Simultaneous measurement of pitch and thickness in twisted liquid crystal polymer based on evaluation factor inversion

ZHA Zhengtao; GOU Zhengyang; LIU Zihao; MU Quanquan; PENG Zenghui; WANG Qidong

doi:10.3724/CJLCD.2026-0120

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Simultaneous measurement of pitch and thickness in twisted liquid crystal polymer based on evaluation factor inversion

Device Physics and Device Preparation | 更新时间：2026-09-16

- Simultaneous measurement of pitch and thickness in twisted liquid crystal polymer based on evaluation factor inversion
- Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol. 41, Issue 8, Pages: 1086-1093(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学材料科学与光电工程中心，北京 100049
  3.光学系统先进制造全国重点实验室，吉林长春 130033
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(U2241224;U23A20355;11974345);Innovation Project of the Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences
- DOI：10.3724/CJLCD.2026-0120
  CLC： O753.2;O436.1
- CSTR：32172.14.CJLCD.2026-0120
- Received：29 June 2026，
  
  Revised：2026-07-18，
  
  Published：05 August 2026
- 稿件说明：
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ZHA Zhengtao, GOU Zhengyang, LIU Zihao, et al. Simultaneous measurement of pitch and thickness in twisted liquid crystal polymer based on evaluation factor inversion[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2026, 41(8): 1086-1093.
DOI：

ZHA Zhengtao, GOU Zhengyang, LIU Zihao, et al. Simultaneous measurement of pitch and thickness in twisted liquid crystal polymer based on evaluation factor inversion[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2026, 41(8): 1086-1093. DOI： 10.3724/CJLCD.2026-0120. CSTR： 32172.14.CJLCD.2026-0120.

摘要

针对传统测量方法无法准确反映固化后扭曲液晶聚合物（liquid crystal polymer， LCP）薄膜的真实螺距，且往往需要破坏样品或预先获知薄膜厚度的技术难题，本文开展了面向固化态扭曲LCP薄膜的螺距、厚度及手性剂螺旋扭曲力（Helical twisting power， HTP）的同步测量研究。通过搭建简易光学装置获取实验相对透过率曲线，并遍历器件参数获得理论相对透过率曲线簇，进而引入变化趋势、振荡程度的双评估因子，反演出与实验曲线重合度最高的螺距与厚度组合，据此计算HTP值。实验采用手性剂R5011（质量分数0.053 2%）和S5011（质量分数0.056 9%）分别掺杂同种LCP制备扭曲薄膜，反演得到螺距分别为12.4 μm和12.0 μm，厚度分别为4.4 μm和4.3 μm，HTP值分别为151.6 μm⁻¹和147.2 μm⁻¹，仿真与实验曲线在全反演波段内高度吻合，旋光仪法验证结果差异小于0.2 μm。该测量方法装置简单、非破坏、无需预先标定厚度，仅需单次光谱测量即可快速同步反演螺距和厚度，为扭曲LCP器件的精准设计、性能表征及手性剂HTP的准确测定提供了有效工具。

Abstract

Conventional methods cannot accurately determine the true pitch of cured twisted LCP films and often require sample destruction or prior thickness knowledge. To address this， we propose a method to simultaneously measure pitch and thickness of the LCP film， as well as helical twisting power（HTP） of its chiral dopant. First， we built a simple optical setup to obtain the experimental relative transmittance spectra， and generated theoretical curves by sweeping device parameters. Trend of variation and oscillation extent evaluation factors were introduced to retrieve the best-matching pitch-thickness combination via inversion and subsequently calculate the HTP. Twisted LCP films were prepared by doping the same LCP host with R5011（mass fraction 0.053 2%） and S5011（mass fraction 0.056 9%）. The retrieved pitches were 12.4 and 12.0 μm， thicknesses were 4.4 and 4.3 μm， and HTPs were 151.6 and 147.2 μm⁻¹， respectively. Simulated and experimental transmittance curves exhibited excellently consistency over the full inversion range. Polarimetry verification gave a discrepancy in the pitch of <0.2 μm. This method features a simple， non-destructive setup and enables rapid simultaneous inversion of pitch and thickness from a single spectrum， without prior thickness calibration. Thus， our method offers an effective tool for precise design and characterization of twisted LCP devices and accurate determination of HTP for the chiral dopants.

关键词

Keywords

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XU Y Y ， JIN M S ， WANG J Y ， et al . Modulating the macroscopic anisotropy of liquid crystalline polymers by polarized light ［J］. Responsive Materials ， 2024 ， 2 （ 4 ）： e20240020 . doi: 10.1002/rpm.20240020 http://dx.doi.org/10.1002/rpm.20240020

GRIDYAKINA A ， KASIAN N ， CHYCHŁOWSKI M S ， et al . Advances in multicomponent systems： liquid crystal/nanoparticles/polymer ［J］. Materials Today Physics ， 2023 ， 38 ： 101258 . doi: 10.1016/j.mtphys.2023.101258 http://dx.doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101258

HOY C ， STOCKLEY J ， SHANE J ， et al . Non-mechanical beam steering with polarization gratings： a review ［J］. Crystals ， 2021 ， 11 （ 4 ）： 361 . doi: 10.3390/cryst11040361 http://dx.doi.org/10.3390/cryst11040361

ZHA Z T ， GOU Z Y ， PENG Z H ， et al . Research on energy transfer characteristics for liquid crystal polarization gratings under conical incidence ［J］. Optics Express ， 2025 ， 33 （ 15 ）： 32479 - 32489 . doi: 10.1364/oe.568750 http://dx.doi.org/10.1364/oe.568750

ZHA Z T ， GOU Z Y ， PENG Z H ， et al . Research on energy compensation characteristics of beam deflection structure based on liquid crystal polarization grating ［J］. Applied Physics Letters ， 2025 ， 127 （ 20 ）： 201102 . doi: 10.1063/5.0301707 http://dx.doi.org/10.1063/5.0301707

陈琎，杨程亮，穆全全，等 . 基于琼斯矩阵的液晶偏振光栅扭曲角及厚度的测量方法［J］. 液晶与显示， 2021 ， 36 （ 5 ）： 656 - 662 ． doi: 10.37188/CJLCD.2020-0336 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2020-0336

CHEN J ， YANG C L ， MU Q Q ， et al . Method for measuring the twist angle and thickness of liquid crystal polarization grating based on Jones matrix ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 5 ）： 656 - 662 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2020-0336 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2020-0336

SEARCY P ， MATSUMORI B A . MOCA technology and product update with analytical results ［C］// Proceedings of SPIE 11993 ， -XXXIV . San Francisco ： SPIE ， 2022 ： 1199303 . doi: 10.1117/12.2605818 http://dx.doi.org/10.1117/12.2605818

WENG Y S ， ZHANG Y N ， WANG W ， et al . Liquid-crystal polarization volume gratings technology and its applications in diffractive optical waveguides systems for augmented reality ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ， 2024 ， 30 （ 2 ）： 6200115 . doi: 10.1109/jstqe.2023.3340221 http://dx.doi.org/10.1109/jstqe.2023.3340221

钟梁志煌，陈全明，罗丹 . 基于单层基板双面液晶偏振体光栅的大视场角光波导AR显示［J］. 液晶与显示， 2026 ， 41 （ 2 ）： 188 - 196 ．

ZHONG L Z H ， CHEN Q M ， LUO D . Wide-field-of-view AR waveguide display enabled by one substrate coated with double-sided polarization volume gratings ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2026 ， 41 （ 2 ）： 188 - 196 . （in Chinese）

FENG X Y . Liquid crystal polarization volume hologram for augmented reality applications ［D］. Kent ： Kent State University ， 2021 .

ZHANG X Y ， WANG J R ， HAN Z Y ， et al . Development of polarization volume hologram waveguide for augmented reality smart glasses ［J］. SID Symposium Digest of Technical Papers ， 2024 ， 55 （ 1 ）： 1163 - 1166 . doi: 10.1002/sdtp.17746 http://dx.doi.org/10.1002/sdtp.17746

韩彤彤，穆全全，彭增辉，等 . 基于扭矩平衡的分时锚定能测量方法［J］ . 液晶与显示， 2024 ， 39 （ 5 ）： 561 - 568 ． doi: 10.37188/cjlcd.2024-0058 http://dx.doi.org/10.37188/cjlcd.2024-0058

HAN T T ， MU Q Q ， PENG Z H ， et al . Measurement method of time-sharing anchoring energy based on torque balance ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2024 ， 39 （ 5 ）： 561 - 568 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjlcd.2024-0058 http://dx.doi.org/10.37188/cjlcd.2024-0058

HUANG Y G ， LU L ， DIORIO N ， et al . Liquid crystal optics for AR/VR/MR near eye displays ［J］. SID Symposium Digest of Technical Papers ， 2023 ， 54 （ 1 ）： 857 - 860 .

HORNBURG K J ， KOMANDURI R K ， ESCUTI M J . Highly chromatic retardation via multi-twist liquid crystal films ［J］. Journal of the Optical Society of America B ， 2019 ， 36 （ 5 ）： D28 - D33 . doi: 10.1364/josab.36.000d28 http://dx.doi.org/10.1364/josab.36.000d28

TAN L ， HO J Y ， SRIVASTAVA A K ， et al . A simplified model for the optimization of LC photonic elements ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2014 ， 26 （ 11 ）： 1096 - 1099 . doi: 10.1109/lpt.2014.2315492 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2014.2315492

XIANG X ， KIM J ， KOMANDURI R ， et al . Nanoscale liquid crystal polymer Bragg polarization gratings ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 16 ）： 19298 - 19308 . doi: 10.1364/oe.25.019298 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.019298

SOHN H R O ， LIU C D ， SMALYUKH I I . Schools of skyrmions with electrically tunable elastic interactions ［J］. Nature Communications ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 4744 . doi: 10.1038/s41467-019-12723-3 http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-12723-3

KASYANYUK D ， SLYUSARENKO K ， WEST J ， et al . Formation of liquid-crystal cholesteric pitch in the centimeter range ［J］. Physical Review E ， 2014 ， 89 （ 2 ）： 022503 . doi: 10.1103/physreve.89.022503 http://dx.doi.org/10.1103/physreve.89.022503

SHABAN H ， WU P C ， JIA Y F ， et al . Overlooked ionic contribution of a chiral dopant in cholesteric liquid crystals ［J］. Materials ， 2024 ， 17 （ 20 ）： 5080 .

YU M N ， JIANG Y F ， SHIN Y ， et al . Effect of biaxiality on chirality in chiral nematic liquid crystals ［J］. Soft Matter ， 2018 ， 14 （ 31 ）： 6530 - 6536 . doi: 10.1039/c8sm00898a http://dx.doi.org/10.1039/c8sm00898a

CELEBRE G ， DE LUCA G ， MAIORINO M ， et al . Solute-solvent interactions and chiral induction in liquid crystals ［J］. Journal of the American Chemical Society ， 2005 ， 127 （ 33 ）： 11736 - 11744 . doi: 10.1021/ja051589a http://dx.doi.org/10.1021/ja051589a

AKAGI K . Helical polyacetylene： asymmetric polymerization in a chiral liquid-crystal field ［J］. Chemical Reviews ， 2009 ， 109 （ 11 ）： 5354 - 5401 . doi: 10.1021/cr900198k http://dx.doi.org/10.1021/cr900198k

WANG X ， HE J L ， WEI Q M ， et al . Influence of molecular weight on helical twisting power of oligomer chiral dopants ［J］. Journal of Molecular Liquids ， 2021 ， 339 ： 116816 .

KULKARNI C ， DI NUZZO D ， MEIJER E W ， et al . Pitch and handedness of the cholesteric order in films of a chiral alternating fluorene copolymer ［J］. The Journal of Physical Chemistry B ， 2017 ， 121 （ 51 ）： 11520 - 11527 . doi: 10.1021/acs.jpcb.7b10236 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b10236

李君，黄子强 . 短螺距手性液晶热敏旋光特性的研究［J］. 液晶与显示， 2015 ， 30 （ 1 ）： 10 - 15 ． doi: 10.3788/yjyxs20153001.0010 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20153001.0010

LI J ， HUANG Z Q . Thermal sensing optical rotatory characteristics of short pitch cholesteric liquid crystal ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2015 ， 30 （ 1 ）： 10 - 15 . （in Chinese） . doi: 10.3788/yjyxs20153001.0010 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20153001.0010

HU W ， ZHAO H Y ， SONG L ， et al . Electrically controllable selective reflection of chiral nematic liquid crystal/chiral ionic liquid composites ［J］. Advanced Materials ， 2010 ， 22 （ 4 ）： 468 - 472 . doi: 10.1002/adma.200902213 http://dx.doi.org/10.1002/adma.200902213

杨登科，吴诗聪．液晶器件基础［M］. 郭太良，周雄图，译． 2 版. 北京：科学出版社， 2016 ．

YANG D K ， WU S T . Fundamentals of Liquid Crystal Devices ［M］. GUO T L， ZHOU X T， trans. 2nd ed . Beijing ： Science Press ， 2016 . （in Chinese）

LIU Y Q ， MU Y ， CHEN K Y ， et al . Daily activity feature selection in smart homes based on pearson correlation coefficient ［J］. Neural Processing Letters ， 2020 ， 51 （ 2 ）： 1771 - 1787 . doi: 10.1007/s11063-019-10185-8 http://dx.doi.org/10.1007/s11063-019-10185-8

LI J ， WU S T ， BRUGIONI S ， et al . Infrared refractive indices of liquid crystals ［J］. Journal of Applied Physics ， 2005 ， 97 （ 7 ）： 073501 . doi: 10.1063/1.1877815 http://dx.doi.org/10.1063/1.1877815

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