成大研發快訊 - 文摘
成大研發快訊 第十卷 第九期 - 2009年十月二日
[ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20091002/1.html ]
應力調制聚合物混合液晶薄膜光柵製作可調式分光元件
傅永貴*、葛士瑋、林宗賢
成功大學物理系及光電研究所 [email protected]
Optics Express, Vol.16, Issue 3, pp.2062-2067 (2008)
一般所知，光柵元件是用來把一入射光繞射成多束光，在顯示器、光電子或光 通訊方面，繞射光柵有相當廣泛且優異的應用。由於液晶的高雙折射性與分子排 列對於外加場的靈敏度，因此液晶光柵元件是近年來研究熱門課題。本論文研發 出一種可藉由應力或是AC電壓調控的新式“應力調制液晶-聚合物薄膜”光柵元件，
它可來調控繞射光的強度與偏振狀態，具有相當不錯的應用潛力。
“應力調制液晶-聚合物薄膜(Stressed Liquid Crystals，簡稱SLC)”是最近兩年間提 出的一種新技術，其中聚合物的濃度是介於聚合物相分離液晶元件(polymer dispersed liquid crystals，簡稱PDLCs)與聚合物穩固液晶元件(polymer
stabilized liquid crystals，簡稱PSLCs)之間。一般而言，PDLCs與PSLCs所摻雜的
聚合物濃度分別為30~50 wt%與10 wt%以下。此類的液晶-聚合物薄膜元件是利用外加高電壓控制液晶在元件 中與聚合物折射率不匹配的程度，進而對光產生不同強度的散射作用。然而SLC元件可以在不外加電壓的情況 下僅利用應力調制即可達到調控目的。實驗中利用應力調制液晶元件的快速反應與較大相位延遲的特性製作 出應力調制液晶光柵元件。施加不同程度的應力或外加不同AC電壓來改變繞射結果，並針對特定繞射階數強 度與偏振狀態的調控。
SLC元件所使用的液晶-聚合物材料為向列性液晶K15（MERCK）與聚合物NOA65(光聚合物單體)，濃度分別 為85 wt%與15 wt%。K15的尋常光折射率(no)為1.5309，非尋常光折射率(ne)為1.7063。將配製的液晶-聚合物 混和材料灌入由兩片鍍有ITO層的導電玻璃組成，厚度為25 μm的液晶盒中製成樣本。首先將樣本加熱至 120℃使液晶材料為均勻相狀態，並在此溫度下配合光柵光罩(空間週期為50μm)進行紫外光曝光(波長 365nm)。紫外光通過光罩之前的強度為12 mW/cm2，樣本的曝光時間為25分鐘(裝置如圖1(a))。曝光完成的 樣本在應力作用之前液晶分子散亂的分佈於聚合物枝條中(圖1(b)-左)。將其中一片玻璃基固定，並施予水平 方向的應力於另一片玻璃基板，將可使樣本中的液晶分子受到應力調制而具有均勻的排列方向(圖1(b)-右)。
圖1(a)液晶樣本配合光柵光罩的紫外光曝光裝置； (b)施加應力前(左)後(右)的液晶排列示意圖。
在偏光顯微鏡(OPM)下觀察SLC光柵元件受應力的變化，並於室溫下利用氦-氖雷射(波長632 nm)作為偵測光 進行SLC光柵元件的光電特性測量。藉由精密移動平台(精度為1 μm)控制SLC光柵元件受應力施加距離
(Lshear)，其中應力施加方向平行於光柵方向。
圖2表示在偏光顯微鏡下，SLC光柵元件受應力調控前後的變化。紅色與綠色虛線區域內分別對應紫外光曝光
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過程中，光柵光罩的不透光區域與透光區域(如圖1(a))。曝光過程中，透光區域形成密度較高的聚合物網狀結 構並發生散射，而且在受到應力調制後依然保持散射的狀態(如圖2)。這是因為透光區域的聚合物單體在受到 紫外光激發後會即刻且快速的進行鍵結反應聚合成網狀結構，同時不透光區域的聚合物單體會向相鄰兩側的 透光區域擴散，因此透光區域會形成密度較高的網狀結構聚合物，所以不透光區域則形成液晶較多的區域，
尤其是不透光區域中央的暗線區域，在偏光顯微鏡(P⊥A)下觀察可以發現暗線區域的液晶分子受到沿著光柵方 向良好的配向(圖2(a))，而且在受到應力調制後暗線區域會擴大(圖2(b))，表示暗線區域兩側的液晶-聚合物混 合區域會受到應力調制形成沿著光柵方向良好的配向排列(圖1(b))。圖2(c)與(d)表示在平行偏振片(P//A)的偏 光顯微鏡下可以得到與前述相同的推論，液晶分子受到應力調制後將沿著光柵方向形成良好配向排列的區域 所以會呈現為亮區，由此可知，施加應力將可以調制不透光區域的液晶分子排列(圖1(b))，此種應力調制可用 來控制入射光通過SLC光柵元件後的相位變化。應力調制液晶元件與一般液晶元件同樣可藉由外加電壓來調 控，故SLC光柵元件亦可利用電壓控制其光學特性。因此接下來將測試施加不同程度的應力或外加不同電壓調 控SLC光柵元件繞射光強度與偏振狀態。
圖2 在偏光顯微鏡下觀察SLC光柵元件 受到應力調控前後的變化(應力調控距離為50μm); P表示偏振片；
A表示檢偏片。
圖3顯示以偏振方向平行光柵方向的入射光，分別在垂直偏光與水平偏光下觀察SLC光柵元件在受到應力調制
(Lshear =50 μm)前後繞射圖形的變化。圖4表示在一組互相垂直的偏振片條件下，觀察SLC光柵元件繞射圖形
第零階與第一階的強度隨應力施加距離的變化，其中光柵方向與入射光偏振方向夾角為45˚，可以發現第零 階與第一階的相位延遲會隨應力調制產生不同的變化。
測試SLC光柵元件在不同應力調制下於一組互相垂直的偏振片之間，並以偏振方向與光柵夾45˚的入射光偵 測，所產生的繞射圖形隨著外加AC電壓的變化，其測量結果如圖5所示。圖6表示將SLC光柵元件置於在一組 平行的偏振片中，測量不同程度應力調制的SLC光柵元件(0–60 μm)第一階繞射效率與外加AC電壓的變化關 係，其中繞射效率(η)定義為η=Id / Ii 而Ii 與Id分別為入射光強度與第一階繞射光強度。這樣的結果與圖4表示 的變化相近，表示SLC光柵元件除了可用應力調控外亦可藉由外加AC電壓進行控制，而且繞射效率會隨著應 力調制變大而增加。
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圖3 SLC光柵元件的繞射圖形在 (a) P//A, (b) P⊥A下 觀察。上方繞射圖為應力施加前；下方繞射圖為應力 施加後，其中應力調制距離為50μm；P表示偏振 片；A表示檢偏片。
圖 4 在一組互相垂直的偏振片條件下，觀察SLC光柵 元件繞射圖形第零階與第一階的強度隨應力施加距離 的變化，其中光柵方向與入射光偏振方向夾角為 45˚。
圖5測量SLC光柵元件在不同程度應力調控下外加AC電壓與繞射圖形的變化 (a) Lshear =0μm (b) Lshear
=30μm (c) Lshear =60μm，測量條件為P⊥A且P與光柵方向夾角為45˚。P表示偏振片； A表示檢偏片。
圖7顯示不同程度應力調制的SLC光柵元件，在偏振方向平行光柵方向的入射光測量元件第一階繞射在應力調 制後偏振狀態的變化。可以發現，SLC光柵元件一階繞射偏振狀態的變化是因為不透光區的相位延遲受到應力 的調控而發生改變。
由以上所述，本實驗中研發出一種可藉由應力或是AC電壓調控的新式SLC光柵元件，可調控繞射光的強度與 偏振狀態。SLC光柵元件繞射光強度與偏振的調控能力可應用於調變光學系統中，因此SLC光柵元件具有相當 不錯的應用潛力。
圖 6 在一組互相平行的偏振片條件下，觀察SLC光柵 元件繞射圖形第一階的繞射效率在不同應力施加距離 下，調整外加AC電壓的變化，其中光柵方向與入射 光偏振方向夾角為45 ˚。
圖 7 旋轉檢偏片測量SLC光柵元件第一階繞射在不同 應力施加距離下的強度變化，其中入射光偏振方向平 行於光柵方向。
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