用于线偏振光旋转的具有空间分区取向的聚合物网络90°扭曲向列型液晶

《Optics & Laser Technology》：Polymer-network 90°-twisted nematic liquid crystals with spatially partitioned alignment for linear-polarization rotation

　　

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  使用 PN-90°-TNLC 实现偏振旋转的非易失性空间编程演示。
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  实现了四个可编程旋转角度（0°、33°、58° 和 90°），且线偏振度高于 0.9。
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  通过热循环和长期运行显示出高重现性和鲁棒性。
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  利用一次写入多次读取编码，在光学加密和防伪方面启用新应用。
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  利用灰度强度图像促进高级光子学应用。

引言

精确控制光的偏振是一个关键的研究重点，在光学通信 [1]、传感 [2]、[3]、成像 [4]、[5]、信息处理 [6]、[7] 以及下一代光学数据存储系统 [8]、[9] 中具有重要应用。随着光子器件变得更加紧凑、集成化和多功能化，对于具有高光学保真度、低功耗、空间可编程性和稳健长期稳定性的偏振控制平台的需求不断增长。传统偏振控制组件，如波片、双折射旋转器 [10]、法拉第旋转器 [11]、[12] 和薄膜旋转器 [13]，提供可靠的偏振操纵，但体积庞大、被动且难以集成到微型光子系统中。液晶（LC）器件 [14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、几何相位光学元件 [20]、超表面 [21]、[22]、各向异性电介质纳米结构 [23] 和可编程双折射材料 [24] 的最近发展拓宽了偏振工程，实现了电可调谐和空间结构化偏振状态。然而，许多当前解决方案依赖于连续电气偏置、先进纳米加工或动态调制，这些在外部刺激移除后无法保持编程的偏振状态。

扭曲向列液晶（TNLC）已成为偏振操纵的一种有前途的方法。TNLC 中可重构的指向场旋转透射光的偏振方向，同时在莫格纳条件下保持高线偏振度。各种用于电可调谐偏振旋转器的设计，包括混合对齐、超级扭曲和双频液晶配置，已开发出来以扩展偏振旋转范围并实现宽带性能 [25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。尽管这些设计显示出良好的电光特性，但它们通常需要较大的盒间隙、宽工作电压范围和复杂的电极结构。这些因素可能导致较慢的响应速度、不均匀的电场分布和增加的制造复杂性。此外，这些配置中的偏振状态仍然是易失性的，并依赖于电气驱动，限制了它们对永久偏振编码和被动光子应用的适用性。

我们先前的研究介绍了基于串联 90°-TNLC 单元的无色差、β 独立线偏振旋转器 [31]。数学建模、实验验证和模拟表明，串联 TNLC 系统减少了色散和 β 角变化。然而，满足莫格纳条件要求串联 TNLC 单元具有足够的厚度。对液晶单元施加交流（AC）电场激励会降低透射过串联 90°-TNLC 单元的出射光的线性偏振保持率，限制了实际应用中的可调谐性。最近，提出了一种使用单个 90°-TNLC 单元的连续可调线性偏振旋转机制 [32]。该系统确保输出偏振光保持高线偏振度（DoLP），始终超过 0.9。DoLP 在数学上定义为 $\mathrm{D}\mathrm{o}\mathrm{L}\mathrm{P}={(I}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})/{(I}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}+I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}})$，其中 I_max 和 I_min 分别表示输出偏振光的强偏振分量和弱偏振分量的强度 [33]、[34]。这种稳定、连续的偏振旋转在由 1.27 和 1.7 之间的 dΔn/λ 值表征的特定几何参数范围内保持有效。

尽管广泛探索了聚合物网络（PN）和聚合物稳定液晶技术，应用于折射率梯度光学、光束转向、多畴显示、折射率调制和图案化光子器件，但大多数研究侧重于稳定液晶取向或优化光学相位轮廓 [35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。与此同时，光取向和直写光刻的进步实现了复杂的空间偏振图案化，增强了光学操纵和数据编码 [43]、[44]、[45]、[46]、[47]。然而，将电可编程 90°-TNLC 与 PN 记录集成在一起，以在单个器件中永久编码多个预定义偏振旋转状态，受到的关注有限。这种集成对于被动偏振工程至关重要，因为它结合了 TNLC 的电气可调谐性与 PN 锚定的长期稳定性。它还实现了确定性的空间偏振编码，并在移除驱动场后保持高 DoLP，实现了连续电气可调谐性和非易失性稳定性的统一。

在此，我们报道了一种 PN-90°-TNLC 平台，将电可编程偏振旋转转变为非易失性、空间可编程的光学功能。将反应性介晶（RM257）掺入常规 90°-TNLC 中，随后在特定电场下进行紫外（UV）诱导聚合，产生局部聚合物网络以稳定各种液晶指向构型。该过程稳定了多种液晶指向取向，使得能够在单个器件内空间编码多个偏振旋转角度（PRA），同时在无需连续电气偏置的情况下保持高于 0.9 的高 DoLP。作为概念验证，演示了由位置依赖偏振旋转驱动的确定性空间偏振图案化和多级光学信息存储。该方法提供了一条用于可编程偏振工程的简单、可扩展的途径，增强了传统 TNLC 功能，并支持被动集成光子技术的发展。

章节片段

实验部分

配制了一种液晶混合物，包含 94.5 wt% 向列相液晶 E7（FUSOL-MATERIAL Co., Ltd），5 wt% 液晶单体 RM257（FUSOL-MATERIAL Co., Ltd），以及 0.5 wt% 光引发剂 DMPAP（Sigma-Aldrich, Merck）。E7 在 -10°C 和 58°C 之间表现出向列相 [48]。E7 在 633 nm 波长下的寻常光折射率（n₀）和非常光折射率（n_e）分别为 1.51 和 1.73。所有测量均在室温（约 25°C）下进行。对于器件制备，两个涂有氧化铟锡的

同时紫外曝光和应用电场激励

在本研究中，我们首先旨在确保掺入液晶单体不会损害动态线性偏振旋转性能。我们通过用 365 nm 紫外光（1 mW/cm² 照射 5 分钟）照射掺杂单体的液晶混合物，同时施加外部电场激励，建立了聚合物网络并稳定了 90°-TNLC 单元内的液晶构型。图 1 显示了在同时紫外照射和

结论

总之，开发了一种 PN-90°-TNLC 器件，通过电辅助光聚合实现线性偏振状态的非易失性空间编程。在掺杂单体的 90°-TNLC 结构的紫外固化过程中施加了空间控制的电场，结果通过 PN 锚定形成了截然不同且永久记录的液晶指向构型。这种方法允许在单个器件内集成多个偏振旋转状态，具有空间分区

CRediT 作者贡献声明

刘一萱：写作 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。普拉维纳杰·塞拉瓦吉：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。吴春婷：验证，调查，正式分析，数据整理，写作 - 审阅与编辑。黄奇特：可视化，验证，软件，调查，数据整理。李伟辰：调查。

资助

台湾科技部（113-2221-E-008-045-MY3, 115-2218-E-008-001-）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报道的工作。

刘一萱 | 普拉维纳杰·塞拉瓦吉 | 吴春婷 | 黄奇特 | 李伟辰 | 孙景盛 | 郑国廷