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    2024 39 5

      光控取向技术

    • 最新研究揭示,偶氮苯磺酸SD1薄膜在405纳米线偏振光辐照下,光致取向重复写入性能随擦写次数增加而下降,200次后取向能力显著减弱。
      杨小东,彭增辉,穆全全,刘怀宇
      2024, 39(5): 553-560. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0008
      摘要:偶氮苯磺酸SD1作为一种液晶光致取向材料,具有强锚定、可再次重新取向等优点。本文研究了偶氮苯磺酸光取向材料SD1薄膜在405 nm线偏振光辐照下的光致取向重复写入性能。研究发现,在线偏振光重复擦写曝光SD1膜的过程中,随擦写次数增加,膜饱和有序度持续下降。经过200次重复擦写后(累计能量密度1 200 J/cm2),饱和有序度(S)从0.78下降到0.3,取向速度从0.39 s-1下降到0.08 s-1。对重复取向过程中SD1膜的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱进行了实时监测,发现在单次取向过程中SD1膜的UV-Vis吸收光谱峰值吸光度先快速下降再缓慢回升后达到饱和,并整体呈现吸收下降的趋势。经历200次重取向后,吸光度从0.10下降到0.03。这表明重取向过程中面内反式SD1的分子数量逐渐减少导致取向能力减弱,因而重写次数受限。在关闭辐照光一段时间后,面内分子数量有一定程度的回升。总之,SD1薄膜在线偏振光重复擦写过程中出现面内分子数量持续下降的现象,由于SD1薄膜面内分子数量直接影响着其取向能力,这种部分可逆的面内分子数量变化导致SD1可重复取向能力有限。  
      关键词:偶氮苯磺酸;SD1;光致取向   
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      发布时间:2024-05-29
    • 光控取向技术在液晶光学器件制备中占据核心地位,而精确测量锚定强度与曝光条件的关系对于提升器件性能至关重要。然而,现有锚定强度测量方法存在局限性,如无法实现对同一取向膜的单点前后多状态测量,这在实际应用中带来了诸多不便。为此,论文提出了一种基于相位检测原理的新型方位锚定能测量方法。该方法通过微分归一化拟合和全方位透射特性校正,有效消除了起始放置误差,不仅优化了测量过程,还使测量误差控制在8%以内,并大大提高了测量时效性。理论与实验结果表明,该方法能够快速有效测量光控取向膜锚定能随曝光参数的变化,为液晶光学元件的精密制造过程提供实时在线监测手段,对掌握光控取向物理过程和提高制造质量具有重要意义。
      韩彤彤,穆全全,彭增辉,刘永刚,李大禹,于洋,王启东
      2024, 39(5): 561-568. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0058
      摘要:光控取向技术一直是液晶光学器件制备中的关键环节,精确测量光控取向技术中的锚定强度与曝光条件的关系对于提高器件性能至关重要。然而,目前锚定强度的测量方法还存在一定的局限性,比如无法实现对同一取向膜的单点前后多状态的测量等,这导致实际应用中的诸多不便。鉴于此,本文提出了一种基于相位检测原理的新型方位锚定能测量方法,通过采用微分归一化拟合的方法同时结合全方位透射特性校正有效消除了起始放置误差,不仅极大地优化了测量过程,使测量误差控制在8%以内,而且大幅提高了测量时效性。理论与实验结果表明,该方法能够快速有效地测量光控取向膜锚定能随曝光参数的变化,具有较高的准确性和稳定性,能够为液晶光学元件的精密制造过程提供实时在线监测手段,对掌握光控取向物理过程和提高制造质量至关重要。  
      关键词:液晶;方位锚定能;扭曲角;光控取向技术   
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      发布时间:2024-05-29
    • 南京大学课题组在液晶领域取得新进展,利用光控取向技术实现高精度任意可编程的二维平面锚定设计,揭示了拓扑缺陷在相变过程中的演化机制,为探索拓扑缺陷的可控生成及应用探索铺平了道路。
      罗道兴,吴金兵,郭政昊,胡伟
      2024, 39(5): 569-592. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0043
      摘要:液晶独特的取向序和位置序为其带来奇特的物理性质,使其在凝聚态软物质中占据了重要的地位。由于液晶有序结构中连续对称性的破缺,引入了拓扑缺陷。而拓扑缺陷在相变过程中的转变机制及其在外场作用下的有序控制生成一直广受关注。通过控制液晶系统的空间尺度、边界条件和外场刺激,以及引入不同的热力学过程,液晶分子将呈现截然不同的组装行为,伴随各种拓扑缺陷的出现,以实现系统自由能的最小化。然而目前对液晶相变过程中拓扑缺陷的有序控制和动力学演变、外场作用下的受控转变行为和机制,以及拓扑缺陷应用探索等方面仍有待进一步研究。本文综述了本课题组利用光控取向技术实现高精度任意可编程的二维平面锚定设计,通过二维光取向层引导了液晶分子的三维排列,从而实现了不同相态下拓扑缺陷的可控有序大面积生成。进一步借助Landau-deGennes理论,揭示了拓扑缺陷在相变过程中的演化机制,并挖掘了其背后的演化规律。本研究丰富了人们对有序系统自组装行为的理解,为探索拓扑缺陷的可控生成及应用探索铺平了道路。  
      关键词:液晶;向列相;近晶相;Landau-deGennes理论;相变;拓扑缺陷   
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      发布时间:2024-05-29

      平面液晶器件

    • 在近眼显示领域,体全息光栅技术取得新进展。研究人员采用光控取向技术结合全息光路,制备了液晶偏振全息柱透镜,并对其成像特性进行了研究。这一成果为近眼显示技术的发展提供了新思路。
      邢陈陈,郑继红,陈芳芳,马陈文,桑景新,刘悠嵘
      2024, 39(5): 593-601. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0027
      摘要:在近眼显示领域中,体全息光栅作为有前景的技术,起到将光耦合/耦出波导器件的作用。液晶偏振全息元件具有很强的偏振选择性和转换性能,不仅可以实现光的耦合,还可作为光开关、透镜、光栅、漫射器、消色差器件及彩色光学器件等使用。本文采用光控取向技术结合全息光路制备了液晶偏振全息柱透镜并对其成像特性进行了研究。在离轴全息干涉光路上利用平面波和柱面波干涉的方法,利用SD1光控取向技术制备了变间距液晶偏振衍射透镜。在457 nm激光全息曝光的条件下制备了21.96°、26.42°、33.20° 3种曝光夹角的全息柱透镜样品,并对应不同变间距周期的液晶偏振透镜。在偏光显微镜下,均观测到偏振全息柱透镜光栅周期的显著变化,并实现偏振全息的柱面聚焦再现。本文对液晶偏振透镜的基本全息衍射特性与反常色散特性进行了实验分析和验证。  
      关键词:光控取向;液晶;偏振柱透镜;反常色散   
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      发布时间:2024-05-29
    • 在激光通信、增强现实显示等领域,液晶偏振光栅的研究取得新进展。专家提出了可调剪切干涉曝光方法,成功制备了大口径长周期偏振光栅,为解决衍射效率和周期分布问题提供了解决方案。
      沈浩,段佳著,陈一波,乔冉,李大鹏,曾建成,沈志学,赵祥杰,张大勇
      2024, 39(5): 602-609. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0062
      摘要:为了解决传统偏振全息干涉方法受限于过长的光路难以制备长周期的大口径液晶偏振光栅的问题,提出了基于液晶偏振光栅模板的可调剪切干涉曝光方法,并通过理论分析了制备偏振光栅的周期随模板方位角及沿光轴轴向位置的变化。利用小口径高效液晶偏振光栅作为模板搭建可调剪切干涉曝光光路,并基于此制备了数十微米周期的200 mm口径液晶偏振光栅,平均衍射效率达到99%以上,平均周期约为59.86 μm,周期分布不均匀性约为0.07%。实验结果表明,调剪切干涉曝光方法能够制备大口径的长周期偏振光栅,周期和效率分布均匀,还具备周期易于调节、结构紧凑和抗振动干扰强等优势。  
      关键词:液晶偏振光栅;长周期;可调剪切干涉曝光;大口径   
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      发布时间:2024-05-29
    • 液晶显示领域迎来新突破,一种基于偏振、位置和波长参数复用的液晶全息显示器件被成功研制。研究团队通过GS算法计算出多个全息图,并利用全息叠加原理实现复用。实验结果显示,该器件能在多个偏振、位置和波长下显示全息图像,且在弯曲状态下仍能维持清晰显示。此外,研究还提出了动态可调全息液晶盒,具有电可调谐能力,可在可见光波段实现图像开/关状态切换。这一创新策略为低成本、易设计的多通道全息液晶器件开辟新路径,在柔性显示、成像复用和信息存储等领域展现广阔潜力。
      周英杰,曾锑滨,樊帆
      2024, 39(5): 610-619. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0060
      摘要:为了实现大信息容量、多功能的全息显示,本文提出了基于偏振/位置/波长参数进行复用的液晶全息显示器件,并分别对各个参数的复用进行了探索和验证。首先,通过GS算法计算出多个特定衍射条件和目标图像的全息图。接着,利用全息叠加原理将多个全息图进行叠加并得到基于几何相位的复用全息图。最后,基于光控取向技术制作了多个复用液晶器件并对其有效性进行了验证。实验结果表明,通过该方法可以设计显示对应多个偏振、位置和波长全息图像的液晶器件,且基于液晶聚合物和塑料衬底的器件在弯曲时仍可实现清晰的图像显示。此外,提出了波长复用的动态可调全息液晶盒,该器件具有良好的电可调谐能力并在445~638 nm的可见光波段实现了显示图像的开/关状态的切换。得益于全息叠加机制的灵活性和液晶材料的特性,我们的策略为低成本、易设计的多通道全息液晶器件提供了新的视角,设计的基于液晶的复用器件在柔性显示、成像复用和信息存储等方面具有广阔的应用潜力。  
      关键词:全息显示;偏振复用;波长复用;位置复用;电可调谐   
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      发布时间:2024-05-29
    • 液晶光控取向技术制备的Lieb晶格为光场调控领域带来了新突破。研究人员通过精确调控曝光偏振方向,实现了晶格内液晶90°扭曲取向与图案外均匀取向的巧妙组合。实验结果显示,随着电压的调控,液晶Lieb晶格的衍射光斑级次和强度发生显著变化,同时衍射光的偏振态也展现出丰富多样的变化,如+45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光、左旋圆偏振光等。这一发现不仅展示了液晶Lieb晶格易调控、易制备的特点,更为光场调控提供了新的手段,开启了该领域新的研究方向。
      曹雅娴,戴海涛,刘迎,高美妮,付宜铠,刘昌龙,郝希晨,王雨涵,陈贞达,王若同,姚不已,冯守中
      2024, 39(5): 620-628. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0108
      摘要:Lieb晶格是被研究较多具有平带特性的完整晶格结构之一。本文基于液晶光控取向技术制备了Lieb晶格,通过改变曝光的偏振方向,构建了晶格位点内液晶为90°扭曲(TN)取向、图案外为均匀(PA)取向的液晶Lieb晶格结构。测量了在外加电场作用下,不同入射方案的液晶Lieb晶格的衍射特性。通过偏振测试仪测试了在不同外加电场作用下的多个衍射级次的偏振特性。实验结果表明,施加电压时衍射图样中衍射光斑的级次增多;随电压升高到约2.5 VPP,液晶Lieb晶格结构的衍射效果变差,除了零阶衍射光斑,各衍射级次衍射光斑强度达到最弱;增加电压至4 VPP,各级次衍射光斑强度逐渐增强,衍射图案逐渐清晰。在改变电压的过程中,各种入射情况的不同阶次衍射光的偏振态也在逐渐改变,一阶衍射光在1~3 VPP之间有+45°线偏振光、-45°线偏振光、右旋圆偏振光、左旋圆偏振光等特殊偏振态出现。本文提出的液晶Lieb晶格具有易调控、易制备等特性,通过调控施加在液晶上的电压,可以实现衍射级次偏振态的动态调控,为光场调控提供了新的方式。  
      关键词:液晶Lieb晶格;光控取向;外加电场;偏振;衍射图样   
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      发布时间:2024-05-29

      近眼显示

    • 在增强现实领域,液晶偏振体光栅的研究进展为解决波导显示中的关键性问题提供了解决方案,展望了其在波导显示中的应用前景。
      白梓嫣,蔡文锋,成茗,兰顺,孔德来,沈健,岑梦嘉,陈远,刘言军
      2024, 39(5): 629-645. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0031
      摘要:液晶偏振体光栅是一种基于几何相位的布拉格光栅,具有偏振选择性强、衍射效率高、衍射角大以及制备工艺简单等优点,在增强现实系统中具有潜在的应用前景。本文详细介绍了液晶偏振体光栅的工作原理和光学特性,并对其近年来的研究进展进行了总结。重点讨论了液晶偏振体光栅在解决增强现实波导显示中各种关键性问题的研究,展望了其在增强现实波导显示中的应用前景。最后,总结了目前液晶偏振体光栅应用于波导显示领域存在的问题和发展趋势。  
      关键词:液晶偏振体光栅;增强现实;波导显示;视场角;出瞳扩展;全彩显示   
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      发布时间:2024-05-29
    • 在增强现实显示领域,研究人员提出了一种偏振体全息光栅光波导AR显示光学系统,有效解决了出瞳亮度不均和能量利用率低的问题。通过理论设计和仿真,以及实验验证,该系统实现了大出瞳尺寸和良好入眼均匀性,为偏振体全息光栅波导的设计提供了宝贵指导和参考。
      林子健,姚立胜,金华健,邱健滨,叶芸,徐胜,严群,郭太良,张万隆,陈恩果
      2024, 39(5): 646-655. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0036
      摘要:光波导组合器在增强现实显示的出瞳扩展和外观薄化方面颇具优势。出瞳扩展技术是通过在耦出区域诱导多次衍射,将光线引导至人眼。然而,这种多次衍射可能导致出瞳亮度在沿光路径的空间分布上逐渐减弱,从而造成亮度不均。特别是当使用液晶制备而成的偏振体全息光栅作为耦合元件时,由于光栅仅对一种圆偏振光敏感,与之正交的圆偏振光会被直接透射,导致波导系统的能量利用率并不高。针对这一挑战,本文提出了一种实现左旋和右旋圆偏振光复用的偏振体全息光栅光波导AR显示光学系统,同时实现了大出瞳尺寸和良好入眼均匀性。在理论设计和仿真方面,首先通过k空间理论设计了大视场角下的光栅结构,再以微型发光二极管(Micro-LED,μLED)作为微显示屏,设计了一套与之匹配的投影镜头,并对整个波导系统进行了成像仿真。在实验部分,制备了中心波长为532 nm、出瞳尺寸为45 mm×25 mm的偏振体全息光栅波导。实验结果显示,该波导系统在基板折射率为1.51下的对角线视场角达到了预期的32.86°。相比于仅响应单一圆偏振光的方案,采用九点法测得的均匀性提升了48.8%,整体均匀性提升了34.1%,波导组合器的光学效率也实现了1.2倍的提升。本文工作为偏振体全息光栅波导的设计提供了宝贵的指导和参考。  
      关键词:增强现实;液晶偏振体光栅;微型发光二极管显示;波导;衍射光栅   
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      发布时间:2024-05-29
    • 科技媒体新闻记者报道,增强现实(AR)近眼显示技术正在成为连接现实与虚拟世界的桥梁。该技术能将虚拟信息叠加到现实世界,创造出虚实结合的场景。其中,视网膜投影显示(RPD)作为麦克斯韦近眼显示的一种,能有效解决调焦-辐辏冲突,带来无眩晕的近眼显示体验,因此备受关注。近年来,众多研究团队围绕扩展出瞳、全彩显示等核心问题,提出了多种解决方案。本文详细介绍了麦克斯韦增强AR近眼显示的工作原理,综述了其关键器件的发展历程,并展望了未来的前景与趋势。这一技术的不断进步,将为AR领域带来新的突破,为人们的生活带来更加丰富多彩的体验。
      朱嘉昕,罗丹
      2024, 39(5): 656-671. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0080
      摘要:增强现实(Augmented Reality, AR)近眼显示技术可将虚拟与现实世界的信息叠加在一起,为用户眼前营造出虚实结合的场景,成为连接现实和虚拟世界的桥梁。视网膜投影(Retinal Projection Displays, RPD)显示,又称为麦克斯韦近眼显示(Maxwellian Displays),可有效化解调焦-辐辏冲突,提供无眩晕的近眼显示观感,在AR近眼显示领域受到广泛关注。近年来,研究人员围绕扩展出瞳(Eyebox)、全彩显示等重要问题提出了不同的解决方案。本文主要介绍麦克斯韦增强AR近眼显示的工作原理,综述其核心器件及发展进程,并展望未来的发展前景与趋势。  
      关键词:增强现实;视网膜投影近眼显示;全息光学器件;液晶偏振器件   
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      发布时间:2024-05-29

      光通信

    • 在光纤集成器件领域,研究者设计并验证了一种基于光纤端面集成的液晶光束整形器件,为光纤光学器件的微型化与集成化提供了一种成本较低、高效便捷的全新途径。
      张永瑛,李佩芸,郭政昊,袁冬,叶华朋,周国富
      2024, 39(5): 672-682. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0050
      摘要:光纤集成器件因其尺寸小、功能高度集成化等优点,近年来受到越来越多的关注。当前光纤集成器件通常由介质型或金属型微结构组成,其制备加工通常依赖于高精度的微纳加工技术,面临着成本高和工艺复杂等挑战。另外,静态、固定几何结构的光纤光学器件功能不可调,也在极大程度上限制了其应用范围。本文设计并验证了一种基于光纤端面集成的液晶光束整形器件。通过对单模光纤端面加工平行锚定和垂直锚定的液晶聚合物液滴,获得了可见光波段的光束整形器件。基于Q-张量模型和Rayleigh-Sommerfeld衍射理论,实现了具有特殊液晶指向矢排布的液晶聚合物液滴的模拟仿真。通过实验验证了不同锚定条件下液晶聚合物液滴的光学性能,实验结果与仿真结果基本吻合,证明了该液晶器件的光束整形能力。这种液晶器件为光纤光学器件的微型化与集成化提供了一种成本较低、高效便捷的全新途径。  
      关键词:光束整形;光纤端面;液晶聚合物液滴;液晶指向矢;集成化器件   
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    • 最新研究进展显示,液晶偏振转换器在光学响应特性的动态可调性方面具有显著优势,为几何相位型多功能光学器件的设计和应用提供了重要参考。
      王启东,穆全全,刘璐璐,于洋,彭增辉,刘永刚,鲁兴海
      2024, 39(5): 683-696. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0063
      摘要:偏振转换器能够通过对入射光偏振态的动态调控间接实现几何相位型多功能光学器件光学响应特性的动态可调。基于液晶的偏振转换器具有调控效率高、调控面积大、紧凑化程度高等诸多优势,是目前应用较为广泛的偏振转换器。本文围绕偏振转换效率、工作波段、视场角3个核心参量,系统介绍了液晶偏振转换器最新的研究进展,分别给出了典型液晶偏振转换器和大视角宽波段液晶偏振转换器的详细结构和性能表现,同时介绍了液晶偏振转换器工作波段和视角的拓展方法。该项工作能够为液晶偏振转换器结构设计与应用提供必要的参考,同时为基于几何相位或新型相位调控模式的研究提供一些思路。  
      关键词:液晶;偏振转换器;波段;视角   
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    • 最新研究进展显示,液晶包层波导技术在光束扫描和傅里叶变换光谱领域取得显著成果,为可重构光子器件领域的发展提供了新思路。
      刁志辉,毕泽坤,范维方,蔚云慧,穆全全
      2024, 39(5): 697-706. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0056
      摘要:液晶包层波导以波导为载体、以液晶为工作物质,包层中的液晶通过倏逝波调控芯层中的波导模式。相比于传统液晶器件,液晶包层波导能够巧妙解耦光线调制距离与液晶层厚度,并基于表面层液晶作用显著降低液晶回弹时间,具有调制幅度大、响应速度快的优势。本文综述了液晶包层波导技术在光束扫描、傅里叶变换光谱领域的研究进展,并展望了液晶包层波导技术在可重构光子器件领域的应用前景。不同的宏观应用表现均源于液晶包层对波导模式的微观调控。凭借独特的工作方式,液晶包层波导赋予了宏观应用新的技术优势。本综述为新型液晶光束调控方法提供一种重要的研究思路。  
      关键词:液晶;波导;光调控   
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      发布时间:2024-05-29

      软执行器

    • 液晶弹性体(LCEs)软执行器在仿生智能机器人领域取得了新的突破。LCEs作为智能软机器人的关键元件,通过液晶各向异性和橡胶软弹性的结合,展现出可逆且复杂的形状变化和运动能力。特别是在光驱动的应用中,LCEs执行器展现出了强大的远程控制、快速响应和高效能量积累释放等优势。研究者深入探讨了LCEs的形状变化响应机制及其性能,为智能机器人领域的发展提供了新的可能。这一研究不仅丰富了仿生智能机器人的功能设计,也为未来的智能材料研发和应用提供了新的方向。
      雷冰,陈鹭剑
      2024, 39(5): 707-724. DOI: 10.37188/CJLCD.2024-0097
      摘要:随着自然界的不断进化,许多生物都表现出了适应环境的独特行为,为研究人员开发适应环境的智能材料和仿生软执行器提供了灵感。液晶弹性体(Liquid Crystal Elastomers, LCEs)软执行器作为智能软机器人的代表性执行元件,具有液晶各向异性和橡胶软弹性,在外部环境刺激下能够实现可逆、复杂的形状变化和运动能力。基于光驱动的LCEs 执行器具备多种优势,包括强大的远程控制能力、迅速的响应时间以及高效的能量积累和释放机制。本文介绍了光控仿生 LCEs 软执行器中的 LCEs 形状变化响应机制及其性能,并展望了基于仿生设计的光控 LCEs 软执行器在智能机器人领域的应用前景。  
      关键词:液晶弹性体;仿生执行器;光致形变;智能机器人   
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      发布时间:2024-05-29
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