用光学导波方法区分液晶盒中的预倾角与弱锚定

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文章编号：1006-6268(2009)03-0025-03

摘要：液晶正在高清晰电视、投影系统和光通讯网络方面得到广泛应用。知道液晶状态对表面处理的响应在各种应用中非常重要。但如果在表面上出现了小的预倾角，测量将得到表观外推长度。这一测量结果给出弱锚定的结论，而事实上是强锚定。本文使用半漏导波模式研究电场作用下平行排列盒中的指向矢形变。通过光学导波方法区分小的预倾角与弱锚定两种不同的边界处理。我们发现p（横磁，TM）到s（横电，TE）偏振转变信号对两种指向矢分布十分敏感。

关键词：光学波导；液晶；预倾角；弱锚定；偏振转换信号

中图分类号：TN141.9 文献标识码：A

Distinguishing between Pretilt Angle and Weak Anchoring in Liquid Crystal Cell by Guided Optical Waves

YE Wen-jiang，LI Zhi-guang，ZHANG Zhi-dong，GAI Cui-li

( Deparment of Physics of Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Abstract: Liquid crystals are being used in high resolution TV, projection systems and optical communication networks. For their applications it is important to know how the liquid crystal's response varies with surface treatment. But if a small pretilt angle at the surface is actually present, an apparent extrapolation length can be measured. This could lead to the conclusion that the anchoring is weak, despite the fact that the anchoring is truly strong. Optical excitation of half-leaky guided modes was used to explore the director distortion of a homogeneously aligned liquid crystal under application of an electric field. We distinguished between pretilt angle and weak anchoring at the surface by using guided optical waves. We found that the p(transverse magnetic, TM) to s(tranverse electric, TE) polarization coversion signal issensitive to two kinds of the director profiles.

Keywords: guided optical waves；liquid crystal；pretilt angle；weak anchoring；polarization coversion signal

引 言

液晶盒中液晶指向矢对外加电压的响应，是液晶显示（和各种非显示）应用的基础。寻常光与非常光垂直通过厚度为d的液晶盒，产生一个等效的光程差(Δn)effd，它在特殊条件下为(ne-no)d，此时指向矢严格沿盒表面排列。在有外加电压作用时，指向矢产生倾角，(Δn)effd依赖于电压。但光程差是整体效应，它对于指向矢分布具有兼并性，即不同的指向矢分布可以给出相同的光程差。例如，利用光程差方法，就难以区分液晶在基板上的有小预倾角与弱锚定这两种不同的表面处理[1]。即，如果在表面上实际上出现了小的预倾角，测量将得到表观外推长度。这一测量结果给出弱锚定的结论，而事实上是强锚定。

导波光学器件不仅在光信号的传输及处理方面有很大作用，在信号获取方面的功能也日益受到人们的重视。在实验中，当光束射入介质层时，就会在其中激发出一系列分离的模式（量化波导动量）。这些膜的光谱依赖于薄层中折射率的分布。通过深入地研究导膜光谱，就能得到薄膜的光学性质的详细情况。由于信息的获取在现代社会中有日益增长的重要性，这方面的研究开发工作也是导波光学应用的热点之一。本文提出用导波光学，区分液晶在基板上的预倾角与弱锚定边界条件。

1 波导原理

几何波导的结构主要有三部分组成：覆盖层（折射率为nc），薄膜层（折射率为ng），衬底（折射率为ns）。要求ng＞ns且ng＞nc，为了进一步讨论，我们假设ns＞nc，因此有ng＞ns＞nc。这里考虑的情况是：一束平面光以入射角β射到界面上，并在薄膜中传播。由Snell定律，在上下界面发生全反射的临界角分别为：

相应的也有三种导模几何光学通过应用棱镜耦合研究薄膜波导。这里我们用的是半漏导波模式。

半漏导模技术选择的几何结构如图2所示：一个高折射率的玻璃棱镜，介质层，低折射率的玻璃衬底。正是这种不对称的折射率，为这种几何结构提供了必要的新功能，因为上棱镜表面的一定范围的入射角使得光在低折射率的玻璃衬底发生全反射。因此这个界面(玻璃衬底)在一定角度的范围作为一个完全的镜面反射提供了一个半导半漏的导模系统。对于这种新的几何结构，高折射率玻璃nc应大于介质层折射率ng，低折射率玻璃ns应小于介质层折射率ng。这意味着最理想的情况为nc＞ng＞ns。导模理论和实验均显示：有一个特殊的波矢范围，这个平面波矢范围为kons与kong之间。这个特殊的波矢范围可能非常窄，在βs与β′之间，βs=sin ，β′=sin 。接着，通过扫描这个窄范围的入射角，这个半漏导模反射率光谱就能在实验中记录下来。

2 实验装置

实验装置如图3所示，主要包括He-Ne激光器，透光孔，偏振片（两个）， 1/4波片，斩波器，衰减器，θ-2θ转台，探测器，锁相放大器，控制转台，棱镜，数据采集卡等。

3 结果及讨论

对于各向同性介质层，只能出现对偏振态激光的pp反射和ss反射，而不可能出现ps反射以及sp反射。对于像液晶这样的各向异性介质，原则上pp、ss、ps、sp反射和透射均有信号，而且它们对液晶结构变化所给出响应的灵敏程度是不一样的。通常我们根据液晶材料和制备液晶盒的条件，先进行理论计算，然后与实验结果进行比较。通过实验点准确落在理论曲线上，推知液晶状态[2]。

我们通过液晶连续体理论[3]计算了5CB液晶在5μm厚度两种平行排列盒中的状态，盒上所加电压均为3V。第一种为强锚定液晶盒，锚定强度系数为10-3J・m-2，具有1度的预倾角；第二种为弱锚定液晶盒，锚定强度系数为10-4J・m-2，预倾角为零度。5CB液晶材料参数为k11=5.85pN，k33=7.80pN； ε∥=18.2，ε=6.9。液晶指向矢倾角在液晶盒中的分布见图4。小预倾角与弱锚定边界处理在结果上显示出很小的差异。

在液晶指向矢分布的基础上，利用Berreman 4×4矩阵光学方法，可以计算四种反射率和透射率。计算中选择5CB光学参数为no=1.539，ne=1.728，波长选择氦氖激光λ=632.8nm。我们发现ps反射率对于本文研究的两种液晶盒结构十分敏感，结果见图5。至此我们得出结论：可以应用光学导波方法区分液晶在基板上的小预倾角与弱锚定边界条件。

参考文献

[1] Evangelista L R. Weak anchoring or pretilt?[J]. Phys. Lett. A, 1995, 205: 203-207.

[2] Yang F, Samble R and Bradberry G W. Guided modes and related optical techniques in liquid crystal alignment studies[M]. The Optics of Thermotropic liquid crystals, eds by Elston S and Sambles R, London, Taylor & Francis,1998.85-114.

[3] 张志东，于彗，李丽.On the saturation behaviour of twisted nematic liquid crystal cells with a nonzero pretilt angle[J]. Chinese Physics，2001，10（7）：645-649.

作者简介：张志东（1961-），男，山东省蓬莱人，主要研究方向为液晶与液晶器件物理，E-mail:.

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