第七卷 第四期 - 2009年一月十六日
利用染料摻雜膽固醇液晶製作可電控及光覆寫之反射式夫瑞奈透鏡
傅永貴*、鄭恪亭、劉鄭楷、丁啟倫


標準大小   字體放大
用夫瑞奈區塊製成的透鏡稱為夫瑞奈透鏡。夫瑞奈區塊是由多個同心圓所組成,其組成的同心圓之第m圈的半徑rm滿足以下條件:,其中為最內圈的半徑。遮住夫瑞奈區塊之奇數圈(或偶數圈),使得偶數圈(或奇數圈)透光而奇數圈(或偶數圈)不透光,可得到夫瑞奈區塊板,該光罩本身即具有聚光的特性,其聚焦的焦距,其中λ為入射光之波長,參見圖一。夫瑞奈透鏡適合應用在長程光通訊、微波元件及三維顯示系統等領域中,傳統利用電子束寫入或薄膜蝕刻的方式來製作夫瑞奈透鏡存在著許多缺點,如製程複雜及聚焦效率固定等等。為了克服這些缺點,可利用如液晶或其他材料取代傳統用於製作夫瑞奈透鏡的材料。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出可電控之夫瑞奈透鏡的方法。相較於傳統利用電子束寫入或薄膜蝕刻的方式,這些液晶夫瑞奈透鏡具有可電控的特性且製程相對簡單許多。本研究所提出的新元件可利用入射之偵測光偏振的選擇決定該夫瑞奈透鏡為一反射式或半反半穿式透鏡。
圖一 夫瑞奈區塊板之圖示

在這個研究中,我們成功地利用光引致分子重新排列技術在染料摻雜膽固醇液晶(DDCLC)中製作出一個反射式夫瑞奈透鏡。利用一道雷射光透過一片具夫瑞奈區塊板的光罩照射於一片DDCLC樣品上,即可形成一個具有兩種強度分佈的結構-planar及focal conic結構,前者會反射偵測光,而後者會散射偵測光。該反射式夫瑞奈透鏡在沒有外界擾動的條件下是一個永久的透鏡,其利用一道圓偏振光所測量的聚焦效率幾乎與夫瑞奈光罩所量測出的一樣(約25.6%),其聚焦效率約為23.7%。除此之外,該透鏡可用熱將其抹除、用光重新寫入以及利用電壓控制聚焦與否。

本實驗所用的材料為右旋之膽固醇液晶(CLC),其配方為64 wt%的向列相液晶,E7 (Merck)及36 wt%的手性分子,CB15 (Merck)。而此膽固醇液晶之反射頻譜落在615和665奈米之間。此外,本實驗另添加2 wt%之偶氮染料,甲基紅 (Methyl Red, MR, Aldrich),其trans態的吸收光譜在440和550奈米之間,最大吸收值落在約530奈米左右。我們所使用的液晶盒是利用兩片鍍有透明氧化銦錫(ITO)導電層的玻璃基板所組合,其表面配向利用配向膜(poly(vinyl alcohol), PVA)沿著R方向作摩擦水平配向,液晶盒厚度為11 微米。最後將均勻混合之液晶材料注入空液晶盒中並用AB膠封邊,而完成一個在planar態的膽固醇液晶盒。

圖二為DDCLC中製作反射式夫瑞奈透鏡的圖像,我們利用一道線性偏振的二極體固態雷射(DPSS 雷射,波長為532奈米,強度為100 mW/cm2)經過緊附在樣品上的一片具夫瑞奈區塊板的光罩照射DDCLC樣品10分鐘,反射式夫瑞奈透鏡即製作完成。該夫瑞奈光罩之奇數圈不透光、偶數圈透光,且對波長為632.8奈米的光而言,其焦距為40公分。圖三是用以分析反射式夫瑞奈透鏡的光路架設,利用一道強度為1.2 mW/cm2的圓偏振紅光 (ER,氦氖雷射,波長為632.8奈米)來分析該透鏡之光學特性。
圖二 DDCLC中製作反射式夫瑞奈透鏡的圖像
圖三 分析反射式夫瑞奈透鏡的光路架設

所形成的反射式夫瑞奈透鏡的兩種結構為planar及focal conic兩種,前者是光罩上之暗區、後者為亮區,且該兩種結構皆為穩態。planar結構是樣品的初始結構,而focal conic結構是由染料吸附及熱效應所引起。甲基紅吸附的機制簡單描述如下:當染料分子被吸收的藍綠光所激發後,伴隨著發生的是光同素異構化反應、三維旋轉、擴散、最後吸附在基板上。本實驗所形成之染料吸附結構在掃瞄式電子顯微鏡下為一粗糙的結構,換言之,當雜亂吸附的染料分子覆蓋於水平配向膜後,該配向膜即失去配向膽固醇液晶的能力。因此,綠光照射區域的膽固醇液晶結構被轉變成focal conic結構。除了吸附效應以外,熱效應在本實驗中亦是必須被考慮的,材料中所添加的手性分子造成液晶相變點的降低,從61˚C降為30.7˚C,而如此低的相變溫度相當於降低了染料分子因吸收綠光而使膽固醇液晶分子由planar結構轉成isotropic態所需的能量。此外,當照射的綠光關掉後,液晶盒的溫度因此降低,且低於相變溫度,此時,在未受光照射區域的各向同性DDCLC將會受表面PVA配向影響而回復到穩定的planar結構;然而,該效應在吸附有雜亂染料分子的區域是無效的,該區域最後會轉變成focal conic結構。根據夫瑞奈繞射理論,兩鄰近的夫瑞奈環之相位差為π,而被兩鄰近之Planar結構的夫瑞奈環反射的光之相位差為2π,反射光強度產生建設性疊加,亦即完成反射式夫瑞奈透鏡。

圖四(a)及(b)分別為偏光顯微鏡下觀察具夫瑞奈區塊板的光罩(無偏振片下觀察)及在DDCLC下所製成的反射式夫瑞奈透鏡(相互垂直的偏振片下觀察)。比較此兩圖,在光罩為透光(不透光)的偶數圈(奇數圈)下,所形成之DDCLC之反射式夫瑞奈透鏡之結構分別為focal conic及planar結構。
圖四 偏光顯微鏡所觀察之(a)具夫瑞奈區塊板的光罩;(b)所形成之反射式夫瑞奈透鏡。AT及AO代表透光及不透光區;AP及AF代表planar及focal conic結構。P及A代表起偏鏡與檢偏鏡之穿透軸

圖五為利用反射式夫瑞奈透鏡聚焦一道圓偏振紅光後,將屏幕置於焦點附近各位置所產生的圖像,圖中所見之交叉直線為屏幕上用以對焦的直線。焦點上所量測出的聚焦效率,亦即繞射效率約為23.7%,反射式夫瑞奈透鏡的聚焦效率定義為焦點上之光強度除以所有由planar結構膽固醇液晶所反射的光強度,該量測值幾乎與夫瑞奈光罩所量測出的一致(約25.6%),我們將夫瑞奈光罩之繞射效率定義為焦點上之光強度除以所有穿透光罩的光強度。
圖五 反射式夫瑞奈透鏡聚焦一道圓偏振紅光之圖像,透鏡與屏幕之間的距離分別為(a) 20公分;(b) 30公分;(c) 40公分;(d) 50公分;(e) 60公分。該夫瑞奈光罩設計使波長632.8奈米的光聚焦於約40公分處

圖六為反射式夫瑞奈透鏡聚焦效率隨外加交流電壓(1KHz)的變化,圖六中(a)代表未加電壓時的聚焦圖像。在加入少量電壓時(曲線前端),聚焦效率一開始時幾乎沒有改變,接著在外加電壓約3伏特時突然驟降,此時膽固醇液晶由planar結構轉變成focal conic結構,當外加電壓超過臨界電壓(約3伏特)後,聚焦效率降低至2%左右,最後趨於穩定。圖六中(b)表示當外加電壓達10伏特時的圖像,聚焦的效應已經消失。此外,當外加一較高電壓(約50伏特)後在迅速關掉電壓,聚焦的圖像會迅速地回復到如圖六中(a)的圖像。因此,反射式夫瑞奈透鏡可以電壓控制聚焦與否。聚焦效率10-90%及90-10%之反應時間以外加10伏特之交流電量測,其結果分別為620毫秒及5毫秒。

最後將樣品作熱處理以確認所製成的透鏡是可抹除及可覆寫的,首先我們將製成之反射式夫瑞奈透鏡樣品置放於溫度約80˚C的環境下10分鐘,雜亂吸附在基板上的染料分子由於受到熱擾動的影像而被抹除,圖七為樣品置於偏振片互相垂直的偏光顯微鏡下觀察的結果,圖七(a)及七(b)分別為夫瑞奈透鏡樣品在熱處理前與處理後的結果,熱擾動使吸附在基板上的染料分子脫附,因此,該樣品在溫度回復至低於該膽固醇液晶相變溫度後變回其最原始的planar結構。此外,若使用如圖二的實驗架設重新寫入已受熱處理之樣品,則反射式夫瑞奈透鏡可再現,如圖七(c)所示,其聚焦效率為23.1%,該量測值亦接近熱處理前的效率(23.7%)。因此,所製成的反射式夫瑞奈透鏡是可熱抹除及可光覆寫的。
圖六 反射式夫瑞奈透鏡聚焦效率隨外加交流電壓(1KHz)的變化。(a)和(b)分別代表未加電壓及加電壓(10V)之聚焦圖像。
圖七 樣品置於偏振片互相垂直的偏光顯微鏡下觀察的結果。(a)及(b)分別代表熱處理前及處理後夫瑞奈區塊之圖像;(c)為重新寫入之夫瑞奈區塊。P及A代表起偏鏡與檢偏鏡之穿透軸。
         
由上所述,本研究成功利用在DDCLC裡以染料吸附形成planar及focal conic的結構製作出一個夫瑞奈透鏡,該透鏡可利用入射光偏振之選擇決定該夫瑞奈透鏡為一反射式或半反半穿式透鏡,圓偏振光為反射式而線偏振光為半反半穿式。該反射式夫瑞奈透鏡之聚焦效率非常接近於夫瑞奈光罩所聚焦的效率,此外,此元件亦可電控、熱抹除及光重新寫入。
< 上一篇下一篇 >
Copyright National Cheng Kung University