一种基于聚合物分散液晶的荧光开关研究.kdh
浅析小型聚合物分散液晶薄膜光开关
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald1281 基本原理(1)聚合物分散液晶的电控开关原理。
采用相分离的方式制作聚合物分散液晶的过程中，向列相液晶以极小的单位均匀地分散在固态有机聚合物体内，在没有电场的情况下，液晶呈现自由排列，光轴方向则呈现出无序取向状态，由于液晶材料的各向异性，及与基体间的折射率不相同，导致入射光呈现出半透明乳白态。
给液晶施加电场后，液晶受到电场的作用有序排列，从而使得液晶分子保持了光轴方向一致性，液晶分子的折射率和基体的折射率达到较高的一致性，使得入射光线可以透过材料，呈现出透明或者是半透明状态。
在没有外电场的作用后，液晶分子又会回到之前没有施加电压时的状态，呈现出散射态。
所以聚合物分散液晶可以在外电场的作用下表现出电控开关的特性。
(2)两片镀有ITO 导电层玻璃中间均匀地涂上液晶、预聚物和光导剂，形成厚度达几微米到几十微米不等的距离，这时候入射光照到玻璃时，就会形成明暗相间的干涉条纹而引发了液晶聚合物产生聚合和发散的作用过程。
在亮条纹处，液晶分子随着聚合物的作用而被强制移动，导致分离现象的产生，从而出现了条纹的作用不断变化，再根据液晶分子和聚合物自身的折射特性相结合，最终形成了聚合物分散液晶的全息光栅。
没有电场的作用时，符合条件的入射光经过光栅衍射的作用，导致出射光偏离。
通过电场的作用后，液晶分子受电场的影响，有序排列，使得光轴方向与有机聚合物相一致，使得光束正常透过，但是随电场的不断增加，光栅也会随之消失，衍射现在不再重复出现，此时入射光则按原路返回。
2 聚合物分散液晶的电光特性2.1 聚合物分散液晶的制备聚合物分散液晶的制备一般采用封装法和相分离法。
将聚合物和液晶均匀地混合在一起制备聚合物分散液晶的方式成为相分离法，通常有聚合引发相分离、热引导相分离和溶剂诱导相分离3个方式。
聚合引发相分离主要是通过聚合反应将液晶分子析出小微粒，再慢慢扩张变大以填满聚合物的空间不能移动为止，可以通过使用激光诱导，使得液晶和聚合物相分离的过程。
聚合物分散液晶_PDLC_光开关研究
文章编号:1005—5630(2002)03—0028—06聚合物分散液晶(PDLC )光开关研究顾玲娟,郑继红,陈 刚,庄松林(上海理工大学光电学院,上海200093) 摘要:聚合物分散液晶材料具有电控开关特性,利用材料的这一特性制成聚合物分散液晶光栅则具有衍射特性的电场可调性。
理论和实验表明,采用一定的材料配方和工艺,可以获得理想的聚合物分散液晶全息光栅,若干个不同频率的光栅叠加可以制成实现多点光切换的光开关。
关键词:聚合物分散液晶;全息光栅;衍射;电控效应;光开关中图分类号:O 753+.2 文献标识码:AThe study of polymer -dispersed liquid crystal (PDLC )optical switchingGU L ing -j uan ,ZH E NG J i -hong ,CH EN G ang ,ZH UA N G S ong -lin(Colleg e of Optics and Electro nics,U niv ersit y of Shang hai for Science and T echnolog y ,Shang hai 200093,China ) Abstract :Because the director o f nematic liquid cry stal can be controlled by the ex ternal electric field and the PDLC film s can mo dulate light thro ug h a co ntrollable scattering effect,the diffractive lig ht in-tensity o f PDLC g rating can also be mo dulated by electric field.Acco rding to optical theories and thro ug h many ex periments ,now w e can obtain ideal PDLC holographic g ratings utilizing special recipe and tech-nique .A nov el o ptical switching can be produced by the super position of such PDLC grating s w ith differ -ent spatial frequencies.Key words :polym er -disper sed liquid cry stal;holog raphic g rating ;diffraction;electrical controllable effect;optical switching1 引 言光开关器件是光通讯网络中重要的光源器件,在波长的选择、网络的自愈保护中都是必不可少的。
聚合物分散液晶(
聚合物分散液晶(PDLC是由液晶分子和聚合物相互作用形成的复合材料，液晶分子通常是低分子量的液晶化合物，而聚合物则可以是任何适合与液晶分子相容的高分子材料。
在PDLC中，液晶分子被均匀地分散在聚合物基质中，形成具有液晶分子排列的微小液滴或胞状结构。
这种结构可以通过控制聚合物的结构和处理条件来调整，从而实现液晶分子的有序排列。
PDLC具有许多独特的性质和应用前景。
首先，PDLC具有电控光学特性，即可以在外部电场的作用下改变液晶分子的排列方式，从而改变材料的折射率和散射光强度。
通过调节电场的强度和方向，可以实现PDLC的透明和散射切换，从而实现液晶分散态和液晶细胞态之间的切换。
这种电控光学特性使得PDLC成为一种非常有吸引力的可调谐光学材料，可以广泛应用于光学调制、自适应光学器件和光学显示等领域。
其次，PDLC还具有可触发可见光、红外光和紫外光响应的能力。
这意味着PDLC可以通过外界刺激（如热量或光线）来调整其光学性能，比如透明和散射的临界点、响应速度和稳定性。
这种响应性使得PDLC在光学记录、信息存储和光敏材料等领域有着广泛的应用潜力。
此外，PDLC还具有可塑性和可加工性的优势。
由于PDLC是由液晶分子和聚合物相互作用形成的复合材料，可以通过调整聚合物的组成和处理条件来控制PDLC的力学性能和形状。
因此，PDLC可以制备成各种形状和结构，如薄膜、纤维和微粒等，并且可以使用传统的高分子材料加工技术进行加工和成型。
综上所述，PDLC作为一种特殊的液晶材料，具有独特的电控光学性质、自响应能力和可塑性，并有广泛的应用前景。
未来，随着对光学材料性能和功能要求的不断提高，PDLC有望在光学通信、信息显示、生物医学和光电器件等领域发挥更重要的作用。
溶致相分离法制备聚合物分散液晶光开关
2008年6月第22卷第2期阴山学刊YINSHAN ACADEMIC JOURNALJun.2008Vo1.22No.2溶致相分离法制备聚合物分散液晶光开关X刘桂香(包头师范学院物理系,内蒙古包头014030)摘要:以溶致相分离的方法制备了PMMA基的PDLC,并首次对影响其光开关效应的因素做了较为系统的研究。
结果表明,液晶含量从40%增加到50%使得PDLC体系的透过率升高了近20%(从62%到80%),从而减弱了光开关效应。
进一步增加液晶含量不提高体系的透过率,却使光开关效应愈发不明显;固化温度从室温(22度)增大到液晶清亮点附近(55度)则显著提高了光开关效应。
关键词:PMMA;溶致相分离;PDLC;光开关效应中图分类号:O631124文献标识码:A文章编号:1004-1869(2008)02-0015-031引言光开关是光交换的核心器件,也是影响光网络性能的主要因素之一。
作为新一代全光网络的关键器件,引起了众多关注[1-3]。
目前的光开关器件一般都采用机械方法实现,以微型马达驱动光纤位置或者驱动反光镜的方法实现光传播方向的切换,响应速度比较慢、体积缩小困难,难以适应使用的需要。
国际上对光开关的研究集中在PDLC、平面波导技术和ME MS等方面。
其中PDLC以其简便的制备方法、快速的开关速度(毫秒级)以及稳定的物理性能等特点引起了人们的兴趣。
近几年对PDLC的制备都集中在光致聚合相分离上,但光致相分离的制备过程中需要各种添加剂会对液晶产生损害。
溶制相分离法制备PDLC具有操作简单、过程容易控制等优点,且不需任何添加剂,不失为一种值得研究的方法。
PMMA是一种惰性聚合物,能提高系统的稳定性,且PMMA光学特性优良,白光透过率高达92%,具有较低的双折射,因而是PDLC基底的合适对象。
目前对PMMA基、溶致相分离法制备PDLC的研究很少,而且研究的也不够全面[4]。
本文以自制的PMMA和TEB-30A液晶为原料,N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,不添加任何添加剂,以溶致相分离的方法制备了PDLC膜,通过样品的透过率/电压曲线,系统地研究了材料配比和固化温度这两大主要因素对PDLC光开关性能的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一种基于聚合物分散液晶的荧光开关研究王 芬，谭炳辉，潘雪丰，陶卫东＊（宁波大学理学院，浙江宁波３１５２１１）摘要：利用聚合物分散液晶（ＰＤＬＣ）开关特性并与固化荧光材料的特性相结合，制备出一种新型的、具有荧光效应并且荧光激发可由电场调控的荧光开关。
用蓝色ＬＥＤ入射到开关器件，通过调制施加在开关上的驱动电压，当光开关关闭时可阻挡蓝色ＬＥＤ光通过，抑制荧光的产生，当光开关开启时，可在散射光路中探测到明显的荧光产生。
实验发现，驱动电压在０～１２０Ｖ间，荧光光强能够实现近似线性的调制。
关键词：荧光开关；聚合物分散液晶（ＰＤＬＣ）；荧光素中图分类号：ＴＮ３８９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－００８６（２０１１）０４－０５２０－０４Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＤＬＣＷＡＮＧ Ｆｅｎ，ＴＡＮ Ｂｉｎｇ－ｈｕｉ，ＰＡＮ Ｘｕｅ－ｆｅｎｇ，ＴＡＯ Ｗｅｉ－ｄｏｎｇ＊（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｉｎｇｂｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ（ＰＤＬＣ）ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｏ－ｌｉｄｉｆｉｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ，ａ ｎｏｖｅｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ ｉｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｔｈｅ ｂｌｕｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｅｎｔｅｒｅｄ ｔｈｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ，ａｎｄａｎ ａｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ ＰＤＬＣ ｆｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ ｗａｓ ｉｎ ｏｆｆ－ｓｔａｔｅ，ｔｈｅ ｂｌｕｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｗａｓ ｉｎｈｉｂｉｔｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ ｗａｓ ｉｎ ｏｎ－ｓｔａｔｅ，ｔｈｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｗａｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎ－ｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｃａｎ ｂｅ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｗｈｅｎ ａｎ ａｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏ－ｔｅｎｔｉａｌ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ０ｔｏ １２０Ｖ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈ；ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ（ＰＤＬＣ）；ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ１ 引 言 近年，聚合物分散液晶（ＰＤＬＣ）由于响应时间快和物理性能稳定等特点，引起广泛关注［１，２］，已被使用于光阀、全息光栅、显示器、投影仪、光学计算处理、三维图像显示和光电开关等中［３～６］。
荧光素（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）是一种橙红色的有机物［７］，具有良好的热稳定性、光稳定性和优越的光电性质，当一定强度的光照射到荧光材料时能吸收短波长的光从而激发出较长波长的荧光光谱［８～１１］。
以往对荧光素的研究，一般针对的是其液态［１２，１３］，然而要作为器件能够被实际应用，需要对荧光素进行固化。
本文采用溶胶凝胶技术对其进行固化，并结合ＰＤＬＣ制备技术制备出具有荧光效应的并由电场调控的荧光开关器件。
该荧光开关具有响应时间短、灵敏度高、操作简便和输出信号易检测。
预计可以应用于智能化的生物传感器，还有可能在环境分析、临床医学和显微技术等领域得到广泛应用。
２ 器件制备 首先，将溶胶凝胶法合成的聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）和液晶ＴＥＢ－３０Ａ以２∶３的质量比混合并均匀搅拌，用匀胶机将混合溶液均匀甩膜于ＩＴＯ玻璃导电面，设定匀胶机转速为９００ｒｐｍ。
固化后形成ＰＤＬＣ膜，将另一ＩＴＯ覆盖到膜上，使电极相对，控制膜厚度约为４０μｍ。
其次，将０．５ｇ荧光素粉末溶于１５ｍｌ无水乙醇溶液中，搅拌均匀，制成溶液１。
取０．５ｇ过氧化二苯甲酰溶于１０ｍｌＭＭＡ中，搅拌至均匀，然后，取５ｍｌ溶液１加入其中，再搅拌均匀，置于９０℃烘箱中使其聚合。
涂抹在ＩＴＯ玻璃导电面，固化后形成荧光薄膜，测得膜厚约为１．３６０ｍｍ。
最后，所有膜制作完成，根据图１所示光开关的结构，制成具有层状复合结构的荧光开关器件。
测试过程中，以ＰＤＬＣ液晶盒面为入射面，光线通过ＰＤＬＣ层，然后照射荧光薄膜层上。
光电子·激光第２２卷第４期 ２０１１年４月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ·Ｌａｓｅｒ Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．４ Ａｐｒ．２０１１＊ Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｏｗｅｉｄｏｎｇ＠ｎｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１０－０８－０３ 修订日期：２０１０－１０－２４基金项目：宁波市自然科学基金资助（２００９Ａ６１００１１）图１ 荧光开关结构及光路检测装置示意图Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｓｔ ｄｅｖｉｃｅ３ 实验装置与测试 荧光开关的检测与装置如图２所示。
光源ＬＥＤ垂直入射，入射光通过透镜会聚直接入射到开关上，使用ＵＳＢ４０００光纤光谱仪（采购ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ公司）为探测器（接收角度为６７．５°），在ＰＤＬＣ膜层上施加驱动电压，测得散射光路的光强变化，光谱仪连接到计算机软件输出端，从而实现实验过程的同步显示。
如图２所示。
图２ 器件、液态荧光素和ＬＥＤ的光谱图Ｆｉｇ．２ Ｓｐｅｃｔｒｕｎｍ ｏｆ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ａｎｄ ＬＥＤ４ 结果分析与讨论４．１ 开关效应 测试驱动电压与荧光开关的特性关系时，光谱仪输出端的连续光谱上有两个峰值，一个为波长４６８ｎｍ蓝光，另一个为波长５１５～５４５ｎｍ的荧光带。
调节驱动电压在０～２４０Ｖ变化时，光谱图如图３所示。
当荧光开关的ＰＤＬＣ膜未施加电压时，光纤光谱仪检测到的４６８ｎｍ蓝光很强，光强峰值Ｉ１约为３０ ５９８．７ａ．ｕ，而在５１５～５４５ｎｍ的荧光带微弱，光强峰值Ｉ２约为１１ ５９９．４ａ．ｕ（消除噪声干扰），Ｉ１／Ｉ２＝１３／５，此时定义为关态；调节驱动电压在２０～２４０Ｖ变化时，光谱仪探测４６８ｎｍ蓝光光强明显减弱且减弱的趋势很大，而荧光带明显产生（消除噪声干扰）且荧光光强增强趋势很稳定，实现了荧光开关的效果。
由图４可见，在波长５１５～５４５ｎｍ的峰值位置强度变化显著。
基于ＰＤＬＣ原理的荧光开关器件显示出开关特性。
图３ 光谱图Ｆｉｇ．３ Ｓｐｅｃｔｒａ 这种开关效应原理是与ＰＤＬＣ材料的特性有关。
由于制作的ＰＤＬＣ膜，在无外加电压施加在ＰＤＬＣ上时，膜间不能形成有规律的电场，液晶微粒呈现无序状态，其有效折射率不与聚合物基体折射率匹配，入射光被ＰＤＬＣ膜强烈散射几乎没有光透过，开关不透明，照射在荧光薄膜的光很弱几乎难以激发荧光，因此产生荧光很弱；当外电场增加时，液晶微粒呈有序状态，即与电场方向一致，微粒的寻常光折射率与聚合物基体的折射率基本匹配，ＰＤＬＣ膜逐渐透明，入射光通过ＰＤＬＣ膜后，透射光增强照在荧光薄膜，使荧光材料吸收一定的光能从而激活荧光的产生，因此产生明显的５１５～５４５ｎｍ荧光效应。
４．２ 光电调制特性 在实验条件不变的情况下，对施加在荧光开关上的驱动电压进行调制。
以２０Ｖ为步长，从０Ｖ逐步增加至２４０Ｖ，记录输出蓝光与荧光带光强的数据并作处理。
将测得数据根据对应光谱仪的读数取最大值，得到蓝光、荧光光强度与驱动电压对应关系如图４所示。
由图４可以看出：图４ 蓝光、荧光光强度与驱动电压对应关系及拟合曲线Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆＬＥＤ ａｎｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ·１２５·第４期 王 芬等：一种基于聚合物分散液晶的荧光开关研究 １）随着驱动电压的增加，探测到曲线１蓝光光强递减快，其原因是该器件对入射光随着电压的增加透射光增强，因此散射光减弱。
用函数对离散数值进行拟合得 ｙ１＝０．２７８ｘ２－１６６．５ｘ＋３．１７３ｅ（１）可知，在０～２４０Ｖ间总体满足二次多项式曲线规律，得到一拟合渐近线。
从曲线中可观察到，当电压超过１２０Ｖ以后，蓝光光强几乎不变，接近某一定值。
２）随着驱动电压的增加，探测到曲线２荧光光强逐渐递增，原因是该器件随着透射光的增加吸收一定的光能，从而激发荧光产生。
用函数对离散数值进行拟合得 ｙ２＝－０．１５９ｘ２＋７６．３４ｘ＋１．１６ｅ（２）可知，在０～２４０Ｖ间总体满足二次多项式曲线规律，得到一拟合渐近线。
电压超过１２０Ｖ以后，荧光光强几乎不变，接近某一定值。
具体分析图４测得的数据，有两点需要注意：１）当驱动电压低于１２０Ｖ时，０、２０、４０、６０和１２０Ｖ对应的荧光光强峰值Ｉ２依次为１１５９９．４、１３０６２．４、１４３９７．４、１５６０４．６、１６６８３．８、１７６３５和１８４５８．７ａ．ｕ。
蓝光光强峰值Ｉ１依次为３０５９８．７、２９２２８．６、２６４５１．６、２３１６２．５、１９８５５．１、１７４４６．７和１５５０１．１ａ．ｕ，其比值Ｉ１／Ｉ２依次约为１３∶５、１１∶５、９∶５、７∶５、６∶５、１∶１和４∶５。
经计算可知，这组数据在０～１２０Ｖ的可调电压范围中，蓝光光强变化是线性递减规律（曲线１的虚线所示），拟合得到的曲线为 ｙ′１＝－１３４．７４ｘ＋３１２６２（３）但是荧光光强变化在０～１２０Ｖ的可调电压范围中是线性递增规律（曲线２的虚线所示），拟合得到的曲线为 ｙ′２＝５７．１６ｘ＋１１９１０（４） 实际数据与拟合值误差很小，这为连续稳定的调制荧光光强提供依据。
２）当电压超过１２０Ｖ时，荧光带的光强增幅值下降，１８０与２００、２２０Ｖ荧光带的光强接近一样，电压１４０～２４０Ｖ间的曲线，虽然强度增加，但递增量渐趋饱和。
由此说明，荧光带的光强能够由可调驱动电压实现调制，调制幅度广、调程大，输出荧光带的光强可从最小值约为１００００增至约为２００００ａ．ｕ。