手性液晶滤光片研究

　　为了对远距离目标进行观测,在设计生产光电探测器时人们要设法提高灵敏度。但高灵敏度探测器在强光,如激光的照射下容易发生饱和,甚至永久性失效[1-4]。为了保证光电成像设备能在战时条件下发挥作用,滤光片已成为军用光电系统中的关键部件。

　　液晶已用于制作多种类型的光学器件,如用于光波前恢复的可调波片,带阻滤波器,光阀门等[5-7]。利用手征液晶分子的选择反射性(selectivereflection),可以制成用于光电防护的液晶偏振滤光片。实验研究表明液晶对可见/近红外光吸收的系数极低,可见/近红外激光对于液晶的加热作用可以忽略[8,9],利用液晶制成的偏振滤光片的激光破坏阈值较高,同时还避免了普通镀膜滤光片的二次谐波问题。

　　手性液晶膜透射光谱的数值计算

　　目前对手性液晶膜透、反射特性的数值计算方法主要有berranmn矩阵法[10]、Jones矩阵法[11]和有限元计算方法[12]。本文利用Jones矩阵法并结合MATLAB程序对手性液晶膜的透射特性进行数值计算。

　　手征液晶分子的排列取向是沿着一条螺旋轴,如图1所示。

　　由于手性液晶的独特之处在于液晶分子指向矢在空间坐标系中是沿着螺旋轴的方向而周期性的改变,手性液晶分子指向矢可以表示为:

　　其中θ是液晶指向矢同x轴的夹角。假设入射激光沿着液晶螺旋轴的方向传播,在手性液晶螺旋轴线方向上,把一个螺距P均匀分成m层,每一层旋转的角度是2π/m,。数值计算模型如图2所示:

　　根据麦克斯韦方程,在液晶单层中激光的电场和磁场可以表示为:

　　其中Ei、Er、Et分别表示每一单层的入射光电场、反射光电场和透射光电场,Hi、Hr、Ht分别表示每一单层的入射光磁场、反射光磁场和透射光磁场。根据能量守恒定律、坐标旋转方程和边界条件E1=E2、H1= H2,结合式1、2可以得到:

　　其中对液晶各膜层的透/反射特性进行逐层递推,结合MATLAB程序对手性液晶膜的透射特性进行数值计算,计算中选用的液晶材料是石家庄实力克的SLC9023,ne=1.768,no=1.517,所用手性液晶螺距P=0.487μm和P=0.6μm,一个螺距内分成600个薄层,液晶膜厚度是10个螺距,计算结果如图3所示。

　　实验及结果分析

　　液晶盒的结构示意如4所示:

　　实验中选用的液晶材料是计算中选用的石家庄实力克SLC9023、右旋手性添加剂R811和左旋手性添加剂S811,米拉膜厚度为25μm,利用调节手性添加剂浓度来改变手性液晶的螺距。在实验当中我们使用卓立汉光分光光度计对手性液晶盒的透射光谱进行了测量,实验结果如图5所示: