曹汉，张士元，穆全全，姜会林

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

光控取向技术是近年来发展的新式液晶取向方法，相对于传统的摩擦取向有着独特的优势。传统的摩擦取向技术是一种非常经济而且简单有效的方法，自从1911年由Maugin发明以来，在液晶取向领域一直沿用至今。但是它也存在一些较难克服的缺点，例如在摩擦过程中会有少量绒毛残留，影响液晶的取向效果；摩擦后容易产生静电，可能会击穿薄膜晶体管等［1］。而光控取向技术这种非接触式取向方法的出现，可以避免摩擦取向带来的静电、机械损伤、杂质缺陷等问题，从而逐渐走进了研究人员的视野［2］。

液晶光阀利用液晶双折射特性，可以根据外界调制信号，如电信号或光信号的变化，使液晶分子获得特定的排列分布，实现对入射光波的强度、偏振、位相和波前等控制，从而达到对光束的多功能调控，在光信息处理等领域有着广泛的应用［3］。应用BSO晶体做的光控液晶光阀，其本质仍是依靠电场驱动，且制备困难，使用效果不佳。其中光调制型液晶光阀主要利用了光控取向技术，相比于电调制，由于不使用驱动电极，不但没有像素“黑栅”结构，光能利用率高，且像素分辨率理论上只受光学成像系统的限制，无工艺水平的限制；同时在高能应用领域中避免了ITO等导电膜系的损伤，因而有着独特的优势。

文中介绍了一种基于光控取向原理，由薄膜晶体管显示屏TFT-TNLCD写入单元和偶氮染料SD1取向转印读出单元组合的液晶光阀系统，实现了近紫外光写入，近红外光读出，得到了光阀的强度调制，研究了光阀的工作原理并介绍了其制作工艺。

1 光阀组合系统的工作原理和设计要求

1.1 工作原理

图1显示了液晶光阀读出单元的基本结构［4］。它由两种不同的取向材料构成，一种是有机高分子聚酰亚胺（PI），PI材料摩擦取向完成后保持原有的取向方向，不会受到紫外偏振光的影响；另一种是偶氮染料SD1，SD1分子在吸收紫外线偏振光后发生光异构-再配向旋转，分子长轴方向将倾向于与入射光的偏振方向垂直排列［5］。这样就构成了紫外光可控的两种分子排列模式：当紫外光偏振方向与摩擦方向垂直时，SD1分子排列平行于摩擦方向，诱导盒内液晶分子平行排列，此时为ECB模式；而当紫外光偏振方向与摩擦方向平行时，SD1分子排列垂直于摩擦方向，诱导盒内液晶分子90°扭曲排列，此时为TN模式［6］。在正交偏振器下，使摩擦方向平行于起偏器透振轴，ECB模式下由于液晶分子平行排列，没有旋光能力，入射读出光的偏振方向不变将被检偏器完全阻挡，形成暗态；而TN模式下，液晶分子扭曲排列，入射读出光的偏振方向将被扭转90°，从而透过检偏器形成亮态。液晶光阀通过亮态和暗态的对比，形成对读出光的强度调制。

图1 液晶读出单元结构示意图

1.2 设计要求

由于光阀本身是对写入近紫外光的偏振态进行响应，则首先应重点设计写入系统TFT-TNLCD对写入光偏振态的调制。如图2所示为E模式常白型TFT-TNLCD显示系统。当TFT电极基板没有通电时，液晶相为常态的扭曲状态，此时入射线偏振光穿过液晶层后其振动方向扭转90°；当施加饱和电压时，液晶分子转动沿电场线方向排列，此时经过的线偏振光不改变原来的振动方向。需要特别注意的是，由于写入光需要两种偏振模式，使用时应移去检偏器。外部驱动系统采用8051系列单片机，控制方式简单且成本较低，能够根据所需加载出高精度的多个灰度级的图像。

图2 TFT-TNLCD写入单元的基本结构及工作模式

为了决定液晶盒厚度需要分析光在液晶层中如何传播。基于液晶分层理论，将液晶层分为N个子层，每个子层可视为一个均匀的单轴晶体波片，具有相位延迟，层间方位角均匀扭曲。此时适用琼斯矩阵法进行分析，将这些小薄层的琼斯矩阵相乘即可得总琼斯矩阵［7］。

设每层厚度l，总厚度Nl=d（盒厚）；每层方位角φ，总扭曲Nφ=φT。TN模式中φT=90°。将光分解为晶体的寻常光（o光）和非常光（e光）的线性组合。令ne和no分别为o光和e光分量的折射率。每个液晶子层相位延迟为Γ/N：

式中，λ为光波长，Δnl为每个子层的光调制量。

忽略平均的绝对位相变化后，每个子层的琼斯矩阵W0可写为：

每个子层以方位角φ，2φ，…，Nφ均匀扭曲，可得出整个扭曲液晶层的总琼斯矩阵M，其中R为坐标旋转矩阵：

TN模式中φT=90°，式中：

定义摩根参数，代表光调制量：

则90°扭曲后线偏振的出射光透过率为：

如图3可知，若想在该偏振态下得到较好的透过率，需要满足一定条件，即摩根条件：

图3 TFT-TNLCD写入单元透过率与调制量关系（T-u）曲线

根据（7）式，可根据应用的光波长和液晶材料对盒厚进行设计。

偶氮染料SD1对365 nm的紫外光最敏感，但365 nm波长会对液晶造成一定程度的分解，因此采用405 nm波长的近紫外光LED作为写入光［8］。对于液晶光阀转印单元的设计思路同上。

2 液晶光阀的制备与实验验证

2.1 液晶光阀的制备

对于TFT-TNLCD写入单元的制作，首先对TFT基板和ITO玻璃基板进行清洗，烘干备用。对干燥后的基板旋涂取向材料聚酰亚胺PI，并加温固化。对PI进行摩擦取向处理，并在摩擦后再次对其进行清洗，烘干后在其中一面基板上喷洒合适的衬垫物，涂封框胶，然后将上下基板对位压盒。真空灌注液晶并封口，检查盒中无气泡，确定没有漏液晶后绑定电极引线。摩擦和压盒时需注意，上下基板摩擦方向垂直。

对光阀液晶盒的制作过程基本同上。按TFT基板大小切割普通玻璃基板并进行清洗、烘干。将清洗好的玻璃分成两份，使用旋涂机分别旋涂偶氮染料SD1和聚酰亚胺PI，加温固化；对PI进行摩擦取向、清洗、干燥、喷洒衬垫物；涂封框胶；上下基板对位压合；真空灌液晶后封口。

2.2 实验验证

实验光路如图4所示，LED光源输出的是非偏振光，且发散角较大。在TFT-TNLCD写入屏前放置起偏器，液晶显示屏上加载预设的灰度图像。利用准直透镜和滤波器的组合，滤除掉杂散光的同时实现准直；将光阀读出单元的SD1基板朝向写入光入射方向放置，利用4f系统和半透半反镜将TFT-TNLCD写入屏上加载的图像成像于光阀SD1基板上，将写入屏的图像转印在光阀中。最后，由CCD相机接收读出的近红外光。系统实物如图5所示。

图4 实验光路图

图5 系统实物图

在实验中，需要写入屏偏振态关断状态与开启状态的光透过率之比最大，所以仅需加载灰度值为255（白）和0（黑）明暗两种状态而无需灰度控制。

实验所用LED光源输出强度约为40 mW/cm2，入射光通过偏振片和TFT写入屏后损失了大约80%的能量。目前的取向所需时间约为180 s，如果换用更大功率的LED光源，所需时间能够大幅减少。

液晶光阀读出单元初始状态如图6（a）所示，在正交偏振片下呈暗态。当写入单元对其进行时长为180 s的照射之后，读出单元的图像显示如图6（b）所示。通过前文的理论分析可以推导出，图6（a）中液晶光阀的SD1分子排列平行于PI膜摩擦方向，此时的线偏振光没有因为液晶分子的旋转改变振动方向，从而无法穿过检偏器。通过CCD相机的检测，此时液晶光阀读出单元在近红外光的照射下灰度值接近为0。图6（b）中，TFT显示屏加载出预设的灰度值为0和255的测试图像，对灰度值为0的区域加载电压使其液晶分子转动沿电场线方向排列，不会改变偏振光的偏振方向；灰度值为255的区域没有加载电压，液晶分子呈扭曲态，改变了偏振光的偏振方向。当液晶光阀摩擦方向与入射光偏振方向垂直时，经过TFT亮态区域的偏振光变为与液晶光阀摩擦方向平行，使SD1分子垂直于摩擦方向，形成扭曲态。此时液晶光阀亮态的区域灰度值大于220；暗态区域灰度值小于5，实现了对比度为1∶44的高对比度的强度调制。

图6 液晶光阀转印取向调制效果

3 结论

利用液晶分层理论，分析并制备了用作TFT写入屏和液晶光阀的液晶盒。基于光控取向原理，设计出包含TFT-TNLCD写入单元和偶氮染料SD1取向转印读出单元组合的液晶光阀系统，实现了对液晶光阀读出单元的高对比度强度调制。结合具体的实验情况，目前在光源波长、功率的选择，液晶盒厚的优化上还有一些问题存在，需要后续的研究工作来解决，该实验成果对液晶光阀系统在液晶显示和激光通信领域的应用有着一定的指导意义。