蓝相液晶及其光子学器件研究

【摘要】蓝相液晶作为一种新型液晶,相比于其它液晶具有十分显著的优势,例如快速响应、准光学各向同性等。本文以研究蓝相液晶材料的性质为基础,设计并制备了一系列基于聚合物稳定蓝相液晶的光学元器件。我们通过实验结果的对比和表征,发现一种可以在非蓝相态体系内诱导出蓝相液晶的聚合物单体,分析解释其作用机理,并且通过后续紫外曝光法可以进一步地拓宽液晶蓝相态的温域；我们通过理论模拟和光学设计等手段优化器件性能,自行搭建光路来测试各器件的性能,完成了快速响应且偏振无依赖的一维／二维蓝相液晶光栅以及面向通讯波段应用的快速响应的光衰减器等蓝相液晶光子学器件的设计制备。论文的内容主要分成以下三个部分：1.设计了一种端基具备可聚合光敏双键的弯曲形分子,在手性向列相液晶中加入该弯曲形分子后成功诱导出液晶蓝相态。我们研究分析了这种诱导和稳定蓝相态的机理。然后在液晶体系缓慢降温的同时,通过紫外光聚合增加分子共轭长度,进一步拓宽蓝相温宽到10.2K。这种蓝相拓宽的机理与一般的聚合物稳定蓝相有着明显的区别。这给今后通过设计弯曲形分子结构来产生宽温域蓝相液晶提供了新的思路和方法。2.通过电极设计在液晶盒内形成周期性的垂直电场,设计制备了基于蓝相液晶的可调谐光栅。我们对液晶盒内的电场分布做了计算模拟,结果表明确实在水平面内形成了各向同性态折射率和寻常光折射率这两者的周期性分布,与电极结构的空间分布相吻合。我们通过该方法制备了一维/二维的液晶光栅,透过率达到了85%。一维/二维的液晶光栅的一级衍射效率分别达到了38.7%和17.8%。光栅的衍射态的开关模式间的电场调制速率可以达到亚毫秒量级的响应。3.我们设计并制备了一种偏振无依赖的蓝相液晶光纤衰减器。该光纤器件在不加电场时呈现关态。在任意的两种衰减量之间调节,器件的响应时间都可以达到亚毫秒量级。我们的测试波段范围是1480nm到1550nm,这个波段涵盖了通讯波段的整个S波段(1460-1530nm)以及部分的C波段(1530-1565nm)。器件的整体功能表现均达到实用水平,当然通过后续地设计优化还能进一步提升器件的性能。通过这个例子,蓝相液晶被证明可以应用到光纤器件中并发挥出其优势,这也给面向非显示应用(通讯波段乃至太赫兹波段)的光子学器件提供了借鉴意义。
【作者】诸戈；
【导师】陆延青；胡伟；
【作者基本信息】南京大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】液晶器件；蓝相液晶；光纤光子学器件；光栅；光衰减器；快速响应；

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