專利名稱：利用層狀復(fù)合液晶薄膜的微弱信號(hào)放大器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光折變層狀液晶器件的制備及相干光學(xué)放大技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
在上個(gè)世紀(jì)九十年代之前，光折變材料主要集中在無機(jī)晶體材料。1991年，Ducharme 首次在有機(jī)聚合物材料bisA-NPDA:DEH中發(fā)現(xiàn)了光折變效應(yīng)。之后，有機(jī)光折變材料因其 制備工藝簡(jiǎn)單、改性容易、成本低廉而受到人們的廣泛關(guān)注。1994年，向列液晶光折變材料 首次被報(bào)道。作為一種有機(jī)光折變材料，與傳統(tǒng)的品體材料相比，液晶具有成本便宜，樣品 制備容易、能夠與電子器件集成等優(yōu)點(diǎn)；在有機(jī)光折變材料中，液晶材料的工作電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 低丁聚合物材料，而且它還具有很高的敏感性。因此，自從1994年首次報(bào)道液晶中的光折變 效應(yīng)，它立即引起了研究者的極大興趣。
當(dāng)前，在單層液晶薄膜中報(bào)道的最高的信號(hào)增益系數(shù)高達(dá)3000cm—1，所需的外加電場(chǎng)為 0.3V/nm、泵浦光功率為 140mW，且能夠響應(yīng)的弱信號(hào)光的功率為O.lmW的量級(jí)。然而， 由于制備工藝等方面的原因，液晶樣品最大厚度被限制在一百微米左右，這樣一來小的樣品 厚度(即小的稱合作用長(zhǎng)度)使得大的增益系數(shù)并不一定能產(chǎn)生大的信號(hào)增益，最終只能獲 得十幾倍的增益，這極大地限制了液晶器件在小信號(hào)放大、相位共軛、新型濾波、光限幅、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有超高光學(xué)敏感度和增益值高達(dá) 4000，能耗小、成本低廉、 易于集成的層狀液晶薄膜光學(xué)放大器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件是利用環(huán)氧膠將光學(xué)質(zhì)量良 好的向列液晶盒平行地粘接在一起制備而成的含有一組液晶盒的層狀結(jié)構(gòu)元件，其中每一層 液晶薄膜均外加電壓，液晶盒由兩塊經(jīng)過表面處理的ITO玻璃和液晶薄膜組成。
本發(fā)明的另一目的在于提供這種層狀液晶器件的制備方法及小信號(hào)放大系統(tǒng)。
本發(fā)明的層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件經(jīng)由以下兩步制備而成。第一步為單個(gè)液晶盒的制 備，具體制備過程如下
1) 利用超聲波清洗儀將ITO玻璃基底分別用丙酮和去離子水多次清洗后，用烘箱將其
烘干；
2) 在清潔的ITO表面h鍍一層表而取向?qū)?，使得液晶分子在ITO表面整齊定向排列；
3) 利用聚酯墊片將兩塊鍍有表面取向?qū)拥腎TO玻璃基底隔開，將兩塊ITO玻璃相互平行的兩個(gè)端面用環(huán)氧膠粘合起來，放置24小時(shí)后環(huán)氧膠將完全凝固；
4)利用表面張力將摻雜光敏劑的向列液晶灌入3)中給出的、由兩塊ITO玻璃組成的盒中。
通過上述過程就可以制備出光學(xué)質(zhì)量良好的、液晶指向矢垂直于ITO玻璃表面的液晶盒， 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。第二步將第步獲得的光學(xué)質(zhì)量良好的液晶盒平行地用膠粘接在 一起，制備出含有多個(gè)液晶盒的層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件，其中每一層液晶薄膜的外加屯 壓都可以單獨(dú)控制，見圖2。
本發(fā)明的層狀液晶器件小信號(hào)放大系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖2和圖3所示1)從激光器(Laser)
發(fā)出的光束經(jīng)由半波片(X/2)和偏振片(P)后成為水平偏振入射光，經(jīng)由反射鏡M,改變方
向后的入射光利用分束比可調(diào)的分束鏡(BS)進(jìn)行分束，分為位于分束鏡(BS)的反射光路 上的信號(hào)光和位于分束鏡(BS)的透射射光路上的泵浦光，其中泵浦光的強(qiáng)度可由中性衰減片
(A)來調(diào)控；2)信號(hào)光和泵浦光分別經(jīng)由反射鏡M2和M3改變方向后約以1?；蚋〉膴A角
相交(即(《-《)*1°或更小)，并在液晶薄膜中產(chǎn)生空間周期與單層液晶薄膜厚度相當(dāng)或更
大的強(qiáng)度分布圖樣；3)將層狀液晶樣品(Sample)放置于泵浦光/ia和信號(hào)光/2。形成的干涉場(chǎng)
中，樣品的法線與兩束記錄光的角平分線的夾角(0,+《)/2可取能夠記錄光柵的任意角度；4)
在每層液晶薄膜兩端都施加大小且極性相同的外加直流電壓，信號(hào)光和泵浦光會(huì)在每層液晶 薄膜內(nèi)形成薄的非局域光柵，從而可以實(shí)現(xiàn)泵浦光向信號(hào)光的非對(duì)稱能量轉(zhuǎn)移，其中小信號(hào)
放大增益定義為加載泵浦光后與加載泵浦光前的信號(hào)光的透射光強(qiáng)/2,之間的比值。
木發(fā)明提供的具有超高光學(xué)敏感度和增益的層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件，其特點(diǎn)有a) 它是將光學(xué)質(zhì)量良好的、摻雜光敏劑的向列液晶盒平行地粘接在一起制備而成的多層結(jié)構(gòu)， 可以有效地增加非線性媒質(zhì)(液晶薄膜)的有效厚度和液晶器件的敏感度；b)每一層液晶薄 膜的外加電壓都可以單獨(dú)控制；c)液晶薄膜中能夠記錄明顯的非局域光柵要求光柵間距在幾 十微米的量級(jí)上(即該光柵工作在薄光柵機(jī)制下)，閑而層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件要求信號(hào) 光和泵浦光之間的夾角約為1°或更??；d)提供信號(hào)光和泵浦光的激光器可以為能夠在摻雜光 敏劑的向列液晶樣品中記錄非局域薄光柵的任意波長(zhǎng)的激光器。
而具有超高光學(xué)敏感度和增益的小信號(hào)放大系統(tǒng)，其特點(diǎn)有
1) 信號(hào)光可以是一束未加載圖像的激光束，也可以是一束加載圖像信息的激光朿；
2) 信號(hào)光與泵浦光之間的夾角約為1°或更??；
3) 液晶盒表面法線與信號(hào)光和泵浦光之間的角平分線的夾角為能夠記錄光柵的任意角度；
4) 在進(jìn)行小信號(hào)放大過程中，每層液晶薄膜兩端均施加極性和大小相同的直流驅(qū)動(dòng)電 壓，通過控制外加直流電壓的極性使得信號(hào)光被放大；
5) 6層液晶薄膜光學(xué)放大元件非常適合于0.1pW或更弱的微弱信號(hào)的放大應(yīng)用；
6) 6層液晶薄膜光學(xué)放大元件工作時(shí)所需的外加驅(qū)動(dòng)能耗較低，其中外加直流驅(qū)動(dòng)電場(chǎng) 僅為0.05 V/pm左右，外加泵浦功率僅為10mW左右。
本發(fā)明通過平行粘接液晶盒的方法制備出含有多個(gè)液晶盒的層狀液晶薄膜光學(xué)放大器， 該方法可以顯著提高液晶非線性媒質(zhì)的光學(xué)敏感度和有效厚度。利用摻雜光敏劑的向列液晶 作為非線性媒質(zhì)，對(duì)于單層液晶薄膜厚度為20nm的6層液晶薄膜光學(xué)元件而言，信號(hào)光的 功率低于lnW時(shí)可以獲得高達(dá)2000以上的增益；當(dāng)信號(hào)光的功率為10nW時(shí)，該信號(hào)光可 以與幾毫瓦的泵浦光記錄很強(qiáng)的光柵，此時(shí)高階衍射非常顯著，在高階衍射的抑制作用下小 信號(hào)增益的最大值僅為-200。對(duì)于一個(gè)功率為O.lpW的極其微弱的信號(hào)光而g ，在0.06V/)am 的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)和8mW的泵浦光作用下經(jīng)由該6層液晶薄膜層狀光學(xué)元件后實(shí)現(xiàn)了可與幾毫米 厚的光折變晶體中相媲美的、高達(dá) 4000的增益值(通常的光折變晶體對(duì)應(yīng)的增益值為幾百 到一千左右)。本發(fā)明能耗小、成本低廉、易于集成的液晶放大器件非常適用于小信號(hào)放大、 相位共軛、新型濾波等應(yīng)用。
(四)


圖1是單個(gè)液晶盒的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件及其二波耦合光路示意圖； 圖3是小信號(hào)放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
1. 6層液晶薄膜樣品的制備 1)單個(gè)液晶盒的制備
第一步利用超聲波清洗儀將厚度為l.lmm、面積為2x2.5cn^的ITO玻璃基底分別用丙 酮和去離子水多次清洗后，用烘箱將其烘干；
第二步以向列液晶E7(E7是共晶液晶混合物，其由質(zhì)量百分比分別占51%、25%、 16% 和8%的分子形狀均為棒狀的液晶5CB、K21、M24和T15混合而成，熔點(diǎn)和清亮點(diǎn)分別為-10。C 和61°C)作為非線性光學(xué)材料，將質(zhì)量百分比為0.05%的C6o摻雜到E7中來提高液晶樣品的
光學(xué)敏感度，并利用超聲波清洗儀振蕩的方法使得C60在液晶中快速溶解；
第三步配置質(zhì)量百分比為萬分之一的HTAB的乙醇溶液，利用表面摩擦的方法在ITO玻璃基底1表面上鍍一層HTAB膜，形成表面取向?qū)樱?br> 第四歩利用厚度為20pm聚酯墊片將兩塊鍍有HTAB膜的ITO玻璃基底隔開，將兩塊 ITO玻璃基底相互平行的兩個(gè)端面用環(huán)氧膠粘合起來，放置24小時(shí)后環(huán)氧膠將完全凝固；
第五步將摻雜C6o的向列液晶E7和第四步制備而成的由兩塊平行的ITO玻璃組成的盒 放置到烘箱中加熱，快速升溫至80。C;
第六步在80。C下，利用滴管將摻雜C60的液晶灌入第四步給出的、由兩塊平行的ITO 玻璃組成的盒中，并在該溫度下保持3-5鐘；
第七步緩慢降溫至室溫，制得光學(xué)質(zhì)量良好的、液晶指向矢垂直于ITO玻璃表面的液
晶盒，結(jié)合圖l， ITO玻璃l與液晶薄膜2之間是表面取向?qū)?。 2)液晶層狀結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)
第一步將一個(gè)液晶盒的玻璃表面兩側(cè)邊緣處分別放置兩個(gè)面積約為2x2mm2、厚度為 20nm聚酯墊片，并在玻璃表面兩側(cè)邊緣處未放置墊片的位置處涂少許的環(huán)氧膠；
第二步將第二個(gè)液晶盒以垂直第一個(gè)盒的方向(這里的"垂直"的意思是組成第一個(gè)液
品盒的玻璃的2.5mm的棱垂直與組成第二個(gè)液晶盒的2.5mm的棱)輕輕地平放到上一個(gè)液晶 盒上面，并確保兩個(gè)液晶盒中所含的液晶薄膜2的重疊區(qū)域盡可能大；
第三歩重復(fù)第一步和第二步，依次以同樣的方式將6個(gè)液晶盒疊放在一起；
第四步放置24小時(shí)后粘接液晶盒的環(huán)氧膠將完全凝固，制得含有6層液晶薄膜2的層
狀液晶樣品。
2.利用6層液晶薄膜樣品作為非線性媒質(zhì)的微弱信號(hào)相干放大系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)裝置如圖2和3所示，實(shí)驗(yàn)中采用波長(zhǎng)為488nm的Ar+激光器作為光源。將Ar+激光
器發(fā)出的激光束經(jīng)由半波片(人/2)和偏振片(P)后成水平偏振光，分束比可調(diào)的分束鏡
(BS)將該水平偏振光分為兩束相干的記錄光，二者約以1。的夾角相交于6層液晶薄膜樣品 上，從而在液晶薄膜中產(chǎn)生了空間周期約為28pm的強(qiáng)度分布圖樣。樣品的法線與兩束記錄 光的角平分線的夾角為45。。其中一束記錄光為功率在幾毫瓦到十幾毫瓦的泵浦光，記為光 束l，另一束記錄光為功率在微瓦量級(jí)的弱信號(hào)光，記為光束2， 二者的強(qiáng)度大小和比值可由 分束鏡(BS)和位于泵浦光光路上的中性衰減片(A)來調(diào)控。泵浦光和信號(hào)光在射入樣品
時(shí)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分別記為/1()和/2。，且在樣品處的光斑直徑分別為3mm和lmm。由一個(gè)外加直
流電源同時(shí)對(duì)每層液晶盒施加大小為1.2V的驅(qū)動(dòng)電壓，并通過調(diào)節(jié)直流電壓的極性確保在二 波耦合過程中從泵浦光向信號(hào)光方向轉(zhuǎn)移能量。
對(duì)于工作在薄光柵機(jī)制下的液晶薄膜而言，由于高階衍射的影響并同時(shí)考慮液晶樣品的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)(具體的動(dòng)態(tài)散射閾值與外加直流電壓、樣品的組成和制備工藝有關(guān))，大的增 益的獲得需要液晶薄膜放大器件同時(shí)具備超高的光學(xué)敏感度和大的耦合作用長(zhǎng)度。對(duì)于本發(fā) 明所使用的20nm厚的單個(gè)液晶盒而言，當(dāng)外加直流驅(qū)動(dòng)電壓為1.2V時(shí)信號(hào)光與泵浦光耦合 過程中對(duì)應(yīng)的泵浦光的動(dòng)態(tài)散射閾值為 20mW，其能夠響應(yīng)的信號(hào)光的最小功率為 40mW。 通過將液晶盒平行地用膠粘接在一起制備而成6層液晶薄膜樣品的方法，不僅有效地增加了 信號(hào)光和泵浦光之間的耦合作用長(zhǎng)度，還將能夠響應(yīng)的信號(hào)光的最小功率降低到0.1^W以下， 從而使得液晶薄膜器件中實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的放大和大的小信號(hào)增益的獲得成為可能。
當(dāng)信號(hào)光的功率為10pW時(shí)，在1.2V的外加直流電壓作用下該信號(hào)光可以與幾毫瓦的泵 浦光記錄很強(qiáng)的光柵，此時(shí)高階衍射非常顯著。因而，在從0.5mW到10mW增加泵浦光功 率的過程中，小信號(hào)增益初始隨著泵浦光功率的增加而增加，并于泵浦光功率為6mW時(shí)獲 得最佳的增益值-200，之后在高階衍射的抑制作用下小信號(hào)增益開始下降。固定外加電壓為 1.2V，當(dāng)信號(hào)光的功率為lpW以下時(shí)，在一束功率為 10mW的泵浦光作用下(此時(shí)對(duì)應(yīng)的 泵浦光/信號(hào)光的光強(qiáng)比可以高達(dá)106以上)6層液晶薄膜樣品可以實(shí)現(xiàn)2000以上的增益。對(duì) 于一個(gè)功率為O.lpW的極其微弱的信號(hào)光而言，在0.06V/pm的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)和8mW的泵浦光 作用下經(jīng)由6層液晶薄膜層狀光學(xué)元件后實(shí)現(xiàn)了可與幾毫米厚的光折變品體中相媲美的、高 達(dá)~4000的增益值。
權(quán)利要求
1、一種利用層狀復(fù)合液晶薄膜的微弱信號(hào)放大器，其特征是該層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件是利用環(huán)氧膠將光學(xué)質(zhì)量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起制備而成的含有一組液晶盒的層狀結(jié)構(gòu)元件，其中每一層液晶薄膜均外加電壓，液晶盒由兩塊經(jīng)過表面處理的ITO玻璃和液晶薄膜組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用層狀復(fù)合液晶薄膜的微弱信號(hào)放大器的制備方法，其特征是 首先利用表面張力將摻雜光敏劑的向列液晶灌入由兩塊經(jīng)過表面處理的ITO玻璃組成的盒后 制備出單個(gè)液晶盒；然后將一個(gè)液晶盒的玻璃表面兩側(cè)邊緣處分別放置兩個(gè)面積較小的聚酯 墊片，并在玻璃表面兩側(cè)邊緣處未放置墊片的位置處涂環(huán)氧膠；之后把第二個(gè)液晶盒以垂直 第一個(gè)盒的方向平放到上一個(gè)液晶盒上面，并確保兩個(gè)液晶盒中所含的液晶薄膜的重疊區(qū)域 盡可能大；重復(fù)上述兩個(gè)歩驟，依次以同樣的方式將一組液晶盒疊放在一起，制得的含有一 組液晶盒的層狀液晶薄膜微弱信號(hào)放大器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用層狀復(fù)合液晶薄膜的微弱信號(hào)放大器的制備方法，其特征是 所述的單個(gè)液晶盒的制備具體制備過程如下1) 利用超聲波清洗儀將ITO玻璃基底分別用丙酮和去離子水清洗后，用烘箱將其烘干；2) 在清潔的ITO表面上鍍一層表面取向?qū)?，使得液晶分子在ITO表面整齊定向排列；3) 利用聚酯墊片將兩塊鍍有表面取向?qū)拥腎TO玻璃基底隔開，將兩塊ITO玻璃相互平 行的兩個(gè)端面用環(huán)氧膠粘合起來，放置24小時(shí)后環(huán)氧膠將完全凝固；4) 利用表面張力將摻雜光敏劑的向列液晶灌入步驟3)中給出的、由兩塊ITO玻璃組成的盒中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的利用層狀復(fù)合液晶薄膜的微弱信號(hào)放大器的制備方法，其特征 是其中液晶盒每一層液晶薄膜均設(shè)置有可單獨(dú)控制的外加電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用層狀復(fù)合液晶薄膜的微弱信號(hào)放大器及其制備方法，具有超高光學(xué)敏感度和增益的層狀液晶薄膜光學(xué)放大元件。該層狀液晶薄膜光學(xué)放大器是利用環(huán)氧膠將光學(xué)質(zhì)量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起制備而成的含有多個(gè)液晶盒的層狀結(jié)構(gòu)元件，其中每一層液晶薄膜的外加電壓都可以單獨(dú)控制。該方法可以顯著提高液晶非線性媒質(zhì)的光學(xué)敏感度和有效厚度。對(duì)于一個(gè)功率為0.1μW的微弱信號(hào)光而言，在0.06V/μm的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)和8mW的泵浦光作用下經(jīng)由6層液晶薄膜層狀光學(xué)元件后實(shí)現(xiàn)了高達(dá)～4000的增益值。該能耗小、成本低廉、易于集成的液晶放大器件非常適用于小信號(hào)放大、相位共軛、新型濾波等應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101299127SQ20081006473
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者姚鳳鳳, 孫秀冬, 裴延波 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)