叶文江,李志广,王 欣,张志东,陈国鹰

(河北工业大学 a.理学院;b.信息工程学院,天津300401)

1 引 言

光波导是一种能够将光波限制在其内部或其表面附近,引导光波沿确定方向传播的介质几何结构,它包括具有圆形截面的圆波导以及平板波导、条形波导等具有平面对称性或直角对称性的光波导[1].夹在2块玻璃基板之间的液晶可以形成波导层,光在其间传播形成导模.导模结构的变化直接反映光通过液晶盒的全部光学信息,能给出液晶盒中液晶指向矢的变化情况.

扭曲向列相(Tw isted Nematic:TN)液晶显示[2]是液晶显示领域发展较早、生产技术较完善,并且到目前为止在一些中低档产品中一直延续使用的显示模式.TN型液晶显示的电光效应取决于外加电压下液晶指向矢的排列[3].因此,如果液晶指向矢分布确定,通过液晶盒的光也是一定的.通常情况下,液晶指向矢分布可以通过牛顿法[4]、松弛法[5]、有限元法[6]、差分迭代法[7]等数值方法由计算机模拟得到,然后通过对实际液晶盒电光曲线的测量最终确定.但是,由于液晶本身具有光学各向异性,线偏振光经过液晶层后,其偏振状态将会发生改变,通过检偏片后的透射光强度将会降低.这种方法只能大致给出指向矢分布情况,存在相当大的误差,不能够精确描绘指向矢的细微变化.将光导波[8-9]的方法应用到液晶测试领域可以解决这一难题,而且精度相当高,能够区分液晶指向矢倾角或扭曲角1°的变化[9].

2 实验原理

平板波导是最常用最基本的光波导,其结构主要由3部分组成[1,8]:覆面层(折射率为 nc)、波导层(折射率为 ng)、衬底层(折射率为 ns),如图1所示.

图1 平板波导几何结构

若使光波被限制在厚度为 d的波导层内沿z方向传播,要求 ng＞ns,且 ng＞nc,为了进一步讨论,假设 ns＞n c,因此有 ng＞ns＞n c.假设平面光波的入射角为β,由折射定律可知波导层上下交界面的临界角分别为βc=arcsin(nc/ng),βs=arcsin(ns/ng),其中βs＞βc. 因此,若使光波维持在波导层内传播,并且满足光线相互加强条件,光线与界面的夹角β只能取有限个离散值.

根据光是否在覆面层或衬底层中传播(形成漏波),可以将平面波导划分为3种基本的模式[8]:当βs＜β＜π/2时,由于在上下分界面的全反射作用,光被保留到波导层,这种情况对应完全波导模式;当βc＜β＜βs时,光只有在覆面层交界面发生全反射,一部分辐射能量进入衬底层,这种情况对应衬底辐射模式,辐射能量迅速从波导层泄露至半几何空间,称为半漏波导模式;当β＜βc,光能量将泄漏进衬底层和覆面层半空间,这种情况称为全漏波导模式.3种波导模式沿 z方向的动量和沿x方向的光场分布均取决于波导层的厚度和折射率的情况,而不同阶导模对波导层不同位置具有敏感性.

由于液晶具有光学各向异性[10],一般来说,波导本征模将不再是纯粹的 TE(s光)或 TM(p光)波[11].假设线偏振光(p光或s光)入射,反射光和透射光中将出现偏振保存和偏振转换成分(Rpp,Rps,Rsp,Rss,Tpp,Tps,Tsp,Tss),记录下不同阶导模的反射率或透射率数据,将能得出液晶盒内全面的精细的光学信息.这里,只对液晶全漏导模进行实验研究,并且仅给出了液晶全漏导模反射率随内角变化的实验曲线.

液晶全漏导模的几何结构如图2所示[8,12],主要包括:棱镜、扭曲向列相液晶盒和折射率匹配液.液晶盒上下玻璃基板分别用相应的折射率匹配液(其折射率与相接触的棱镜和玻璃基板的折射率相同)与棱镜形成耦合,使光在不同的介质界面上不发生偏折,经棱镜折射后直线入射到液晶层上.当一光波从波导层上界面出发向下行进到波导层下界面时,在下界面全反射后返回到上界面,在上界面又发生全反射后与原先从上界面出发的光波叠加在一起,要发生相互加强,这2列光波的相位差应等于2π的整数倍.考虑上波导层与覆面层和衬底层交界面处的相移 -2φgc和-2φgs,波导层内光线相互加强的条件为

其中 k0=2π/λ,λ为自由空间的波长,m为整数.光在液晶层中的传播发生全反射而形成导波,同时由于衰逝波的耦合,液晶层导波光线可以由上下棱镜射出,分别对应反射光线和透射光线.

图2 液晶全漏导模几何结构

当入射角β小于棱镜和液晶的全反射角时,入射光进入到液晶层,到达基板表面时部分光反射回液晶中,部分光折射进入基板.当光在液晶/基板交界面的反射满足相干加强条件时,光在液晶内部将会发生共振.改变光线的入射角度(通过旋转导模结构实现),通过扫描这个范围内的入射角,可记录下光通过液晶层的反射光强度.

3 实验装置及实验方法

实验装置如图3所示,具体实验方法如下:

1)调节激光光束准直.将透光孔1和2并排放在光学平台水平导轨上,调节其高度使激光能够透过2个小孔,然后移动透光孔2至转台附近,调节激光器,使激光束能同时通过2个小孔直射在转台上的棱镜侧面.

2)调圆偏振光.a.将偏振片1置于导轨上,旋转偏振片的方向,利用探测器追踪透射光强度,使其达到最大;b.然后将偏振片2如图所示摆放在导轨上,同样的方法调节偏振片2,使激光光束通过2个偏振片达到消光的效果,此时2个偏振片透振方向互相垂直;c.最后将1/4波片摆放在2个偏振片之间,旋转其方向,使透射光同样达到消光的效果,此时再将1/4波片转动45°,这样穿过1/4波片的光为圆偏振光.如果光线过强,可使用衰减器将光线的强度降低.

图3 实验装置图

3)确定p光和s光.根据布儒斯特定律,当p偏振光以布儒斯特角入射到棱镜表面时,反射光的强度为零,这样,首先以布儒斯特角大小转动转台,然后调节偏振片2,使得探测器探测到的反射光能量达到最小(接近零),此时通过偏振片2的光即为p光,将其转动π/2得到s光;一旦p光和s光的透振方向确定后,旋转反射光和透射光探测器前方的偏振片,由探测器示数的大小可以确定探测器检测到的反射光和透射光的p偏振和s偏振方向.在调节过程中,使用先粗调后细调的方法,直到测得通过探测器的光能量最小.

4)制作液晶导模.首先将棱镜和液晶盒用酒精或丙酮擦拭干净,其中1块棱镜的小底面固定在支架上,在另一底面滴1滴折射率匹配液,再将液晶盒轻轻放在上面,慢慢地滑动液晶盒避免其间存有气泡;然后在液晶盒的上基板再滴1滴折射率匹配液,将另一块棱镜置于上面,滑动棱镜使两接触面之间无气泡;最后将2块棱镜及液晶盒固定.

5)给液晶盒加交流电压.利用交流电源输出频率为1 k Hz有效值不同的电压.将电源输出导线分别与液晶盒两端引出的导线连接,调节电压输出值为0,1,2,3,4 V.

6)数据采集.利用计算机控制转台以固定步长(例如0.05°)转动,在固定的间隔时间内(例如1 s)采集数据,包括参考光强度和反射光强度,建立参考光和反射光随外角变化的数据文件.

7)数据转换.由斯涅尔折射定律可以将计算机采集得到的参考光和反射光随外角变化的数据文件转换为反射率随内角(光经过棱镜、折射率匹配液、玻璃基板、ITO涂层、PI取向层入射到液晶层的入射角)变化的数据文件.

8)作图.利用转换的数据文件,通过Origin软件作图,得到反射率随内角变化的曲线.

4 结果和讨论

扭曲向列相液晶盒上下玻璃基板内侧覆盖着一薄层高分子有机物取向层,经定向摩擦处理,可以使棒状液晶分子平行于玻璃基板表面,沿定向处理的方向排列,并且在上下玻璃基板之间扭曲90°[13].当外加电压小于其阈值电压时,液晶分子在液晶盒内的排列基本保持不变,线偏振光(p光或s光)入射到液晶盒会发生90°旋光.此时,若基板表面液晶分子指向矢倾角为0°,反射光只有偏振保存信号;若存在一小的倾角,反射光中既有偏振保存信号又有偏振转换信号,实验用的液晶盒属于这种情况.当外加电压超过阈值电压,液晶分子开始向电场方向倾斜,施加不同电压,液晶分子倾斜方向不同.此时,线偏振光(p光或s光)入射到液晶盒,反射光中将会有偏振保存和偏振转换2种信号.

不同电压下液晶全漏导模反射率(包括偏振保存和偏振转换信号)随内角变化曲线如图4～7所示,由此可以得到如下结论:

图4 R pp-θi关系

图5 R ps-θi关系

图6 R ss-θi关系

图7 R sp-θi关系

1)无论入射到液晶全漏导模上的光为p光还是s光,经过液晶层之后,都会存在偏振保存和偏振转换信号,并且偏振保存信号较偏振转换信号大很多.

2)对应不同的电压,偏振保存反射率信号最大值随内角的增大而增大,而偏振转换反射率信号最大值没有明显的单调关系,时大时小.

3)液晶指向矢受电压控制,电压发生变化,液晶分子取向亦将变化,这是导致液晶全漏导模反射率变化的直接原因.因此,对应不同电压的反射率不同,并且此液晶盒的阈值电压小于1 V.

4)虽然偏振转换信号比较弱,但同样的变化(如1～2 V),其信号要比偏振保存信号的相对变化大.因此,可以利用偏振转换信号探测液晶指向矢细微变化引起的液晶导模的变化.

5 结束语

本文对液晶的全漏导模进行了实验研究.由偏振片选择的线偏振光p光或s光通过棱镜耦合入射到由棱镜、折射率匹配液及扭曲向列相液晶盒构成的全漏导模上,经过液晶层后,反射光中存在偏振保存和偏振转换2种信号,其主要原因是液晶本身具有光学各向异性.并且,不同的电压导致不同的液晶指向矢分布,偏振保存和偏振转换反射率也在变化,尤其是偏振转换反射率的相对变化率较大.因此,液晶盒内部细微变化能够引起液晶全漏导模反射率的变化,可以通过液晶全漏波导技术进行探测.除此之外,液晶全漏导模还会存在透射光线,其透过率也随液晶指向矢的变化而变化,同样可以被利用来对液晶指向矢进行监测.

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