第十卷 第四期 - 2009年八月二十八日 PDF
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具有高通與低通或陷波與帶通功能之可光控半反半穿空間濾波器於染料摻雜膽固醇液晶薄膜中之研究
葉蕙溱1、王建達1、羅國卿1李佳榮1,*、莫定山2

1國立成功大學光電科學與工程研究所   
2私立崑山科技大學電子工程學系
crlee@mail.ncku.edu.tw

APPLIED PHYSICS LETTERS Vol.92, p.011121 JAN 7(2008)

 
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近二十年,將光學傅立葉轉換技術運用在光學訊號處理研究上越來越引起廣泛注意。它具有許多淺力應用,例如文字辨識,邊緣訊號增強,影像加減處理,影像相關處理,醫療影像處理,及可控制性空間濾波處理等。本研究利用光同份異構效應引致染料摻雜膽固醇液晶薄膜之反射頻譜紅位移作用,發展出一個可光學控制之半反半穿空間濾波器。此空間濾波器可以經選擇不同入射光強度來加以控制光柵物光之穿透與反射繞射訊號分布,經由光學傅立葉轉換技術,得到不同的高通與低通或陷波與帶通影像訊號。

本研究所使用均勻混合材料為兩種右手螺旋之手性分子材料R1011與CB15(購自Merck)、向列相液晶ZLI 2806(n為1.4746,Δn為0.0437 於25˚C,購自Merck)以及偶氮染料4-Methoxyazobenzene(購自Aldrich)。ZLI 2806:CB15:R1011:偶氮染料之混合比例為24.8: 2.4: 2.1: 1。偶氮染料在染料摻雜膽固醇液晶混合物內占3.3wt%。空樣品盒是經由兩片ITO玻璃,中間夾有12μm厚之塑膠墊片所結合形成。此兩ITO玻璃已事先鍍上ㄧ層水平配向膜並以相同方向摩擦過。將染料摻雜膽固醇液晶混合物注入空樣品盒後便可形成平面(planar)染料摻雜膽固醇液晶(DDCLC)薄膜。

圖一 在圓偏振綠光(λG=514.5nm)雷射光束照射一分鐘後,染料摻雜膽固醇液晶薄膜的頻譜特性。其中,曲線(a)-(e)為綠光強度分別為0、8、20、50與61mW/mm2時得到的頻譜。插圖為使用輔助的樣品所得到的吸收頻譜,此樣品反射波帶事先調在紅光區(610–655 nm).
在執行相關可光學調控半反半穿空間濾波實驗之前,在綠光光束照射下對樣品反射頻譜的影響必須事先確知。結果如圖一所示,曲線(a)-(e)分別代表強度IG為0、8、20、50與 61mW/mm2的圓偏振綠光雷射光束(λG=514.5nm)照射DDCLC薄膜一分鐘後所得到的光譜特性。樣品在暗態時的中心波長已事先被設定在~498nm,其位置剛好在反射波帶(reflection band)的右邊邊界處(right edge),如此可保證綠光鮮少被反射(見圖一之曲線(a))。曲線(b)-(e)顯示出樣品反射波帶在綠光照射下會產生紅位移(red-shift),且強度越強,紅位移越多。眾所週知,偶氮染料先天存在有兩種可能結構: transcis同份異構物,其型態分別為長條狀與彎曲狀。ㄧ般而言,染料在暗態時會處於穩定的trans態,在適當波長光(通常為紫外或藍綠光)照射下會趨向轉變為cis態。此時,會引致膽固醇的螺距變長,進一步導致反射波帶的紅位移。越高的激光強度會產生越多的cis異構物,當然也會導致約多的紅位移現象,如圖一結果所示。圖一中的插圖表示為使用另一個反射波帶已事先調在紅光區(610–655nm)的輔助用樣品之染料的吸收頻譜。根據此插圖結果可知,圖一中在綠光區的穿透度下降是因為染料在此區會強烈吸收。實驗結果顯示,若綠光強度低於2mW/mm2,反射波帶無法產生紅位移。

圖二 研究可光調控半反半穿空間濾波器之實驗架設。樣品置於轉換平面(∑t),且其面法線與入射光束(Ei)夾45度。L1為轉換透鏡,L2與L3分別為穿透與反射繞射訊號之反轉換透鏡,∑it與∑ir分別為物的穿透與反射繞射訊號之像平面。
圖二顯示出使用染料摻雜膽固醇液晶薄膜研究可光調控半反半穿空間濾波器之實驗架設。利用ㄧ道圓偏振雷射綠光光束(Ei,514.5nm)經過一片黑白光柵光罩(物),其週期間隔為Λ=100μm,經繞射後得到一組新的平面波,每ㄧ平面波對應到一已知階數或空間頻率的繞射波。透鏡L1當做ㄧ轉換透鏡,藉以將經過光柵之訊號轉成Fraunhofer繞射圖樣於轉換平面∑t上,其中樣品以面法線與入射光束夾45度置於此轉換平面上。經過光柵的入射繞射圖樣之空間分佈可經由樣品後變成兩組互補的穿透與反射繞射圖樣。透鏡L2與L3能夠分別將穿透與反射繞射圖樣反轉換在穿透與反射像平面上(∑it與∑ir),藉以重建(reconstruct)光柵的穿透與反射影像。利用CCD像機(SONY Model SSC-DC50A)連結電腦置於∑it與∑ir上來記錄光柵之穿透與反射影像。數學上,經過黑白光柵的物場振幅分佈一般可用一個週期階梯函數來代表。第m階與第零階繞射光束之相對強度經傅立葉轉換計算為正比於sinc2(mπ/2)之函數,其中m為0、1、2、3、、、。可知,偶數階繞射階(m為2、4、6、、、)為零。所剩奇數階(m為1、3、5、、、)繞射強度隨m增加而遞減,這將使得越低階繞射波在樣品照射位置上所產生反射波帶的紅位移越多。

圖三表示為零階(0th-order)、ㄧ階(1st-order)與三階(3rd-order)繞射光經過樣品穿透與反射後的穿透率與反射率因應不同的入射零階或一階經光柵後強度的變化曲線。底部與頂部的水平軸分別代表入射零階與一階強度,簡稱為Ii0與Ii1。藉由遞增入射光場Ei強度,可遞增Ii0與Ii1。當Ii0被調為1.5、20、50m與61mW/mm2時,Ii1所測為分別近乎0.4、8、20與24mW/mm2。對於入射的mth繞射光束,其穿透率與反射率定義為入射的mth繞射光束經過與尚未經過樣品的穿透與反射強度比值。如圖三所示,對每個入射繞射光束而言,其穿透率與反射率對應Ii0 (或Ii1)之變化理應是互補的。在Ii0為1.5~61mW/mm2範圍內,由於任何入射高階(m≥3)繞射光束之強度皆過弱(≤2mW/mm2),因此其皆無法影響樣品之反射頻譜,因而這些高階繞射光束在照射樣品後的穿透率與反射率都一直維持在各自最大與最小(~零)值,例如圖三之三階繞射光束的情況。然而,零階與ㄧ階繞射光束的穿透與反射率會隨遞增Ii0(或Ii1)而有所強烈變化。在圖三,當Ii0為弱的1.5mW/mm2 或Ii1為弱的0.4mW/mm2時,零階與ㄧ階繞射穿透率(反射率)乃位於其最大值(最小值~零)。在第一間區裡,零階繞射穿透率(反射率)會隨遞增Ii0從1.5到20mW/mm2遞減至其最小值(遞增至其最大值),但ㄧ階繞射則隨遞增Ii1從0.4到8mW/mm2ㄧ直保持其最大穿透率與最小反射率。此結果顯示當Ii0為20mW/mm2或Ii1為8mW/mm2時,液晶樣品可當作一個穿透方為高通(除了零階,所有高階繞射光皆通過樣品)與反射方為低通(只有零階繞射光反射)之濾波器。以上零階繞射穿透率(反射率)的遞減(遞增)乃是由於在此區間遞增Ii0至IG=20mW/mm2時會使得所照樣品處之反射波帶紅位移,造成反射波帶覆蓋到λG,如圖一曲線(c)所示。然而當遞增Ii1至IG=8mW/mm2時,由於照射的樣品處反射波帶只有少量紅位移,因此一階繞射光束之穿透率(反射率)仍幾乎保持在其最大值(最小值)。
圖四 當Ii0為1.5 (a)、20 (b)、50 (c)與 61 (d) mW/mm2時,投射在Σit(∑ir)上之光柵重建後穿透(反射)影像。
圖三 零階(0th-order)、ㄧ階(1st-order)與三階(3rd-order)繞射光經過樣品穿透與反射後的穿透率與反射率因應不同的入射零階或一階(Ii0與Ii1) (經光柵)強度的變化曲線。底部與頂部的水平軸分別代表入射零階與一階強度。


在第二區間裡,當遞增Ii0從20到50mW/mm2時,零階繞射光束保持其最小穿透率與最大反射率,而當遞增Ii1從8到20mW/mm2時,一階繞射光束穿透率(反射率)會從其最大值遞減至最小值(其最小值遞減至最大值)。這結果表示當Ii0為50mW/mm2或Ii1為20mW/mm2時,液晶樣品可當成一穿透方為高通(除了零階與ㄧ階,所有高階繞射光皆通過樣品)與反射方為低通(只有零階與ㄧ階繞射光反射)之濾波器。以上一階繞射穿透率(反射率)的遞減(遞增)乃是由於在此區間遞增Ii1至IG=20mW/mm2時會使得所照樣品處之反射波帶紅位移,造成反射波帶覆蓋到λG,如圖一曲線(c)所示。隨著遞增Ii0從20到50mW/mm2,零階繞射光束一直維持其最低穿透率與最高反射率的原因是因為λG一直保持在樣品反射波帶範圍內,如圖一之曲線(c)與(d)所示。在第三區間裡,零階繞射光束穿透率(反射率)會隨遞增Ii0從50到61mW/mm2而遞增從其最小值至其最大值,ㄧ階繞射光束穿透率(反射率)則在遞增Ii1從20到24mW/mm2一直保持其最低穿透率與最高反射率。此實驗結果暗示了,當Ii0為61mW/mm2或Ii1為24mW/mm2時,樣品在此時對穿透方可當成一陷波濾波器(除一階之外,所有繞射光束皆通過),對反射方可當成一帶通濾波器(只有ㄧ階通過)。在此區間,隨遞增Ii0下,零階繞射光束的穿透率(反射率)隨之遞增(遞減)是由於遞增Ii0會使得在樣品照射處的反射波帶紅位移,導致λG在Ii0為IG=61mW/mm2時,完全脫離反射波帶,如圖一之曲線(e)所示。此時,由於Ii1 遞增從20到24mW/mm2時,λG仍在反射波帶內,因此一階繞射仍一直維持著其最低穿透率與最高反射率。綜合以上結果分析,藉由選擇不同入射光強度,可加以控制從此染料摻雜膽固醇液晶樣品穿透與反射之互補性繞射圖樣之空間分佈,藉此,此樣品即可當作ㄧ可光學調控之高通與低通或陷波與帶通空間濾波器。因此,投射於∑it與∑ir之重建後的穿透與反射影像可以加以控制。

圖四(a)-(d)分別代表當Ii0為1.5、20、50與61mW/mm2時,投射在∑it (∑ir)上的光柵重建之穿透(反射)影像。圖四可藉由與圖三結果作對比後加以分析。當Ii0為1.5mW/mm時,所有繞射階數皆可通過樣品,因此可以在∑it上獲得邊界清楚呈現的完整光柵影像(所觀測週期間隔為100μm),但在∑ir尚無任何重建影像。如圖四(a)所示。當Ii0為20mW/mm時,只有零階繞射光束被樣品反射,其他階數(m≥1)皆穿透,這使得分別在∑ir與∑it上重建的影像呈現出ㄧ片均勻亮度與ㄧ個模糊且灰暗的光柵影像(所觀測週期間隔為50μm),如圖四(b)所示。當Ii0為50mW/mm時,只有零階與ㄧ階繞射光束被樣品反射,其他階數(m≥1)皆穿透,這使得分別在∑ir與∑it上重建的影像呈現出ㄧ個帶有輕微模糊邊界的光柵影像(所觀測週期間隔為100μm)與ㄧ個整體陰暗但清晰的光柵影像(所觀測週期間隔為50μm),如圖四(c)所示。當Ii0為61mW/mm時,只有ㄧ階繞射光束被樣品反射,其他階數(m=0與m≥1)皆穿透,這使得分別在∑ir與∑it上重建的影像呈現出ㄧ個亮且清晰的光柵影像(所觀測週期間隔為50μm)與ㄧ個帶有模糊邊界的光柵影像(所觀測週期間隔為25μm),如圖四(d)所示。此外,使用傅立葉分析得到的模擬結果(在此沒有顯示)與圖四的實驗結果做比較,發現相當ㄧ致。
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