利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器及其製備方法
2023-09-18 08:48:30 1
專利名稱：利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器及其製備方法
技術領域：
本發明屬於光折變層狀液晶器件的製備及相干光學放大技術領域。
(二)
背景技術：
在上個世紀九十年代之前，光折變材料主要集中在無機晶體材料。1991年，Ducharme 首次在有機聚合物材料bisA-NPDA:DEH中發現了光折變效應。之後，有機光折變材料因其 製備工藝簡單、改性容易、成本低廉而受到人們的廣泛關注。1994年，向列液晶光折變材料 首次被報導。作為一種有機光折變材料，與傳統的品體材料相比，液晶具有成本便宜，樣品 製備容易、能夠與電子器件集成等優點；在有機光折變材料中，液晶材料的工作電壓要遠遠 低丁聚合物材料，而且它還具有很高的敏感性。因此，自從1994年首次報導液晶中的光折變 效應，它立即引起了研究者的極大興趣。
當前，在單層液晶薄膜中報導的最高的信號增益係數高達3000cm—1，所需的外加電場為 0.3V/nm、泵浦光功率為 140mW，且能夠響應的弱信號光的功率為O.lmW的量級。然而， 由於製備工藝等方面的原因，液晶樣品最大厚度被限制在一百微米左右，這樣一來小的樣品 厚度(即小的稱合作用長度)使得大的增益係數並不一定能產生大的信號增益，最終只能獲 得十幾倍的增益，這極大地限制了液晶器件在小信號放大、相位共軛、新型濾波、光限幅、 神經網絡等領域的應用。
(三)
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有超高光學敏感度和增益值高達 4000，能耗小、成本低廉、 易於集成的層狀液晶薄膜光學放大器。
本發明的目的是這樣實現的該層狀液晶薄膜光學放大元件是利用環氧膠將光學質量良 好的向列液晶盒平行地粘接在一起製備而成的含有一組液晶盒的層狀結構元件，其中每一層 液晶薄膜均外加電壓，液晶盒由兩塊經過表面處理的ITO玻璃和液晶薄膜組成。
本發明的另一目的在於提供這種層狀液晶器件的製備方法及小信號放大系統。
本發明的層狀液晶薄膜光學放大元件經由以下兩步製備而成。第一步為單個液晶盒的制 備，具體製備過程如下
1) 利用超聲波清洗儀將ITO玻璃基底分別用丙酮和去離子水多次清洗後，用烘箱將其
烘乾；
2) 在清潔的ITO表面h鍍一層表而取向層，使得液晶分子在ITO表面整齊定向排列；
3) 利用聚酯墊片將兩塊鍍有表面取向層的ITO玻璃基底隔開，將兩塊ITO玻璃相互平行的兩個端面用環氧膠粘合起來，放置24小時後環氧膠將完全凝固；
4)利用表面張力將摻雜光敏劑的向列液晶灌入3)中給出的、由兩塊ITO玻璃組成的盒中。
通過上述過程就可以製備出光學質量良好的、液晶指向矢垂直於ITO玻璃表面的液晶盒， 其結構示意圖如圖l所示。第二步將第步獲得的光學質量良好的液晶盒平行地用膠粘接在 一起，製備出含有多個液晶盒的層狀液晶薄膜光學放大元件，其中每一層液晶薄膜的外加屯 壓都可以單獨控制，見圖2。
本發明的層狀液晶器件小信號放大系統的實現如圖2和圖3所示1)從雷射器(Laser)
發出的光束經由半波片(X/2)和偏振片(P)後成為水平偏振入射光，經由反射鏡M,改變方
向後的入射光利用分束比可調的分束鏡(BS)進行分束，分為位於分束鏡(BS)的反射光路 上的信號光和位於分束鏡(BS)的透射射光路上的泵浦光，其中泵浦光的強度可由中性衰減片
(A)來調控；2)信號光和泵浦光分別經由反射鏡M2和M3改變方向後約以1。或更小的夾角
相交(即(《-《)*1°或更小)，並在液晶薄膜中產生空間周期與單層液晶薄膜厚度相當或更
大的強度分布圖樣；3)將層狀液晶樣品(Sample)放置於泵浦光/ia和信號光/2。形成的幹涉場
中，樣品的法線與兩束記錄光的角平分線的夾角(0,+《)/2可取能夠記錄光柵的任意角度；4)
在每層液晶薄膜兩端都施加大小且極性相同的外加直流電壓，信號光和泵浦光會在每層液晶 薄膜內形成薄的非局域光柵，從而可以實現泵浦光向信號光的非對稱能量轉移，其中小信號
放大增益定義為加載泵浦光後與加載泵浦光前的信號光的透射光強/2,之間的比值。
木發明提供的具有超高光學敏感度和增益的層狀液晶薄膜光學放大元件，其特點有a) 它是將光學質量良好的、摻雜光敏劑的向列液晶盒平行地粘接在一起製備而成的多層結構， 可以有效地增加非線性媒質(液晶薄膜)的有效厚度和液晶器件的敏感度；b)每一層液晶薄 膜的外加電壓都可以單獨控制；c)液晶薄膜中能夠記錄明顯的非局域光柵要求光柵間距在幾 十微米的量級上(即該光柵工作在薄光柵機制下)，閒而層狀液晶薄膜光學放大元件要求信號 光和泵浦光之間的夾角約為1°或更小；d)提供信號光和泵浦光的雷射器可以為能夠在摻雜光 敏劑的向列液晶樣品中記錄非局域薄光柵的任意波長的雷射器。
而具有超高光學敏感度和增益的小信號放大系統，其特點有
1) 信號光可以是一束未加載圖像的雷射束，也可以是一束加載圖像信息的雷射朿；
2) 信號光與泵浦光之間的夾角約為1°或更小；
3) 液晶盒表面法線與信號光和泵浦光之間的角平分線的夾角為能夠記錄光柵的任意角度；
4) 在進行小信號放大過程中，每層液晶薄膜兩端均施加極性和大小相同的直流驅動電 壓，通過控制外加直流電壓的極性使得信號光被放大；
5) 6層液晶薄膜光學放大元件非常適合於0.1pW或更弱的微弱信號的放大應用；
6) 6層液晶薄膜光學放大元件工作時所需的外加驅動能耗較低，其中外加直流驅動電場 僅為0.05 V/pm左右，外加泵浦功率僅為10mW左右。
本發明通過平行粘接液晶盒的方法製備出含有多個液晶盒的層狀液晶薄膜光學放大器， 該方法可以顯著提高液晶非線性媒質的光學敏感度和有效厚度。利用摻雜光敏劑的向列液晶 作為非線性媒質，對於單層液晶薄膜厚度為20nm的6層液晶薄膜光學元件而言，信號光的 功率低於lnW時可以獲得高達2000以上的增益；當信號光的功率為10nW時，該信號光可 以與幾毫瓦的泵浦光記錄很強的光柵，此時高階衍射非常顯著，在高階衍射的抑制作用下小 信號增益的最大值僅為-200。對於一個功率為O.lpW的極其微弱的信號光而g ，在0.06V/)am 的驅動電場和8mW的泵浦光作用下經由該6層液晶薄膜層狀光學元件後實現了可與幾毫米 厚的光折變晶體中相媲美的、高達 4000的增益值(通常的光折變晶體對應的增益值為幾百 到一千左右)。本發明能耗小、成本低廉、易於集成的液晶放大器件非常適用於小信號放大、 相位共軛、新型濾波等應用。
(四)
圖1是單個液晶盒的結構示意圖2是本發明的層狀液晶薄膜光學放大元件及其二波耦合光路示意圖； 圖3是小信號放大系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面舉例對本發明作更詳細的描述
1. 6層液晶薄膜樣品的製備 1)單個液晶盒的製備
第一步利用超聲波清洗儀將厚度為l.lmm、面積為2x2.5cn^的ITO玻璃基底分別用丙 酮和去離子水多次清洗後，用烘箱將其烘乾；
第二步以向列液晶E7(E7是共晶液晶混合物，其由質量百分比分別佔51%、25%、 16% 和8%的分子形狀均為棒狀的液晶5CB、K21、M24和T15混合而成，熔點和清亮點分別為-10。C 和61°C)作為非線性光學材料，將質量百分比為0.05%的C6o摻雜到E7中來提高液晶樣品的
光學敏感度，並利用超聲波清洗儀振蕩的方法使得C60在液晶中快速溶解；
第三步配置質量百分比為萬分之一的HTAB的乙醇溶液，利用表面摩擦的方法在ITO玻璃基底1表面上鍍一層HTAB膜，形成表面取向層；
第四歩利用厚度為20pm聚酯墊片將兩塊鍍有HTAB膜的ITO玻璃基底隔開，將兩塊 ITO玻璃基底相互平行的兩個端面用環氧膠粘合起來，放置24小時後環氧膠將完全凝固；
第五步將摻雜C6o的向列液晶E7和第四步製備而成的由兩塊平行的ITO玻璃組成的盒 放置到烘箱中加熱，快速升溫至80。C;
第六步在80。C下，利用滴管將摻雜C60的液晶灌入第四步給出的、由兩塊平行的ITO 玻璃組成的盒中，並在該溫度下保持3-5鍾；
第七步緩慢降溫至室溫，製得光學質量良好的、液晶指向矢垂直於ITO玻璃表面的液
晶盒，結合圖l， ITO玻璃l與液晶薄膜2之間是表面取向層3。 2)液晶層狀結構的實現
第一步將一個液晶盒的玻璃表面兩側邊緣處分別放置兩個面積約為2x2mm2、厚度為 20nm聚酯墊片，並在玻璃表面兩側邊緣處未放置墊片的位置處塗少許的環氧膠；
第二步將第二個液晶盒以垂直第一個盒的方向(這裡的"垂直"的意思是組成第一個液
品盒的玻璃的2.5mm的稜垂直與組成第二個液晶盒的2.5mm的稜)輕輕地平放到上一個液晶 盒上面，並確保兩個液晶盒中所含的液晶薄膜2的重疊區域儘可能大；
第三歩重複第一步和第二步，依次以同樣的方式將6個液晶盒疊放在一起；
第四步放置24小時後粘接液晶盒的環氧膠將完全凝固，製得含有6層液晶薄膜2的層
狀液晶樣品。
2.利用6層液晶薄膜樣品作為非線性媒質的微弱信號相干放大系統
實驗裝置如圖2和3所示，實驗中採用波長為488nm的Ar+雷射器作為光源。將Ar+雷射
器發出的雷射束經由半波片(人/2)和偏振片(P)後成水平偏振光，分束比可調的分束鏡
(BS)將該水平偏振光分為兩束相干的記錄光，二者約以1。的夾角相交於6層液晶薄膜樣品 上，從而在液晶薄膜中產生了空間周期約為28pm的強度分布圖樣。樣品的法線與兩束記錄 光的角平分線的夾角為45。。其中一束記錄光為功率在幾毫瓦到十幾毫瓦的泵浦光，記為光 束l，另一束記錄光為功率在微瓦量級的弱信號光，記為光束2， 二者的強度大小和比值可由 分束鏡(BS)和位於泵浦光光路上的中性衰減片(A)來調控。泵浦光和信號光在射入樣品
時對應的光強分別記為/1和/2。，且在樣品處的光斑直徑分別為3mm和lmm。由一個外加直
流電源同時對每層液晶盒施加大小為1.2V的驅動電壓，並通過調節直流電壓的極性確保在二 波耦合過程中從泵浦光向信號光方向轉移能量。
對於工作在薄光柵機制下的液晶薄膜而言，由於高階衍射的影響並同時考慮液晶樣品的動態散射效應(具體的動態散射閾值與外加直流電壓、樣品的組成和製備工藝有關)，大的增 益的獲得需要液晶薄膜放大器件同時具備超高的光學敏感度和大的耦合作用長度。對於本發 明所使用的20nm厚的單個液晶盒而言，當外加直流驅動電壓為1.2V時信號光與泵浦光耦合 過程中對應的泵浦光的動態散射閾值為 20mW，其能夠響應的信號光的最小功率為 40mW。 通過將液晶盒平行地用膠粘接在一起製備而成6層液晶薄膜樣品的方法，不僅有效地增加了 信號光和泵浦光之間的耦合作用長度，還將能夠響應的信號光的最小功率降低到0.1^W以下， 從而使得液晶薄膜器件中實現微弱信號的放大和大的小信號增益的獲得成為可能。
當信號光的功率為10pW時，在1.2V的外加直流電壓作用下該信號光可以與幾毫瓦的泵 浦光記錄很強的光柵，此時高階衍射非常顯著。因而，在從0.5mW到10mW增加泵浦光功 率的過程中，小信號增益初始隨著泵浦光功率的增加而增加，並於泵浦光功率為6mW時獲 得最佳的增益值-200，之後在高階衍射的抑制作用下小信號增益開始下降。固定外加電壓為 1.2V，當信號光的功率為lpW以下時，在一束功率為 10mW的泵浦光作用下(此時對應的 泵浦光/信號光的光強比可以高達106以上)6層液晶薄膜樣品可以實現2000以上的增益。對 於一個功率為O.lpW的極其微弱的信號光而言，在0.06V/pm的驅動電場和8mW的泵浦光 作用下經由6層液晶薄膜層狀光學元件後實現了可與幾毫米厚的光折變品體中相媲美的、高 達~4000的增益值。
權利要求
1、一種利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器，其特徵是該層狀液晶薄膜光學放大元件是利用環氧膠將光學質量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起製備而成的含有一組液晶盒的層狀結構元件，其中每一層液晶薄膜均外加電壓，液晶盒由兩塊經過表面處理的ITO玻璃和液晶薄膜組成。
2、 根據權利要求1所述的利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器的製備方法，其特徵是 首先利用表面張力將摻雜光敏劑的向列液晶灌入由兩塊經過表面處理的ITO玻璃組成的盒後 製備出單個液晶盒；然後將一個液晶盒的玻璃表面兩側邊緣處分別放置兩個面積較小的聚酯 墊片，並在玻璃表面兩側邊緣處未放置墊片的位置處塗環氧膠；之後把第二個液晶盒以垂直 第一個盒的方向平放到上一個液晶盒上面，並確保兩個液晶盒中所含的液晶薄膜的重疊區域 儘可能大；重複上述兩個歩驟，依次以同樣的方式將一組液晶盒疊放在一起，製得的含有一 組液晶盒的層狀液晶薄膜微弱信號放大器。
3、 根據權利要求2所述的利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器的製備方法，其特徵是 所述的單個液晶盒的製備具體製備過程如下1) 利用超聲波清洗儀將ITO玻璃基底分別用丙酮和去離子水清洗後，用烘箱將其烘乾；2) 在清潔的ITO表面上鍍一層表面取向層，使得液晶分子在ITO表面整齊定向排列；3) 利用聚酯墊片將兩塊鍍有表面取向層的ITO玻璃基底隔開，將兩塊ITO玻璃相互平 行的兩個端面用環氧膠粘合起來，放置24小時後環氧膠將完全凝固；4) 利用表面張力將摻雜光敏劑的向列液晶灌入步驟3)中給出的、由兩塊ITO玻璃組成的盒中。
4、 根據權利要求2或3所述的利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器的製備方法，其特徵 是其中液晶盒每一層液晶薄膜均設置有可單獨控制的外加電壓。
全文摘要
本發明提供了一種利用層狀複合液晶薄膜的微弱信號放大器及其製備方法，具有超高光學敏感度和增益的層狀液晶薄膜光學放大元件。該層狀液晶薄膜光學放大器是利用環氧膠將光學質量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起製備而成的含有多個液晶盒的層狀結構元件，其中每一層液晶薄膜的外加電壓都可以單獨控制。該方法可以顯著提高液晶非線性媒質的光學敏感度和有效厚度。對於一個功率為0.1μW的微弱信號光而言，在0.06V/μm的驅動電場和8mW的泵浦光作用下經由6層液晶薄膜層狀光學元件後實現了高達～4000的增益值。該能耗小、成本低廉、易於集成的液晶放大器件非常適用於小信號放大、相位共軛、新型濾波等應用。
文檔編號G02F1/35GK101299127SQ20081006473
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者姚鳳鳳, 孫秀冬, 裴延波 申請人:哈爾濱工業大學