一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法

1.本发明属于液晶的电光应用技术领域，具体的说是涉及一种各向同性相下正性液晶中纳秒级电光响应的增强方法。

背景技术：

2.传统的液晶电光响应是通过施加电场来改变液晶分子取向实现的，然而因为液晶的粘滞系数较大，使得电场关闭后液晶分子恢复到初始状态的时间较慢，约为毫秒级。随着光通信技术的迅速发展，人们对光信息的存储、传输的要求日益提高，毫秒级的液晶电光响应速度已经无法满足市场需求。
3.目前已经提出了多种方法来加速向列相液晶的电光响应，例如在双向场切换模式下的亚毫秒电光响应，以及通过在具有高预倾角的特殊几何结构中使用双频向列相液晶来实现0.1ms的响应时间；还通过在向列相液晶中引入聚合单体以减少开关时间。它们被聚合形成聚合物稳定型液晶(pslcs)，其中向列相液晶的指向矢可以在大约0.1ms内重新定向。这种三维聚合物结构使聚合物稳定型液晶具有快速的边缘-场切换、低工作电压、低滞后效应和高对比度。
4.上述方法均可将向列相液晶的电光响应时间缩短至亚毫秒。但为了更高效地缩短响应时间，v.borshch等人(borshch v，shiyanovskii sv，lavrentovich od.nanosecond electro-optic switching of a liquid crystal[j].physical review letters.2013；111(10)：107802.)提出对负性向列相液晶施加一个垂直于液晶指向矢的电场，通过改变液晶分子的序参数实现纳秒级快速响应。由于液晶指向矢的方向并未发生大幅度偏转，因此电光响应时间大幅缩减。进一步研究表明，通过巧妙设计光路，特别是光的入射方式，可以消除取向涨落对电光响应的影响，而场致双轴序参数与场增强单轴序参数引起的电光响应非常快，达到了纳秒级别，因此该效应被称为纳秒电控序参数效应。这一效应无疑拓宽了向列相液晶的应用潜力，为向列相液晶在高速光通信等领域的发展铺平了道路。
[0005]
此前，在液晶器件中，较为良好的操作模式是短时间内做出较大切换。这就使得人们希望能在较短时间内获得较大幅度的电光响应。然而，对于向列相下的负性液晶，李炳祥等人(li b-x，borshch v，shiyanovskii sv，liu s-b，lavrentovich od.electro-optic switching of dielectrically negative nematic through nanosecond electric modification of order parameter[j].applied physics letters.2014；104(20)：201105.)提出的电光调控仅能使其双折射率变化量为1
×
10-2
左右，但依然不能满足人们对于较大幅度的电光响应的需求，且液晶的电光应用技术领域中对于正性液晶的电光响应相关研究较少。

技术实现要素：

[0006]
为了解决现有技术中液晶电控现有技术中存在的问题，本发明提供一种各向同性相下正性液晶中纳秒级电光响应的增强方法，使得液晶中纳秒级电光响应得到显著增强。
[0007]
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008]
本发明是一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，该方法使用的正性液晶的介电各向异性δε≥13、双折射率δn≥0.083且所述正性液晶处于各向同性相时具有纳秒级电光响应，具体的，所述增强方法包括如下步骤：
[0009]
步骤1：制备液晶盒：在各向同性相下，将正性液晶，注入液晶盒中，其中，正性液晶为液晶5-cb；液晶5-cb别名为4-氰基-4
’‑
戊基联苯(4-cyano-4
′‑
pentylbiphenyl)，制备的液晶盒由两块玻璃板组成，在所述液晶盒外表面涂有面积为2
×
2mm2的透明电极，电阻率为10-50ω/sq，在两块所述玻璃板的内表面上涂有聚酰亚胺pi-1211。
[0010]
步骤2：通过电光响应检测装置搭建指定光路检测正性液晶的电光响应，其中所述电光响应检测装置包括he-ne激光束器，按照所述he-ne激光束器发射出的he-ne激光束方向依次设置有第一交叉偏振器、液晶盒、补偿器和第二交叉偏振器，利用he-ne激光束来测量正性液晶的电光响应，所述he-ne激光束顺次通过第一交叉偏振器、液晶盒、补偿器和第二交叉偏振器形成指定光路，所述第一交叉偏振器和所述第二交叉偏振器的偏振方向呈正交关系，所述液晶盒被夹在两个上下设置的棱镜之间，使线性偏振激光束以45
°
的角度进入液晶盒、指向矢平行于液晶盒的入射平面，透射光强度由光电探测器tia-525测得。
[0011]
所述电光响应检测装置在测定过程中保持温度不变，通过施加升降边缘尖锐的电压脉冲，特征时间大于3ns，实现电场随时间的变化，基于纳秒电改序参数效应实现正性液晶中的纳秒级电光响应，在测定过程实验温度采用linkamlts350热台控制，精度高于0.1℃。
[0012]
步骤3：电光响应的表征：电光响应的幅度用最大场诱导双折射率变化δn
max
来表征。所述最大场诱导双折射率变化通过测量透射光强度获得，透射光强由光电探器tia-525测定，其中所述场诱导双折射率变化与光强的关系如下：
[0013][0014]
式中，i
max
和i
min
分别表示通过调整所述补偿器(5)的相位延迟γ所确定的最大和最小透射光强，d表示液晶盒厚，λ表示he-ne激光束的波长，δγ表示场致相位延迟，ia(t)和ib(t)分别表示补偿相位a和b下光电探测器所探测到的光强。
[0015]
所述电光响应的响应快慢用电场开启液晶响应时间τ
on
和电场关闭液晶响应时间τ
off
来表示，电场开启液晶响应时间τ
on
为场诱导双折射率变化δn随电压脉冲由δn
max-δn
min
的10％变化到90％所需时间，电场关闭液晶响应时间τ
off
为场诱导双折射率变化δn随电压脉冲由δn
max-δn
min
的90％变化到10％所需时间。
[0016]
本发明的有益效果是：
[0017]
1、本发明基于纳秒电改序参数效应，通过改变激光束射入液晶盒的入射光路，调控液晶分子的序参数，而非改变液晶的指向矢方向，实现了电光响应的有效增强，相比于向列相下的负性液晶的电光响应，双折射率变化提高为原来的5倍左右；
[0018]
2、本技术基于纳秒电控序参数效应的电光响应可以在各向同性相下的正性液晶中实现，且响应时间为纳秒级。
[0019]
3、本发明实现了液晶中纳秒电光响应的增强，有望为液晶在电光应用领域的良性发展提供更为有益的助力。
附图说明
[0020]
图1是本发明的电光响应检测装置结构图。
[0021]
图2是本发明正性液晶5-cb在不同电场下的电光响应测试图；
[0022]
图3是本发明最大场诱导双折射率变化δn
max
随电场场强变化的关系图；
[0023]
图4是本发明正性液晶5-cb在不同电场下的电光响应测试图。
[0024]
图5是本发明最大场诱导双折射率变化δn
max
随电场场强变化的关系图。
[0025]
图6是本发明正性液晶5-cb在不同电场下的电光响应测试图。
[0026]
图7是本发明最大场诱导双折射率变化δn
max
随电场场强变化的关系图。
[0027]
图8是本发明电场开启液晶响应时间τ
on
和电场关闭液晶响应时间τ
off
对外加电场的依赖关系图。
[0028]
其中：1-he-ne激光器，2-第一交叉偏振器、3-液晶盒，4-棱镜，5-补偿器，6-第二交叉偏振器，7-光电探测器。
具体实施方式
[0029]
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
[0030]
如图1所示，本发明是一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，该方法使用的正性液晶的介电各向异性δε≥13、双折射率δn≥0.083且所述正性液晶处于各向同性相时具有纳秒级电光响应，具体的，所述增强方法包括如下步骤：
[0031]
步骤1：制备液晶盒：在各向同性相下，将正性液晶，注入液晶盒中，其中，正性液晶为液晶5-cb，液晶5-cb别名为4-氰基-4
’‑
戊基联苯(4-cyano-4
′‑
pentylbiphenyl)。其中，液晶盒由两块玻璃板组成，在所述液晶盒外表面涂有面积为2
×
2mm2的透明电极，电阻率为10-50ω/sq，在两块所述玻璃板的内表面上涂有聚酰亚胺pi-1211。
[0032]
步骤2：通过电光响应检测装置搭建指定光路检测正性液晶的电光响应，利用he-ne激光束来测量正性液晶的电光响应，所述he-ne激光束顺次通过第一交叉偏振器2、液晶盒3、补偿器5和第二交叉偏振器6形成指定光路，所述第一交叉偏振器2和所述第二交叉偏振器6的偏振方向呈正交关，所述液晶盒3被夹在两个上下设置的棱镜4之间，使线性偏振激光束以45
°
的角度进入液晶盒3、指向矢平行于液晶盒3的入射平面，透射光强度由光电探测器tia-525测得。
[0033]
在测定过程中保持温度不变，通过施加升降边缘尖锐的电压脉冲，特征时间大于3ns，实现电场随时间的变化，基于纳秒电改序参数效应实现正性液晶中的纳秒级电光响应，测定过程实验温度采用linkamlts350热台控制，精度高于0.1℃，he-ne激光束的波长为632.8nm。
[0034]
步骤3：电光响应的表征：电光响应的幅度用最大场诱导双折射率变化δn
max
来表征，最大场诱导双折射率变化通过测量透射光强度获得，透射光强由光电探器tia-525测定，其中所述场诱导双折射率变化与光强的关系如下：
[0035]
[0036]
式中，i
max
和i
min
分别表示通过调整所述补偿器(5)的相位延迟γ所确定的最大和最小透射光强，d表示液晶盒厚，λ表示he-ne激光束的波长，δγ表示场致相位延迟，ia(t)和ib(t)分别表示补偿相位a和b下光电探测器所探测到的光强。
[0037]
所述电光响应的响应快慢用电场开启液晶响应时间τ
on
和电场关闭液晶响应时间τ
off
来表示，电场开启液晶响应时间τ
on
为场诱导双折射率变化δn随电压脉冲由δn
max-δn
min
的10％变化到90％所需时间，电场关闭液晶响应时间τ
off
为场诱导双折射率变化δn随电压脉冲由δn
max-δn
min
的90％变化到10％所需时间。
[0038]
本发明实施例选择了各向同性相下的正性液晶5-cb，基于纳秒电改序参数效应，通过设计入射光的光路，实现了电光响应的显著增强，相比向列相下的负性液晶的0.01的双折射率变化，本发明实现了0.05的双折射率变化，使得液晶的电光响应增强了5倍。
[0039]
实验使用了从江苏和成公司购买的正性液晶5-cb，别名4-氰基-4
‘‑
戊基联苯。正性液晶5-cb由各向同性-向列相变的相变温度为t
ni
＝(35.4
±
0.1℃)。
[0040]
实施例1
[0041]
如图2和图3所示，本实施例研究了65℃时的电光性能，说明了场诱导的液晶双折射变化δn对电场的依赖性。本实施例中正性液晶5-cb被填充到一个由两个平行玻璃板组成的液晶盒中，其中有小面积的氧化铟锡薄透明电极，面积约为2
×
2mm2，电阻率为10ω/sq，在两块玻璃板的内表面上涂有聚酰亚胺pi-1211，液晶盒厚度为6.5μm。
[0042]
为了测量光对应用场的光响应，使用了一束he-ne激光束，λ＝632.8nm，he-ne激光束穿过两个偏振方向呈正交关系的交叉偏振器和它们之间的一个光补偿器，液晶盒夹在两个直角棱镜之间，使线性偏振激光束以45
°
角射入液晶盒，采用linkamlts350热台控制温度，精度高于0.1℃，透射光强度由探测器tia-525(terahertz technologies)测量，响应时间＜1ns。
[0043]
图2是正性液晶5-cb在不同电场下的电光响应测试图；其中a、b、c、d是场诱导双折射变化δn(t)分别对振幅e＝0.30
×
108v/m、e＝0.73
×
108v/m、e＝1.02
×
108v/m、e＝1.55
×
108v/m电场的响应动态，液晶盒的厚度为6.5μm，工作温度为t＝65℃，可以看出在65℃下，随着电场的逐渐增大，正性液晶5cb的电光响应幅度逐渐增大，且无论电场为e＝0.30
×
108v/m、e＝0.73
×
108v/m、e＝1.02
×
108v/m还是e＝1.55
×
108v/m，场诱导双折射率变化量都是在电场开启时迅速增加并在一段时间内保持不变，在电场关闭后又迅速减小。
[0044]
图3是最大场诱导双折射变化δn
max
随电场场强变化的关系图，根据附图3可知，在65℃时，各电场下的双折射率变化量的最大值也被测得。随着电场的增大，双折射率的变化量的最大值呈近似二次增长，且在实验电压范围内最大值约为0.017。
[0045]
实施例2
[0046]
如图4和图5所示，本实施例研究了50℃时的电光性能，说明了场诱导的液晶双折射变化δn对电场的依赖性。本实施例中正性液晶5-cb被填充到一个由两个平行玻璃板组成的液晶盒中，其中有小面积的氧化铟锡薄透明电极，面积约为2
×
2mm2，电阻率为10ω/sq，在两块玻璃板的内表面上涂有聚酰亚胺pi-1211，液晶盒厚度为6.5μm。为了测量光对应用场的光响应，本实施例使用了一束he-ne激光束λ＝632.8nm，它穿过两个偏振方向呈正交关系的交叉偏振器和它们之间的一个光补偿器，使线性偏振激光束以45
°
角射入液晶盒。采用linkamlts350热台控制温度，精度高于0.1℃。透射光强度由探测器tia-525测量，响应时间
＜1ns。
[0047]
图4是正性液晶5-cb在不同电场下的电光响应测试图；a、b、c、d是场诱导双折射变化δn(t)分别对振幅e＝0.30
×
108v/m、e＝0.73
×
108v/m、e＝1.02
×
108v/m、e＝1.55
×
108v/m电场的响应动态。液晶盒的厚度为6.5μm，工作温度为t＝50℃。根据附图4和5可知，在50℃下，随着电场的逐渐增大，正性液晶5-cb的电光响应幅度逐渐增大，且无论电场为e＝0.30
×
108v/m、e＝0.73
×
108v/m、e＝1.02
×
108v/m还是e＝1.55
×
108v/m，场诱导双折射率变化量都是在电场开启时迅速增加并在一段时间内保持不变，在电场关闭后又迅速减小。
[0048]
当电场小于1.02
×
108v/m时随着电压的增加，双折射变化量的最大值呈近似二次增长，而当电场大于1.02
×
108v/m时随着电压的增加，双折射变化量的最大值略微减小，在实验电压范围内双折射率变化量最大值约为0.037。
[0049]
实施例3
[0050]
本实施例研究了37℃时的电光性能，说明了场诱导的液晶双折射变化δn对电压的依赖性。本实施例中正性液晶5-cb被填充到一个由两个平行玻璃板组成的液晶盒中，其中有小面积的氧化铟锡薄透明电极，面积约为2
×
2mm2，电阻率为10ω/sq，在两块玻璃板的内表面上涂有聚酰亚胺pi-1211，液晶盒厚度为6.5μm。为了测量光对应用场的光响应，使用了一束he-ne激光束，λ＝632.8nm，它穿过两个偏振方向呈正交关系的交叉偏振器和它们之间的一个光补偿器。液晶盒夹在两个直角棱镜之间，使线性偏振激光束以45
°
角射入液晶盒。采用linkamlts350热台控制温度，精度高于0.1℃。透射光强度由探测器tia-525测量，响应时间＜1ns。
[0051]
如图6和图7所示，随着电场的逐渐增大，正性液晶5-cb的电光响应幅度逐渐增大。当电场为e＝0.30
×
108v/m时，双折射变化缓慢增加，在电场关闭后又逐渐减小。当电场增大至e＝1.55
×
108v/m时，双折射变化量迅速增强，并在一定时间内保持不变，待电场关闭后迅速下降。37℃时，各电场下的双折射率变化量的最大值也被测得。
[0052]
如图7所示，随着电场的增大，双折射变化量的最大值也逐渐增加，当电场小于0.5
×
108v/m时，双折射变化量的最大值呈近似二次增长，当电场大于0.5
×
108v/m时，双折射变化量的最大值呈一次线性增长，增速较缓，且在实验电场范围内双折射率变化量最大值约为0.057。即在37℃下电光响应最好，场诱导的液晶双折射变化可以达到0.05，是向列相下的负性液晶中电光响应的五倍。
[0053]
如图8所示，从电场开启液晶响应时间τ
on
和电场关闭液晶响应时间τ
off
对外加电场的依赖关系可以看出，当电场小于0.5
×
108v/m时，电场开启液晶响应时间随电场的增大而变长，当电场大于0.5
×
108v/m时，电场开启液晶响应时间随电场的增大而变短，且电场开启液晶响应时间始终保持在0-300ns。电场关闭液晶响应时间随电场的变化则趋于平缓，在100-200ns之间。
[0054]
本发明通过改变激光束射入液晶盒的入射光路，调控液晶分子的序参数，而非改变液晶的指向矢方向，实现了电光响应的有效增强。
[0055]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

技术特征：

1.一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：该方法使用的正性液晶的介电各向异性δε≥13、双折射率δn≥0.083且所述正性液晶处于各向同性相时具有纳秒级电光响应，具体的，所述增强方法包括如下步骤：步骤1：制备液晶盒：在各向同性相下，将正性液晶，注入液晶盒中，其中，正性液晶为液晶5-cb；步骤2：通过电光响应检测装置搭建指定光路检测正性液晶的电光响应；步骤3：电光响应的表征：电光响应的幅度用最大场诱导双折射率变化δn
max
来表征。2.根据权利要求1所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：所述步骤1中的液晶盒由两块玻璃板组成，在所述液晶盒外表面涂有面积为2
×
2mm2的透明电极，电阻率为10-50ω/sq，在两块所述玻璃板的内表面上涂有聚酰亚胺pi-1211。3.根据权利要求1所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：步骤2中，所述电光响应检测装置包括he-ne激光束器(1)，按照所述he-ne激光束器(1)发射出的he-ne激光束方向依次设置有第一交叉偏振器(2)、液晶盒(3)、补偿器(5)和第二交叉偏振器(6)，利用he-ne激光束来测量正性液晶的电光响应，所述he-ne激光束顺次通过第一交叉偏振器(2)、液晶盒(3)、补偿器(5)和第二交叉偏振器(6)形成指定光路，所述液晶盒(3)被夹在两个上下设置的棱镜(4)之间，使线性偏振激光束以45
°
的角度进入液晶盒(3)、指向矢平行于液晶盒(3)的入射平面，透射光强度由光电探测器(7)测得。4.根据权利要求3所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：所述电光响应检测装置在测定过程中保持温度不变，通过施加升降边缘尖锐的电压脉冲，特征时间大于3ns，实现电场随时间的变化，基于纳秒电改序参数效应实现正性液晶中的纳秒级电光响应。5.根据权利要求4所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：所述电光响应检测装置在测定过程实验温度采用linkamlts350热台控制，精度高于0.1℃。6.根据权利要求3或4或5所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：所述第一交叉偏振器(2)和所述第二交叉偏振器(6)的偏振方向呈正交关系。7.根据权利要求3所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：所述he-ne激光束的波长为632.8nm。8.根据权利要求1所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其特征在于：在步骤3中，所述最大场诱导双折射率变化通过测量透射光强度获得，透射光强由光电探器tia-525测定，其中所述场诱导双折射率变化与光强的关系如下：式中，i
max
和i
min
分别表示通过调整所述补偿器(5)的相位延迟γ所确定的最大和最小透射光强，d表示液晶盒厚，λ表示he-ne激光束的波长，δγ表示场致相位延迟，i
a
(t)和i
b
(t)分别表示补偿相位a和b下光电探测器所探测到的光强。9.根据权利要求8所述的一种各向同性相下正性液晶中纳秒电光响应的增强方法，其
特征在于：所述电光响应的响应快慢用电场开启液晶响应时间τ
on
和电场关闭液晶响应时间τ
off
来表示，电场开启液晶响应时间τ
on
为场诱导双折射率变化δn随电压脉冲由δn
max-δn
min
的10％变化到90％所需时间，电场关闭液晶响应时间τ
off
为场诱导双折射率变化δn随电压脉冲由δn
max-δn
min
的90％变化到10％所需时间。

技术总结

本发明属于液晶的电光应用技术领域，公开了一种各向同性相下正性液晶中纳秒级电光响应的增强方法，该方法使用的正性液晶的介电各向异性Δε≥13、双折射率Δn≥0.083且正性液晶处于各向同性相时具有纳秒级电光响应，具体包括：步骤1：制备液晶盒：在各向同性相下，将正性液晶，注入液晶盒中，其中，正性液晶为液晶5-CB；步骤2：通过电光响应检测装置搭建指定光路检测正性液晶的电光响应；步骤3：电光响应的表征。本发明选择液晶的工作温度接近其相变温度，保证其处于各向同性相，采用各向异性较强的正性液晶5-CB，在37℃的实验条件下实现了电光响应的显著增强，响应幅度达到5