故具有位置秩序。. ) n. ) n θ d. 層列A. d 層列C. 圖 2-3 層列相 A 與層列相 C 液晶之分子指向與分布示意圖。 5. [註]層列型液晶會於 2-1-3 液晶的分類中介紹。.

(16) 液晶相之分子皆擁有方向秩序且有時具有位置秩序，和其相對比的是塑性晶體(plastic crystal)或稱旋子(rotator)相，此物質具有位置秩序而無方向秩序，因為他們的質量中心雖然固定於晶格中，但其內部分子可以沿一個或多個分子軸自由的旋轉。. 2-1-3 液晶的分類27,28 具有液晶性的物質均具有各方異向性(anisotropic) 的物理特性及某種程度的流動性。而為了具有這些特性，液晶分子在結構上必須具有高度的幾何異向性，例如棒狀(rod-like)液晶、碟狀(disc-like)液晶。顧名思義棒狀液晶即分子的形狀為細長狀，而盤狀液晶即分子呈現扁平的形狀。此兩種液晶其液晶相存在於某種溫度區間內，故也稱為熱致型液晶(thermotropic liquid crystals)。若分子僅當其與某種溶劑混合時才會形成液晶相時，則稱為液致型液晶(lyotropic liquid crystals)。對液致型液晶相而言，在決定液晶相是否穩定的因素中，濃度就如溫度一樣重要，甚至更重要。本論文所使用的高分子液晶材料在未聚合成高分子之前，即為熱致型棒狀液晶。故以下僅討論棒狀液晶之液晶相。. 6.

(17) 一般棒狀液晶之液晶相主要可以分為向列相(Nematics)、層列相 (Smectics)與膽固醇相(Cholesterics)。 (一) 向列相(Nematics)液晶27 向列相為最簡單的一種液晶相，其分子排列結構示意如圖 2-4 中。於此相中，分子具有以下特性： 1. 向列相分子的長軸有沿著某一方向排列的趨勢，其方向即為分. ). 子導軸 n 。 2. 向列相分子之排列不具有長程有序，即分子雖然於排列方向上具有次序性，但分子的重心位置並沒有規則性。 3. 向列相液晶為一單光軸(uniaxial)介質，其光軸即為平行導軸之. ). ). 連線。此外，導軸在空間中 n 與 − n 是不可區分的。 4. 單一分子具有永久電偶極(permanent electric dipole)，但電偶極會相互抵銷，故整體而言不具有鐵電性。. ) n. 圖 2-4 向列型液晶相之分子指向與分布示意圖。 7.

(18) (二)層列相(Smectics)液晶27 層列相具有各種不同的形式，例如 SmA、SmB、SmC、SmF、 SmI、…等等。於本論文中，我們僅介紹較為常見的層列相 A(SmA) 與層列相 C(SmC)。圖 2-3 即展示了 SmA 與 SmC 的分子指向與分布。於層列相中，分子於樣本中會具有一維週期性的分佈而呈現層列狀態，分子層與分子層間即稱為層疊。故於層列相中，分子質量中心在樣本中之分布，會傾向滯留在層疊中，而非介於層疊之間，但單一層內的液晶分子重心無一定的排列順序，其黏滯性比向列相液晶大。而 SmA 與 SmC 主要不同之處為其各層分子之導軸。於 SmA 中液晶分子導軸垂直於層面，層與層之層距 d 約等於分子的長度。SmA 在光學上屬於單光軸材料，其光軸延著導軸方向。而於 SmC 中液晶分子導軸則會與層面法線有一夾角，因為液晶分子導軸並非垂直層面，故其層距會小於分子長度。SmC 在光學上屬於雙光軸材料，其一光軸沿導軸方向，另一光軸為垂直層面方向。. (三)膽固醇相(Cholesterics)液晶27 如圖 2-5 所示，於膽固醇相液晶中液晶分子是由多層向列層液晶堆疊而成。液晶分子的導軸在空間中不是固定的，並呈螺旋狀週期排列。當分子導軸旋轉 360 度時，此分子層厚度即為螺旋距(pitch)。 8.

(19) ) n. Pitch. 圖 2-5 膽固醇型液晶相之分子指向與分布示意圖。. 2-1-4 高分子液晶26,29 高分子為大分子或是由重複單元組成的巨分子，典型的高分子是由連續重複的單體單元組成的「線」或「網」狀物。若組成高分子之單體被有助於產生液晶相之物質所取代而形成液晶元(mesogen)，則形成的高分子會產生液晶相。故高分子液晶即為一種具有液晶性的高分子，由液晶元基(mesogenic unit)結合形式不同而造成分子結構不同，可分類為主鏈型液晶高分子(main chain liquid crystal polymers)、側鏈型液晶高分子(side chain liquid crystal polymers)與合併型液晶高分子(combined liquid crystal polymers)。 9.

(20) 一、主鏈型液晶高分子主鏈型液晶高分子示意圖如圖 2-6 所示，其中液晶元基在液晶高分子鍵結之主鏈上，故稱為主鏈型高分子液晶。此外由液晶元間的鍵結方式，又可分為全由液晶元基直接鍵結在一起的全剛直型高分子液晶與由可曲折性分子鏈連接各液晶元基的半剛直型高分子液晶。. (a ) mesogenic unit. (b) mesogenic unit. linking unit. 圖 2-6 主鏈型液晶高分子示意圖，(a)為剛直型高分子液晶、(b) 為半剛直型高分子液晶。. 二、側鏈型液晶高分子若液晶元基並非連結於高分子之主鏈上，而是鍵結於高分子之側鏈，則稱之為側鏈型液晶高分子，如圖 2-7 所示。與主鏈型高分子液晶相同，由液晶元基與主鏈鍵結的方式又可以分為由液晶元基直接鍵結的直接鍵結型，與由可曲折性分子鏈與主鏈鍵結的間接鍵結型高分子液晶。. 10.

(21) (a ). (b). 圖 2-7 側鏈型液晶高分子示意圖，(a)為直接鍵結型高分子液晶、 (b)為間接鍵結型高分子液晶。. 三、合併型液晶高分子此類高分子很明顯的具有主鏈型液晶高分子與側鏈型液晶高分子二者的特徵。而其側鏈之液晶元基可以附著於主鏈的連結基(如圖 2-8(a))，或是附著於主鏈的液晶元基(如圖 2-8(b))。. (a ). (b). 圖 2-8 合併型液晶高分子示意圖。. 11.

(22) 2-2 液晶光學特性簡介 2-2-1 液晶的光學異向性25 液晶分子在結構上具有高度的幾何異向性，使的液晶分子的排列具有各方異向性，導致光於液晶介質中行進的速度與光行進方向、偏振方向有關。若將入射光分為兩偏振方向互相垂直之偏振光，則此兩不同偏振方向之偏振光於液晶中會感受到不同的折射率，這種現象稱為雙折射(birefringence)。藉由 Maxwell 電磁學方程式，可推得非光學等向性晶體的折射率方程式如式(2.2)。 x2 y2 z2 + + =1 n x2 n y2 n z2. (2.2). 其中 n x 、 n y 、 nz 分別表示沿 x、y、z 三方向上光所感受到的折射率。由 n x 、 n y 、 nz 的差異，可將材料分類為三類。若 n z ≠ n y ≠ n z ，則稱為雙光軸(biaxial)材料，例如 Smetic C。若 n z = n y ≠ n z ，則稱為單光軸 (uniaxial) 材料，例如 Nematic 。而於各向同性 (isotropic) 材料中 nz = n y = nz. ，例如水。其中單光軸材料又可分為正單光軸材料. ( n z = n y < n z ，光軸為 z 方向)與負單光軸材料( n x = n y > n z ，光軸為 z 方向)。以向列型的棒狀液晶分子為例。向列相液晶為一正單光軸介質，故我們先定義 n x = n y = no 、 n z = ne 且光軸為 z 軸方向。當線偏振光入射向列型桿狀液晶且其電場偏振方向垂直光軸時，則此線偏振光會感受到 no ，其中 no 稱為尋常光折射率(ordinary refractive index)。此外，當 12.

(23) 線偏振光入射向列型桿狀液晶且電場偏振方向平行光軸時，則此線偏振光會感受到 ne ，其中 ne 稱為非尋常光折射率(extraordinary refractive index)。. (a ). (b). ) k ne. Π. θ. neff. no. no y. x. 圖 2-9 (a)正單光軸之折射率橢圓球、(b)垂直入射光前進方向且通過座標原點之平面於橢圓球上所截之橢圓曲線。. 為了更進一步了解正單光軸材料特性，故以 Fresnel 所提出之折射率橢圓球 (index ellipsoid) 來說明其性質。圖 2-7(a) 展示了 n x = n y = no、n z = ne (ne > no ) 且光軸為. z 軸方向之折射率橢圓球。圖 2-9(a) ). ). 中之 k 表示光之波向量，我們取通過座標原點且垂直 k 之平面，此平面會在折射率橢圓球上截出橢圓曲線，以 Π 表示，如圖 2-9(b)。以下. 13.

(24) 我們將會探討三個不同行進方向之線偏振光為例個別說明。 ). ). 1. k 向量平行 z 軸(光軸)：當 k 平行光軸時，曲線 Π 為一落於 x-y 平面上之正圓，其半徑為 no 。故不論入射光之偏振方向均僅會感受到折射率 no 。 ). ). 2. k 向量平行 x 軸：當 k 平行 x 軸時，曲線 Π 為一落於 y-z 平面上之橢圓，其短軸為 ne 、長軸為 no 。故此時，入射光偏振之 y 分量所看到的折射率即為 no ，而入射光偏振之 z 分量則會看到 ne 。由於 x 分量與 y 分量所看到的折射率不同，故兩互相正交之線偏振光的相速度不相同，而產生相位延遲。 ). 3. k 向量與 z 軸(光軸)夾 θ 角：因為光軸為對稱軸，在不失一般性的 ). 情況下，我們令 k 在 y-z 平面上，如圖 2-6(a)所示。此時曲線 Π 亦為一橢圓，其短軸為 no 、長軸為 neff (θ ) 。此時，入射光偏振之 y 分量所看到的折射率即為 no ，而入射光偏振之 z 分量則會看到 neff (θ ) 。 neff (θ ) 可推得如下：. neff (θ ) =. n e no. (n. 2 e. (2.3). cos θ + n sin θ ) 2. 2 o. 2. 1 2. 由上式可知 no ≤ neff (θ ) ≤ ne 。. 14.

(25) 2-2-2 液晶的旋光性如圖 2-10，若光源垂直入射桿狀液晶層，則入射光之電場必可分 v. v. 為平行液晶導軸之電場分量 E e，與垂直液晶導軸之電場分量 Eo 。由於 v. v. 桿狀液晶為單光軸材料，故不同偏振光 E e 與 Eo 於液晶中傳播時，會分 v. v. 別感受到折射率 ne 與 no 。若 E e 與 Eo 於液晶中所走的相位分別為 φe 與 φo ，則產生之相位延遲 Δφ 如下式： Δφ = φe − φo =. 2πΔnd. (2.4). λ. 其中 Δn = ne − no 、d 為液晶層厚度、λ 為入射光波長。若入射之光源為線偏振光且其偏振方向與液晶之導軸夾 45 度角，則經過液晶層之後 v. v. 由 E e 與 Eo 所合成的光偏振方向就會取決於向位延遲 Δφ 。. d v Ee φe =. λ. r Eo. ) n. x. y. z. φo =. 2πne d. λ. 2πno d. λ. 圖 2-10 光源垂直入射導軸平行 x 方向且厚度 d 之向列相棒狀液晶層示意圖。. 15.

(26) 圖 2-11 展示了與液晶導軸夾角 45 度之線偏振光入射液晶層後， v. v. v. 各電場分量 E e 與 Eo 的相位。由於棒狀液晶材料的雙折射特性會使的 E e v. 與 Eo 產生不同的相位，使的入射光產生相位延遲而改變偏振狀態。. r E. r Ee r Eo. z. Δφ ⇒. π. 0. π. 2. 3π 2. 2π. r Ee r Eo. + 45. LHC. − 45. RHC. + 45. 圖 2-11 線偏振光與導軸夾角 45 度入射液晶層，沿 z 方向之相位延遲與偏振改變。. 16.

(27) 2-3 全像干涉光場30,31 圖 2-12 展示了兩道強度相同 (即 I 1 = I 2 = I )且同調的平面波於空間中產生干涉的情形。若平面波的波峰以實線表示，波谷以虛線表示，則相鄰兩波峰或兩波谷的距離即是光之波長。在干涉場中，兩光束之波峰與波峰之交點連線或是波谷與波谷之交點連線即為建設性干涉區域，於此區域內電場因為互相重疊使得電場振幅成為原本的兩倍。反之，波峰與波谷的交點連線即為破壞性干涉區域，於此區域內電場因為互相抵銷使得電場振幅為零。又光波的能量與電場振幅的平方成正比，所以建設性干涉區域的光場能量變成單一入射光束的四倍 (即 4I)。其數學推導如下31：首先我們先定義兩入射光束之波向量 k1, 2 。 v r r k1, 2 = z 0 k z ± x0 k x. (2.5). x. I1. k2. I2. k1. 4I. θ x. y. z. λ. Intensity. 圖 2-12 全像干涉光場與能量強度示意圖，其中I為單光束入射強度、λ為光波長、k1.2波向量、θ為兩光束夾角。 17.

(28) v. 其中 x0 與 zv0 各別為延 x 與 z 方向之單位向量。我們將兩光束之波向量 r. 相減即可得到光柵向量 q (grating vector)。 r v q = ±(k1 − k 2 ) = ± x0 2k x. (2.6). 對式(2.6)於等號兩邊取絕對值後，將 k x. v v = k sin (θ / 2 ) 、 q = q = 2π / Λ 代入。. 則我們可以得到兩光束干涉圖樣之空間週期(Λ)，並可由光波長 λ 與兩光束夾角 θ 決定： Λ=. λ 2 sin (θ / 2). (2.7). 由此我們可得知，若改變雷射波長或兩束光夾角，則可獲得不同的條紋間距。進一步我們可以寫出於干涉區域的電場振幅分布。 v v v A = A1exp (ik x x ) + A2 exp (− ik x x ). (2.8). 其中 A1 與 A2 分別為兩光束之電場振幅、A 為加成之電場振幅。干涉處的光強度分布為： v v n ε 0 c A ⋅ A* 2 v 2 v v v 2 n = ε 0 c⎛⎜ A1 + 2 A1 ⋅ A2* cos 2k x x + A2 ⎞⎟ = I 1 + 2ΔIcos2k x x + I 2 ⎝ ⎠ 2. I total =. (. ). v. (2.10). v. 其中 ΔI = (n / 2)ε 0 c( A1 ⋅ A2* ) 為光強度調制振幅、*代表共軛複數(complex conjugate)、n 為介質折射率、 ε 0 是真空的介電係數(permitivity)、c 為光速。若 I 1 = I 2 = I ，則 ΔI = I 且 Itotal = 2 I (1 + cos 2k x x ) = 2 I ⎛⎜1 + cos ⎝. 2πx ⎞ ⎟ 。此 Λ ⎠. 時光強度的峰值即為四倍的單光束能量( I total = 4 I )，光強度的最小值為零。於本研究中我們利用高分子液晶薄膜記錄下條紋並產生全像光柵，此即為最簡單的全像訊息。 18.

(29) 2-4 全像光柵32,33 全像術為D. Gabor於1948年所提出的一種新的成像方法，他們稱之為波前重現 34 。後來經過 G. L. Roger 、 H. M. A. El-Sum 、 A. Lohmann、E. N. Leith、J. Upatnieks等人的研究與雷射的出現，才於六零年代獲得巨大的發展。若物體的散射光與一個波前整齊的參考光於空間中干涉，則由此物體散射出來的表面形狀波前之振幅與相位就能利用全像底片記錄下來。而全像片上任何一個小點都記錄了整個影像的空間訊息。接著再以原來參考光波照射全像片，則所產生的「繞射」圖案即是相似於原始物體的3D影像，即是利用繞射方式來重建訊息波，此即為波前重現。其中全像光柵的拍攝較全相片簡單，除了拍攝變因較少之外，更不必去考慮參考光與物光的亮度差別。全像光柵的製作就是利用兩束相互干涉的平面雷射光照射到全像片上，則全像片上則會記錄下亮暗相間干涉條紋的影像。全像光柵可以依照記錄介質之光學特性與介質厚度來分類。一般而言，記錄材質皆具備有光敏感(light sensitivity)的特性，即材料的折射率 n 或是吸收率 α 會因為入射光線而產生變化。若以記錄的材料是否吸光來分類光柵，則可以分為振幅光柵與相位光柵兩種。. 19.

(30) (a)振幅光柵：如圖 2-13(a)，若材料感光後吸收係數 α 在空間上有週期性的變化。則重建光入射介質後，會因為介質週期性變化的吸收係數導致光強度在介質中做空間調制 (spatial modulation)，則稱此類光柵為振幅光柵。 (b)相位光柵：如圖 2-13(b)，若材料感光後折射率 n 或介質厚度 d 在空間上有週期性的變化。則重建光入射介質後，會因為介質週期性變化的折射率或是厚度導致光相位在介質中做空間調制(spatial modulation)，則稱此類光柵為相位光柵。. α1 > α 2 α1. n1. α1. n1. α1. n1. α1. n1. α1. n1. α2. α2 α2 α2. n1 ≠ n2. n2 n2 n2 n2. 圖 2-13 (a)振幅光柵、(b)相位光柵。. 若以記錄材料的厚度來分類光柵，當記錄材料的厚度比干涉條紋間距大許多時，介質則會記錄下條紋的三維空間分布，則稱此為體積光柵(volume grating)。反之若記錄材料的厚度很薄，則記錄下的條紋 20.

(31) 可用二維空間分布來處理，稱為細薄光柵(thin grating)。於細薄光柵中，入射光因其相位會受到光柵的調制而改變行進方向，因此不同角度入射之入射光都會有繞射的現象。但於體積光柵中，僅有當入射光在體積光柵中行進的光程差等於波長的整數倍時，才會產生有效繞射且僅有單一繞射。在體積光柵中，入射光僅有在特定角度才能形. 成有效繞射，此種條件即稱為布拉格條件。體積光柵與細薄光柵的繞射方式如圖2-14所示。. (a). (b). 2θ. θ Λ. 圖 2-14 (a)細薄光柵繞射示意圖、(b)體積光柵繞射示意圖。. 21.

(32) 由於布拉格條件的限制，使的體積光柵的繞射情形與細薄光柵有很大的不同。為了區別此兩種光柵，Klein定義出特性參數Q做為分類的準則35，如式 2.11 所示。 Q=. 2πλ 0 d n 0 Λ2. (2.11). 其中λ0為光在空氣中之波長、d為介質厚度、n0為介質照光前的平均折射率、Λ為光柵之週期(即干涉條紋的間距)。當Q>10 則表示此介質是屬於體積光柵，反之則屬於細薄光柵。本研究之高分子薄膜記錄下全像干涉光場之後，即屬於薄膜相位光柵。針對全像光柵所產生的繞射結果在過去已有許多詳細的理論推導與探討，於本論文中我們僅參考其重要的結果36：當物質受到干涉光場的調制後折射率與吸收率改變，其複數折射率隨空間的分佈如下式(2.12)。 ⎛ Δk n~ = n 0 + Δn~ cos (Λ x ) = n 0 + ⎜ Δn '+ i v ⎜ 2k ⎝. ⎞ ⎟ cos (Λ x ) ⎟ ⎠. (2.12). 其中n0為平均折射率、Δn’表示光柵中折射率的調變量、Δk表示光柵 v. 中吸收係數的調變量、 k 為入射光波向量的絕對值、Λ為光柵週期。 ~. 之後我們可以得到入射光於薄膜內之複數相位 φ ： ~. φ =. 2πΔn~ d. (2.13). λ0. 假設入射光之電場振幅為 Ai 、角頻率為 ω，則藉由解邊界值我們可以推導出第 m 階繞射波電場振幅 Am 如式(2.14)。 22.

(33) (). ~ Am = Ai i m J m φ. (2.14). 其中 J m (φ )為第 m 階貝索函數(Bessel function)。在薄膜全像光柵條件 ~. 下 φ << 1，即 Δn’<<1，則 J 0 (φ ) ≈ 1 且 J 1 (φ ) = J −1 (φ ) ≈ φ / 2 。我們定義全像 ~. ~. ~. ~. ~. 薄膜光柵之一階繞射效率η1 ： η1 ≡. (). I1 ~ = J1 φ Ii. 2. (2.15). 其中 I i 表示入射光強度、 I1 表示一階繞射光強度。故當 Δn~ << 1 時，η1 則可以表示成： πΔn~d η1 ≅ λ0. 2. 2. ⎛ πΔnd ⎞ ⎛ Δkd ⎞ ⎟⎟ + ⎜ = ⎜⎜ ⎟ ⎝ λ0 ⎠ ⎝ 4 ⎠. 2. (2.16). 由(2.16)式，當 Δn’很小時，一階繞射效率η1 會與 Δn’有正比關係。. 23.

(34) 2-5 量測系統架構與理論本節主要是介紹研究中所使用的量測系統，包括熱台偏光顯微鏡、顯微鏡光強度檢測系統與薄膜光柵繞射效率檢測系統之基本原理。 2-5-1 熱台偏光顯微鏡樣品經過全像干涉光場照射之後，最重要的即是判定樣品是否如預期一樣良好。故我們會使用熱台偏光顯微鏡對樣品做初步觀測。如圖 2-15 所示，熱台偏光顯微鏡以偏光顯微鏡為主體，並在顯微鏡載物台上加裝溫度控制系統。透過溫度控制系統可以對樣品之溫度、升溫速率與降溫速率做控制，並利用可旋轉式的載物台直接觀測樣品。原理以液晶分子導軸平行玻璃基板表面配向的液經盒為例。此液晶盒在偏光顯微鏡中，若入射光的偏振方向與液晶導軸垂直或是平行時，. 圖 2-15 熱台偏光顯微鏡。. 24.

(35) 則偏振光於液晶內會感受到單一折射率 ne 或是 no ，而使的偏振光會被第二片偏光片吸收而展現全黑的光學圖像。若我們入射偏振光與液晶導軸有一夾角，則偏振光即會感受到液晶之光折射特性，而使的偏振光於經過第二片偏光片時會產生漏光。液晶盒垂直擺放之偏光片下之穿透光強度 T⊥ 可寫為式(2.17)。 T⊥ = T0 sin 2 (2φ )sin 2. πΔnd λ. (2.17). 其中 T0 為入射偏振光之光強度、ψ為條紋與入射光偏振之夾腳、Δn 為於此配向下入射光感受到的兩折射率差、d 為液晶厚度、λ 為入射光波長。. 2-5-2 顯微鏡光強度檢測系統圖 2-16 展示了顯微鏡光強度檢測系統架構圖，此系統即是在偏光顯微鏡上加設光強度量測系統。量測中我們將樣品放於旋轉載物台上並改變方位角ψ，之後利用檢測系統記錄下於第二片偏光片漏出之光強度。其中我們定義方位角ψ為樣品條紋與入射光偏振方向所夾之銳角。利用不同方位角所呈現出的光強度變化，檢測高分子液晶是否為均一性指向的型態。此外為了判別高分子液晶薄膜之分子指向，除了量測偏振光垂直入射樣品之情況之外，我們亦會斜向入射樣品，並定義傾角為樣品法線與光前進方向之夾角 α，如圖 2-16 所示。. 25.

(36) Monitor. Analyzer. α. φ. Polarizer light source 圖 2-16 顯微鏡光強度檢測系統架構圖。. 2-5-3 細薄光柵繞射效率檢測系統圖 2-17 展示了細薄相位光柵利用 He-Ne 雷射(波長 633nm)量測一階繞射效率示意圖。其中 I i 為入射光強度、 I 0 為穿透光強度。若 I ± m 為第 m 階繞射光強度。我們定義其第 m 階衍射效率η ± m = I ± m / I i 。. Detector He - Ne laser. I1. Ii. Monitor I0. λ=633nm;垂直偏振. I -1. 圖 2-17 相位薄膜光柵一階繞射效率量測系統示意圖。. 26.

(37) 第三章高分子液晶樣品製備與系統架設在本論文中我們將高分子液晶(RM257)做成薄膜，之後控制樣品溫度並置於雷射光束交錯區域內，於不同照射強度、不同照射時間與不同週期下對 RM257 薄膜照射全像干涉光場，並探討經照射後的 RM257 薄膜內分子組構。之後再將此薄膜作為記錄光訊號的材料，並比較不同參數下光柵之繞射訊號的差異。 3-1 高分子液晶樣品製備 3-1-1 材料介紹於本研究中所使用的高分子液晶材料為RM257(Merck)，其聚合前液晶元之分子式如圖 3-1 所示。使用熱台偏光顯微鏡觀測，所測得之相變溫度如下所示，其中TCN 表由Crystal相變進入Nematic相的溫度、TNI 表由Nematic相變進入 Isotropic相的溫度、TIN表示由Isotropic 相變進入Nematic相的溫度。. Crystal. TCN=65.5℃ Nematic. TNI=130.0℃ Isotropic TIN= 129.8℃. 圖 3-1 RM257 材料之相變溫度與分子式。. 27.

(38) RM257 單體分子頭尾皆具有一高活性的雙鍵，當聚合反應發生時，相鄰單體之活性雙鍵會彼此鍵結而形成 cross-limked 聚合物，為一種主鏈型的高分子液晶，且於室溫下為結晶狀。. 3-1-2 樣品製作 (一) 玻璃製備 (1) 使用鑽石刀將購買來的載玻片切割為 15mm × 15mm 的大小。將切割好的玻璃放置於 UV 光導管下，使用 UV 光源曝光 60 秒，對玻璃曝光以去除附著於基板之生物細菌。 (2) 將玻璃浸泡在 5wt％Neutracon 的去離子水中，並於超音波清洗機內震盪十五分鐘。再以去離子水沖掉泡沫，重復流程兩次。 (3) 將玻璃浸泡在去離子水中，並以超音波清洗機震盪 10 分鐘。 (4) 將玻璃浸泡於丙酮中，於超音波清洗機中震盪十分鐘。之後再將丙酮換成異丙醇再以超音波清洗機震盪十分鐘。 (5) 將清洗好的玻璃使用氮氣槍吹去異丙醇後放置於平板加熱台烤乾即可進行下一製程。. (二) 空 Cell 的製作圖 3-2 展示了空 cell 製備的示意圖。我們將兩片乾淨的玻璃重疊，並以直徑 10 μm 的球狀間隙子(spacer)隔開。之後將兩玻璃以反 28.

(39) 力夾固定，並於有間隙子的兩側塗上 AB 膠封邊。於空 cell 製備時我們會預留上下兩缺口，以便稍後將 RM257 灌入空 cell 中。. 圖 3-2 空 cell 製作示意圖。. (三) 藥品填充填充藥品時，我們會先將空 cell 置於加熱台上並升溫至 140 ℃，使高分子液晶材料於 isotropic 狀態下以毛細現象灌注，之後再將剩下的兩個缺口以 AB 膠封邊即完成高分子液晶薄膜的製備。圖 3-3 即展示了灌注藥品時高分子液晶的流動情形與以 AB 膠做最後封邊的示意圖。. RM 257 AB膠. 圖 3-3 藥品填充與封邊。 29.

(40) 3-2 實驗裝置的架設圖 3-4 展示了本研究之實驗架構圖。於研究中，我們使用 Spectra-physics Beamlok 2060 Argon Ion Laser Systems。此為連續放光之氬離子氣體雷射，目前操作波長為 488nm 且垂直偏振之雷射光。於研究中我們將兩道垂直偏振之光束疊加在一起以產生全像干涉光場。光路架設方式如下：雷射輸出光會先使用 M 1 與 M 2 調較雷射光束的位置與方向，其後使用 50-50 之分光鏡將光束分為兩道能量相當的光束(即 I 1 ≅ I 2 )，再設計光路使兩光束在預定擺放樣品處交會並產生雙光束之全像干涉光場。此外，我們會將樣品固定於熱台上，並控制樣品的溫度與升降溫速率等等，故可以在研究所需要的溫度下照射全像干涉光場。. BS. L. I1. 5cm Sample. I2 M3. λ = 488nm. Ar + laser. 垂直偏振. M1. 圖 3-4 全像干涉光場實驗架構示意圖，其中 M 1 ~ M 3 為反射鏡、BS 表示 50-50 的分光鏡。. 30.

(41) 為了避免接下來討論上的困擾，我們對光源照射強度的描述，僅描述雷射光束經分光後兩光束的平均照射強度並以符號 I 表示且 I = (I 1 + I 2 ) / 2 ， I 1 、 I 2 如圖 3-4 所示。單光束的照射強度計算方法為量. 測單一光束的平均功率，再除以光束光斑的面積( 0.28cm 2 )。全像干涉光場空間週期的計算如式 2.7，若我們固定兩束光經由分光鏡後入射樣品的距離為 5 公分，則我們僅需要調控樣品離分光鏡的距離 L，即可改變干涉光電場強度之空間週期 Λ。表 3-1 即為不同干涉週期之干涉場，所對應兩光束夾角 θ 與距離 L。. 表 3-1 不同空間週期對應的兩光束夾腳與樣品距離。 Λ(μm). 10. 15. 20. 25. 30. 35. θ(°). 2.79. 1.86. 1.4. 1.11. 0.93. 0.8. L(cm). 102. 153. 204. 256. 307. 358. 31.

(42) 第四章 RM257 薄膜對全像干涉光場的記錄本章主要是探討高分子液晶(RM257)薄膜在各種條件下，例如照射溫度、照射強度、照射週期與照射時間等，全像干涉光場對薄膜內部分子指向與狀態的影響。進而了解不同參數下，此薄膜對全像干涉光場的記錄特性。 4-1 溫度對 RM257 薄膜的影響於研究中，為了判斷高分子液晶材料RM257 是否對波長 488 nm 之雷射光束所產生的全像干涉光場有反應。故我們於樣品T=100 ℃時置於照射強度I=3.96 W/cm2且空間週期Λ=40 μm之全像干涉光場內，並以Rate=-0.5 ℃/min的速率降溫到T=70 ℃，總照射時間t=60 分鐘。圖 4-1 即為RM257 薄膜經由全像干涉光場照射之後，室溫下於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。於圖 4-1 中我們可以發現RM257 薄膜經由照射之後，全像干涉光場之建設性干涉區域會於RM257 薄膜上留下條紋。且旋轉偏光顯微鏡載物台後，條紋與其他區域展現不同的光學特性，即不同方位角下會有不同的顏色與亮暗變化。故RM257 薄膜的確會對波長 488 nm的雷射光束有反應，並藉由分子狀態的改變記錄下全像光場的光學訊息。但於此照射參數下，不論是全像干涉光場之建設性干涉區域或是全像干涉光場之破壞性干涉區域之分子皆沒有一致的指向[註]。. 32. [註]由於全像干涉光場之建設性干涉與破壞性干涉會大量提及，故我們以下皆以建設性光場與破壞性光場簡稱之。.

(43) (b). (a). A. A. 100μm. 100μm P. P (c). (d). A. A. 100μm. 100μm P. P (e). (f). A. A. 100μm P. 100μm P. (g). A. 100μm P. 圖 4-1 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=100 ℃、Rate=-0.5 ℃/ min、t=60 min、Λ=40 μm)，樣品在室溫於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。其中(a)~(g)分別為方位角ψ於 0°、15°、30°、45°、60°、 75°、90°的光學圖像。. 33.

(44) 此外，當RM257 薄膜經由全像干涉光場照射之後，我們以熱台偏光顯微鏡將樣品升溫到 132 ℃下觀察。圖 4-2 展示了RM257 薄膜於 132 ℃時，有照射干涉光場區域與沒照射到的區域於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。於圖中我們可以發現，未照射區域在垂直擺放的偏光片中展現全黑的光學圖像，這表示在升溫過程中因為超過了 TNI(130 ℃)，故已經相變進入了Isotropic。反之，經由全像干涉光場照射後的區域卻沒有相變進入Isotropic。故我們認為RM257 材料再經由 488 nm的雷射光束照射之後會聚合成高分子。在聚合成高分子之後，RM257 材料雖然仍然具備雙折射的特性，但物理化學性質已經與未聚合前不同。. 未照射區域. 照射區域. A P 圖 4-2 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T= 100℃、Rate=-0.5 ℃/ min、t=60 min、Λ=40 μm)，樣品在 132 ℃於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。. 34.

(45) 為了解決上述薄膜經照射後內部分子指向不同的問題，故我們將樣品於不同的相態下，置於照射強度I=3.96 W/cm2且干涉週期Λ=30 μm之全像干涉光場內照射 30 分鐘。圖 4-2 即展示了樣品於 50 ℃、100 ℃、132 ℃與 145 ℃下照射全像干涉光場後，室溫下於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。. (a). (b). A. A P. 100μm. (c). P. 100μm. (d). A. 100μm. A. 100μm P. P. 圖 4-3 RM257 薄膜於不同溫度下照射後(I=3.96 W/cm2、t=30 min、Λ= 30 μm)，室溫下樣品於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像。其中 (a)~(d)分別為 50 ℃、100 ℃、132 ℃與 145 ℃照射之樣品。. 由圖 4-3 我們可以發現，RE257 薄膜於 Crystal (50 ℃)下，並不會記錄全像干涉光場的光學訊息。若要有記錄的特性，則必須在 Nematic(100 ℃)與 Isotropic(132 ℃、145 ℃)下照射全像干涉光場。我. 35.

(46) 們認為 RM257 薄膜於低溫時照射全像干涉光場，會因為分子不具備足夠的活性，故並不會對波長 488 nm 的雷射光束產生反應。且我們使用熱台偏光顯微鏡將圖 4-3(a)之樣品升溫到 132 ℃觀測，發現 RM257 薄膜內部分子會相變進入 Isotropic。故 RM257 薄膜於低溫時照射 488 nm 干涉光場，並不會使單體聚合成高分子，這也驗證於低溫下照射時分子活性不夠的推論。之後我們亦將圖 4-3(b)~(d)的樣品利用熱台偏光顯微鏡升溫到 135 ℃後觀測，結果於這些樣品內部之分子並沒有相變，而是維持原有之光學圖像。故 RM257 薄膜於 Nematic 與 Isotropic 下，會與波長 488 nm 之雷射光束產生反應而聚合成高分子，且記錄下全像干涉光場之光學訊息。此外於圖 4-3(b)(c)之樣品中，建設性光場區域雖然會於 RM257 薄膜上留下條紋，但在熱台偏光顯微鏡下仍然展現出很多的區塊，代表 RM257 薄膜內部分子仍然是散亂排列。反之於圖 4-3(d)之樣品，在照射全像干涉光場後，不但會於 RM257 薄膜上留上條紋更會對其內部分子配相。為了更清楚的看出這個現象，我們將圖 4-3(d)之樣品，在較高倍率下觀測，如圖 4-4 所示。. 36.

(47) 建設性光場照射區域. 破壞性光場照射區域. 建設性光場照射區域. (a). 破壞性光場照射區域. (b). A. 50μm. A. P. 50μm P. (c). (d). A. 50μm P. A. 50μm P. 圖 4-4 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、Λ=30 μm)，樣品於熱台偏光顯微鏡下所展現的光學圖像(室溫)。其中(a)~(d) 分別為方位角ψ於 0°、15°、30°、45°的光學圖像。. 圖 4-4 中可以很明顯的觀察到 RM257 薄膜清楚的記錄下全像干涉光場的訊息。於 4-4(a)中，我們可以觀測到一條條的漏光區域，這些漏光區域即為建設性光場區域。而於條紋與條紋間的區域，即為破壞性光場區域。於圖 4-4(b)~(d)中，我們可以發現於垂直擺放的偏光片下，展現粗細不同的兩條紋。其中粗的即為破壞性光場區域，細的條紋為建設性光場區域。以表現出來的光學圖像來說，在破壞性光場區域內有不錯的暗態且於方位角 45°時有很好的亮態，這說明著其內. 37.

(48) 部分子的確有很好的配相。於建設性光場區域內，雖然在方位角 0° 時會有些許的漏光，但於方位角 45°時仍然表現出不錯的亮態，這表示雖然建設性光場區域有部分的分子為閃亂排列而使的暗態(ψ=0°) 漏光，但實際上仍然是有大部分的分子具有良好的配向。於本研究中，為了判定 RM257 薄膜配向是否良好，我們使用光強度量測系統量測經照射後的 RM257 薄膜於偏光顯微鏡下不同方位角時的透光量。圖 4-5 即為圖 4-4 之樣品利用顯微鏡光強度檢測系統量測不同方位角對穿透光強度之分布圖。於圖 4-4(a)中我們可以發現，當方位角為 0°時，由於建設性光場區域會有漏光且薄膜內分子亦非完美配向，故使的我們量測結果之最小穿透光強度並不為零。但由. 穿透光強度(a.u.). 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-5 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、Λ=30 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 38.

(49) 圖 4-5 中我們可以確定，RM257 薄膜在經過全像干涉光場照射之後，會使的內部分子重新配向。加上先前我們判定分子經由照射之後會聚合成高分子之結果，故我們認為於建設性光場區域內，雖然有部份分子聚合成高分子之後為散亂排列，但大部分的分子聚合之後仍然有單一指向的排列。此外，於破壞性光場區域，分子亦會聚合成高分子且有單一指向的排列。由於在 145℃照射時會有很好的特性，故本研究會以 145℃為照射的溫度並做接下來的探討。. 39.

(50) 4-2 全像干涉干涉光場對 RM257 薄膜的配向由先一節的探討我們可以知道 RM257 薄膜在經過全像干涉光場的照射之後，不但會記錄下全像干涉光場內部的干涉訊息之外，更會對內部分子配向。如圖 4-4(a)所示，若要在垂直擺放的偏振片下產生黑的圖像，則入射之偏振光的偏振狀態在經過 RM257 薄膜後必須維持不變才行，即入射偏振光只感受到單一的折射率。故 RM257 薄膜經過照射後，分子導軸向量垂直光前進方向之分量就必須垂直或是平行入射光的偏振方向。為了判定 RM257 薄膜分子的指向，故我們將圖 4-4 中照射過的 RM257 薄膜於顯微鏡光強度檢測系統量測傾斜某依特定的小角度 α 後，方位角對應穿透光強的分布曲線，並與水平擺放的樣品比較，如圖 4-6 所示。由圖 4-6 中，當我們將樣品沿著條紋方向傾角 α=1.2° or 1.5°時，所測得之光強度對應方位角分佈如 C、E 曲線。與水平擺放之曲線 A 比較之後，我們可以發現兩曲線近乎相同。但當將樣品沿垂直條紋方向傾角時，所測得之光強度對應方位角之分布如 B、D 曲線，與無傾角的曲線 A 比較後，於第二片偏光片之最大漏光量有明顯的減少。這是由於入射偏振光經過樣品時，其相位延遲量與水平擺放、沿條紋方向傾角情況下都來得小，故光源經過 polarizer 後，入射沿垂直條紋方向傾角之樣品時，於 RM257 薄膜內會感受到較小的雙折射率。. 40.

(51) 穿透光強度(a.u.). (a). 250. A：水平擺放. 200. B：沿垂直條紋方向傾角1.2° C：沿平行條紋方向傾角1.2°. 150. 100. 50. 0. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 250. 穿透光強度(a.u.). (b). A：水平擺放. 200. D：沿垂直條紋方向傾角1.5°. 150. 100. E：沿平行條紋方向傾角1.5°. 50. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-6 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、Λ=30 μm)，沿不同方向傾斜小角度時不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。其中(a)傾角α為 1.2°，(b) 傾角α為 1.5°。. 41.

(52) (a). d'. d. (c) Δn = ne − no. ) n. (b). Δn = neff − no. d. ) n d'. d. (d ) Δn = ne − no. ) n. d′. d. ) n. Δn = ne − no d′. 圖 4-7 光源以不同入設條件入射導軸平行玻璃表面的液晶薄膜之示意圖。. 利用圖 4-7 的觀念我們可以更輕鬆的判別RM257 薄膜內部分子的指向。如圖 4-7(a)(b)，若平面光垂直入射導軸平行玻璃表面的液晶薄膜時，則入射光於液晶薄膜內所感受到的光折射特性Δn=ne-no。但若入射光不是垂直入射液晶薄膜時，則依照液晶薄膜傾斜方向的不同，入射光於液晶薄膜內所感受到的雙折射特性於 4-7(c)之情況下就會感受到較小的雙折射性。反之，於圖 4-7(d)入射光所感受到的光折射特性就不會改變。有了上述的觀念之後我們可以歸納出，當我們平行條紋方向傾角時，入射光所感受到的雙折射特性並不會有明顯的改變，就如同圖 42.

(53) 4-7(d)。反之，當我們沿著垂直條紋方向傾角度時，入射光所感受到的雙折射特性明顯減小，如同圖 4-7(c)。所以我們判斷 RM257 薄膜經由全像干涉光場照射之後，分子指向是垂直條紋。且此現象於不同的照射條件下之樣品皆可以得到相同的結果。. 43.

(54) 4-3 不同條件之全像干涉光場對 RM257 薄膜影響此節我們會討論不同照射條件之全像干涉光場對 RM257 薄膜記錄特性與分子指向的影響。於本節中我們主要探討兩個方向，分別為不同的干涉週期與不同的曝光時間對 RM257 薄膜的影響。 4-3-1 不同干涉週期為了判定不同干涉週期對RM257 薄膜內部高分子液晶指向的影響，故我們固定照射強度I=2.69 W/cm2並產生不同干涉週期之全像干涉光場，於RM257 薄膜 145 ℃時照射 30 分鐘。圖 4-8 即展示了經干涉週期 10 μm、15 μm、20 μm、25 μm、30 μm與 35 μm的全像干涉光場照射後的樣品，以顯微鏡光強度檢測系統量測不同方位角對穿透光強度的分布曲線圖。. 穿透光強度(a.u.). 1400. 10μm. 1200 1000. 15μm. 800. 20μm. 600. 25μm. 400. 30μm. 200. 35μm. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-8 RM257 薄膜經照射後(I=2.69 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ=10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。 44.

(55) 於圖 4-8 中我們發現於此照射條件下，在 30 μm 時我們可以得到最好的配向，其次為 25 μm。且全像干涉光場之干涉週期越偏離 30 μm 時，對於 RM257 薄膜的配向效果就越差。即於此照射參數下，要達成良好的配向存在有「週期配向窗口」。當我們遠離週期配向窗口時則無法達到好的配向。此外，我們對經由照射的樣品利用 4-2 節的量測方法，亦會得到相同的結果。即對於不同的週期而言，RM257 薄膜內部分子皆垂直干涉條紋排列。其後我們增加照射強度到 3.4 W/cm2並同先前的條件照射全像干涉光場，再以顯微鏡光強度檢測系統量測量測不同方位角對穿透光強度的分布曲線圖，如圖 4-9 所示。於此參數中，我們可以得到於 15 μm. 1200. 穿透光強度(a.u.). 10μm 1000. 15μm 800. 20μm 600. 25μm 400. 30μm 200. 35μm 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-9 RM257 薄膜經照射後(I=3.4 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ=10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 45.

(56) 時會有最佳的配向，而此即為此照射參數的週期配向窗口。但和前一批數據較為不同的是，當我們的照射週期持續增加後，於 35 μm 時配向又會變好，即存在第二個週期配向窗口。關於干涉週期配向窗口的現象，我們亦可以於更強照射強度下觀測到，如圖 4-10、圖 4-11 所示。由圖 4-10 與圖 4-11 中，我們仍然可以發現到的確有照射窗口的存在，故我們認為 RM257 薄膜於相同照射條件下，要達成良好的配向的確有週期配向窗口的存在。. 穿透光強度(a.u.). 3500 3000. 10μm. 2500. 15μm. 2000. 20μm. 1500. 25μm. 1000. 30μm. 500. 35μm. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-10 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ=10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 46.

(57) 2500. 穿透光強度(a.u.). 10μm 2000. 15μm. 1500. 20μm. 1000. 25μm 30μm. 500. 35μm 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree). 圖 4-11 RM257 薄膜經照射後(I=4.74 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、 Λ=10~35 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 為了可以清楚的觀測到週期配向窗口與照射強度的關係，我們定義樣品的亮暗比為方位角 45°時的穿透光強度除以方位角 0°時的穿透光強度。並將上述之樣品以干涉週期對應亮暗比作圖，如圖 4-12 所示。於圖 4-12 中，我們可以清楚的看到不同照射強度下，以不同干涉週期照射之樣品的配像情形。除了可以發現配向照射窗口的確存在之外，我們更可以發現當我們提高照射強度後，週期配向窗口會有提前發生的現象。例如：照射強度 2.69 W/cm2此組之週期配向窗口 35 μm，但於照射強度 3.4 W/cm2此組時，配像窗口提前到 15 μm。. 47.

(58) 10. 亮暗比. 8. 2.69. 6. 3.4 4. 3.96 4.74. 2 0 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 干涉週期(μm) 圖 4-12 RM257 薄膜經照射後(I=2.69、3.4、3.96、4.74 W/cm2、T=145 ℃、t=30 min、Λ=10~35 μm)，不同干涉週期對應亮暗比分布曲線圖。. 4-3-2 不同的照射時間為了判定不同的照射時間對RM257 薄膜內部高分子液晶配向的影響。故我們固定照射強度I=2.69 W/cm2並產生干涉週期 10 μm之全像干涉光場，並於RM257 薄膜 145 ℃時分別照射 10 min、20 min、 30 min、40 min、50 min與 60 min。而圖 4-13 即展示了不同照射時間下之樣品利用顯微鏡光強度檢測系統量量測不同方位角對應穿透光強度的分布曲線圖。於圖 4-13 中我們可以發現在照射強度I=2.69 W/cm2下照射 10 min時，我們可以得到最好的配向，而隨著照射時間的拉長則沒有再出現好的配向。. 48.

(59) 穿透光強度(a.u.). 1400. 10min. 1200. 20min. 1000 800. 30min. 600. 40min. 400. 50min. 200. 60min. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-13 RM257 薄膜經照射後(I=2.69 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 其後我們仍然於不同的照射時間下，以更強照射強度(I=3.4、3.96 W/cm2)之全像干涉光場照射樣品，並以顯微鏡量量測不同方位角對應穿透光強度的分布曲線圖，如圖 4-14 與圖 4-15 所示。於圖 4-14 我們可以發現於照射 10 分鐘時，總會有最好的配向，但不同的是當照射時間拉長後，於 60 分鐘時又會產生好的配向。此現象與前一段所探討的不同照射週期類似。即於不同照射時間下，亦會有「時間配向窗口」且不只有單一窗口。. 49.

(60) 3000. 穿透光強度(a.u.). 10min 2500. 20min 2000. 30min 1500. 40min. 1000. 50min 500. 60min. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-14 RM257 薄膜經照射後(I=3.4 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 4500. 10min. 穿透光強度(a.u.). 4000 3500. 20min. 3000. 30min. 2500 2000. 40min. 1500. 50min. 1000 500. 60min. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 方位角(degree) 圖 4-15 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同方位角對應穿透光強度分布曲線圖。. 50.

(61) 為了清楚的觀測到時間配向窗口，我們將上述之樣品以照射時間對應亮暗比作圖，如圖 4-16 所示。於圖 4-16 我們就可以容易的看出時間配向窗口，當樣品照射 10 分鐘的時候，我們總是可以得到好的配向，此即為第一時間配向窗口。於照射強度I= 3.4 W/cm2中我們可以於 60 分鐘時看到第二時間配向窗口。且當我們用較強的能量的全像干涉光場照射RM257 薄膜，即照射強度為I=3.96 W/cm2時，第二照射窗口提前到照射 40 分鐘時。故時間照射窗口亦會與照射強度相關，且照射強度越強則時間配向窗口會越早發生。. 14 12. 亮暗比. 10. 2.69. 8. 3.4. 6. 3.96. 4 2 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 照光時間(min) 圖 4-16 RM257 薄膜經照射後(I=2.69、3.4、3.96 W/cm2、T=145 ℃、 t=10~60 min、Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。. 51.

(62) 綜合以上之討論我們可以發現，若我們想要以 RM257 薄膜記錄全像干涉光場並於薄膜內有良好配向，則必須要同時匹配照射週期與照射時間。即於特定之光強度下，對於樣品的照射必須同時於空間週期配向窗口與照射時間配向窗口內。. 52.

(63) 4-4 RM257 光柵對光學的調變討論由於 RM257 薄膜會於建設光場區域產生部分聚合部分配向，而於破壞光場區域產生垂直條紋的配向。此現象會記錄下全像干涉光場的光學訊息，且 RM257 薄膜記錄下全像干涉光場光學訊息後，會因為內部分子排列的不同使得其具有介電係數週期變化的結構，而產生細薄相位光柵。故我們會於此節探討 RM257 薄膜的繞射現象，並以細薄光柵繞射效率檢測系統量測前一節內不同照射時間下所得的樣品之一階繞射效率。此外，因為研究所使用的液晶為單光軸材料，故我們會以偏振光入射樣品，並分別量測入射光偏振方向平行樣品條紋之一階繞射效率(η//)，與入射光偏振方向垂直樣品條紋之一階繞射效率(η⊥)。圖 4-17~圖 4-19 即分別展示了雷射強度 2.69、3.4、3.96 W/cm2週期 10μm的樣品之ㄧ階繞射效率。由圖中我們可以發現當入射光偏振方向與樣品條紋垂直時所量測到的一階繞射效率總是會比平行時來的高。由先前的理論我們可以推得，當入射光偏振方向與條紋垂直時，入射偏振光於光柵所感受到的折射率調變量Δn’會較平行時來的高。另外我們與圖 4-16 對照後我們可以發現，若樣品的配向越好或是樣品的亮暗比越好，則我們就可以得到較高的一階繞射效率。此結果將來可以應用到及時監控上，即在照射樣品時即可以知道RM257. 53.

(64) 薄膜內部分子排列是否良好。. 一階繞射效率(﹪). 1.4 1.2. η//. 1 0.8. η⊥. 0.6 0.4 0.2 0 10. 20. 30. 40. 50. 60. 照射時間(min) 圖 4-17 RM257 薄膜經照射後(I=2.69 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。. 一階繞射效率(﹪). 7 6. η//. 5 4. η⊥. 3 2 1 0 10. 20. 30. 40. 50. 60. 照射時間(min). 圖 4-18 RM257 薄膜經照射後(I=3.4 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。. 54.

(65) 一階繞射效率(﹪). 12 10. η// 8. η⊥. 6 4 2 0 10. 20. 30. 40. 50. 60. 照射時間(min). 圖 4-19 RM257 薄膜經照射後(I=3.96 W/cm2、T=145 ℃、t=10~60 min、 Λ=10 μm)，不同照射時間對應樣品亮暗比之分布曲線圖。. 55.

(66) 第五章總結於研究中我們成功的利用Ar+ 氣體雷射產生穩定的全像干涉光場，並用以照射高分子液晶(RM257)薄膜。而RM257 為一種高分子液晶，經由照光之後會由單體聚合成高分子量的大分子。於實驗中我們得到RM257 薄膜於Nematic與Isotropic態下，會因為經由波長 488nm 的雷射光束照射後而聚合成高分子液晶。其中於 145 ℃下照射全像干涉光場後，RM257 薄膜內部分子更會因為干涉光場週期分佈的能量而產生配向。藉由熱台偏光顯微鏡與光強度量測系統我們更判斷出 RM257 薄膜經由全像干涉光場照射後，會於破壞性光場區域分子會垂直干涉條紋配向，並於建設性光場區域產生分子部分配向、部分散亂排列情形。由於全像干涉光場於RM257 薄膜上會產生不一樣的分子指向，故RM257 薄膜經由照射後會記錄下全像干涉光場的光學訊息並產生全像光柵。於實驗的過程中發現在相同的照射條件下，對於 RM257 薄膜具有「週期配向窗口」與「時間配向窗口」的存在。即若要產生好的配向則必須在週期配向窗口與時間配向窗口內，於適當的溫度(145℃)照射全像干涉光場。最後量測全像光柵ㄧ階繞射效率，發現當入射偏振光之偏振垂直條紋入射時，相較平行的情況下可以感受到較大折射率調變。且配向良好的樣品其一階繞射效率亦會較高，此結果可以應用於即時監測上。. 56.

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