第一卷 第六期 - 2007年九月二十八日
使用雙面光配向技術製作高效率與偏振無關的染料摻雜液晶 Fresnel 光學透鏡
傅永貴, 林良真, 趙宏昌, 林宗賢

成功大學物理系及光電研究所
OPTICS EXPRESS 15, 2900-2906 (2007)
用夫瑞奈區塊作成的透鏡稱之為夫瑞奈透鏡(Fresnel lenses)。夫瑞奈區塊是由多個同心圓所組成(參見圖一)。所組成的同心圓具有下列特性即第m圈的半徑 rm 滿足此條件:rm2=m r12 ,其中 r1 為最內圈的半徑,再利用電子束蝕刻將奇數圈除去,使得奇數圈透光,偶數圈不透光。這樣的光罩本身即具有聚光的特性,其聚焦的焦距f滿足:f=r12∕ λ 其中λ 為入射光之波長。
圖一. DDLC夫瑞奈光學透鏡的製作圖示.

夫瑞奈透鏡在長程光通訊,微波元件,及三維顯示系統等領域中都有很適合的應用, 傳統利用電子束寫入或薄膜蝕刻的方式除了製作複雜及聚光效率不可改變等缺點外,由於其聚光原理需要遮蔽一半的區域,也不可避免的犧牲了聚光的效率。為了克服這些缺點,可以利用不同的材料及原理來製作 更好的夫瑞奈透鏡。 由於液晶具有良好的光電特性,及很低的操作電壓,一向就被廣泛利用來製作可電控光調制元件。現今已發展出許多利用液晶製作可電控之夫瑞奈透鏡的方法。相較於傳統方式,這些液晶夫瑞奈透鏡具有可電控的特性且製作相對簡單許多。但仍然存在有一些問題,如高操作電壓、聚焦效率不高、聚焦效率與偏振有關、及可調控相位範圍不夠大等。

在這個研究中,我們成功地利用雙面光配向技術,製作出一個高效率與偏振無關的染料摻雜液晶夫瑞奈光學透鏡。此透鏡的繞射效率可經由外加電壓調整,且最大繞射效率可達 ~37%,非常接近理論的極限值 ~41%。相較於其他液晶夫瑞奈透鏡,我們所製作的染料摻雜液晶夫瑞奈光學透鏡主要的優點在於只需一道照光程序的簡易製程、繞射效率高且與偏振無關、具有半波板的調制效應、聚焦開關切換快速、及很低的電壓即可調控的許多優點。

圖一為此染料摻雜液晶夫瑞奈光學透鏡的製作圖示。主要使用的是一個具有夫瑞奈區板(Fresnel zone plate) 圖樣的光罩。此圖樣為一個同心圓結構,第m圈的半徑 rm 滿足此條件:rm2=m r12 ,其中 r1 為最內圈的半徑,再利用電子束蝕刻將奇數圈除去,使得奇數圈透光,偶數圈不透光。這樣的光罩本身即具有聚光的特性,其聚焦的焦距 f 滿足: f=r12 / λ 其中λ 為入射光之波長。本研究中所使用的光罩圖樣最內圈半徑 r1=0.5 mm ,在入射光波長為632.8 nm時,焦距為~39.5cm 。

我們使用的液晶盒為厚度3μm水平配向,鍍有透明氧化銦錫導電層的玻璃樣品盒。注入由液晶E7及偶氮染料甲基紅(Methyl Red, MR)均勻混和的染料摻雜液晶(dye-doped liquid crystal, DDLC)樣品。甲基紅這類偶氮染料會有 trans 態與 cis 態間的同素異搆化(photo-isomerization)反應,未照光時,通常以穩態 trans 態存在。當我們的DDLC樣品在室溫下受到吸收頻譜範圍內的光激發時,甲基紅會從 trans 態轉變成 cis 態,並擴散吸附在照光側的基版上,長軸垂直照射光的偏振方向,而此吸附的染料會對液晶造成配向效果。近來我們發現若將樣品溫度控制在正好高過液晶相變點時照光激發,這種染料吸附的現象在樣品二邊的基版上都存在,我們稱之為雙面光配向技術。

圖二. DDLC夫瑞奈光學透鏡在前後垂直的偏振片中,顯微鏡觀察到的影像, 樣品摩擦配向方向和第一片偏振片夾角分別為(a) 0°及(b) 45°
基於上述的發現,我們使用波長 532 nm(在甲基紅染料的吸收頻譜範圍內)的二極體激發固態(diode-pump solid state, DPSS)雷射,透過前述的夫瑞奈區板光罩照射我們的 DDLC 樣品。雷射的偏振方向垂直樣品的水平配向方向,以~24 mW/cm2 強度照射3小時。為了同時對雙面配向,我們將樣品溫度控制在~65℃(略高於液晶E7的相變溫度~61℃)。製作出的DDLC夫瑞奈透鏡具有互相垂直的水平配向結構。這種互相垂直的二元結構使得製作出的DDLC夫瑞奈透鏡具有與入射光偏振無關的重要性質。在前後夾互相垂直偏振片的光學顯微鏡下,隨著樣品跟第一片偏振片夾角為0°或45°時,二個區域會同時顯示暗態或亮態,如圖二所示。圖中二個區域間的線條是由於二個不同配向方向間的過渡區造成。

圖三. DDLC夫瑞奈透鏡的繞射效率對電壓的關係圖。
圖三為外加1 KHz的交流電壓量得此DDLC夫瑞奈透鏡的繞射效率對電壓的關係圖。此處繞射效率的定義為主聚焦點繞射光的強度除以穿過樣品時的總強度。未加電壓時,此透鏡的繞射效率為~21%,電壓加超過臨界值(~0.9 V)時,液晶開始被電場拉動轉向,繞射效率也隨之改變。再外加電壓分別為 Vrms =1.1 V 及 Vrms = 1.8 V 時,此透鏡的繞射效率具有最大及最小值。此時對應的二個區域的液晶相位差分別為2π及π。此時光經過二個區域到達聚焦點的總相位差(液晶造成及光程差的總和)分別為 3π 及 2π,剛好是完全破壞性干涉及建設性干涉。在Vrms=1.8 V繞射效率的最大值可達到~37%,很接近理論的極限值~41%。圖四(a)為夫瑞奈區板的聚焦圖(聚焦效率~25%)與圖四(b)為DDLC夫瑞奈透鏡的聚焦圖(聚焦效率~37%)的比較圖,DDLC夫瑞奈透鏡的聚焦效率未達理論值的原因主要是由於奇數圈與偶數圈之間的邊界所造成。而在外加電壓很大時,由於液晶全部被拉到垂直玻璃基版,通過奇數區和偶數區的相位差趨近於零,因此透鏡的效果便消失。由此圖三可看出,我們可以藉由外加電壓調控此透鏡的繞射效率。
圖四. (a) 為夫瑞奈區板的聚焦圖,(b)為DDLC夫瑞奈透鏡的聚焦圖(外加電壓1.8 V)。

圖五為此DDLC夫瑞奈透鏡在外加電壓 V=0Vrms 及 1.8Vrms 時的繞射效率對不同線性偏振角度入射光的關係圖。由此結果,可以得知我們所製作的DDLC夫瑞奈透鏡就如同理論預測具有聚光效果與入射光偏振無關的特性。
圖五. 在外加電壓V= 0Vrms 及 1.8Vrms時,DDLC夫瑞奈透鏡的繞射效率對不同線性偏振角度入射光的關係圖。

另外,我們所製作的DDLC夫瑞奈透鏡除了具有高繞射效率外,也具有切換之反應時間快速的表現。我們測量得聚焦效果開啟及關閉關所需時間分別為~8ms 及~18ms。

由上所述,我們成功的利用 DDLC 之雙面光配向技術,製作出一個高繞射效率、與偏振無關、且可電控之夫瑞奈光學透鏡。此外,製作方式簡易且切換反應時間快速。因此,在不同光學系統的應用上具有很大的潛力。
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