張志東，司立彬，葉文江，李志廣

（河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300401）

在液晶顯示（LCD）應(yīng)用中，薄膜晶體管（TFT）無疑已經(jīng)成為電視、筆記本電腦、手機(jī)等產(chǎn)品的主流顯示方式。隨著液晶應(yīng)用的深入研究，出現(xiàn)了硅基液晶（LCOS）[1]。LCOS是 LCD 與 CMOS集成電路有機(jī)結(jié)合的顯示技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅片上利用半導(dǎo)體技術(shù)蝕刻驅(qū)動(dòng)面板，研磨并鍍鋁作為反射鏡，形成CMOS基板，再與氧化銦錫（ITO）玻璃貼合并注入液晶[2]。LCOS采用反射顯示模式。事實(shí)上，反射式液晶顯示模式研究的最大驅(qū)動(dòng)源之一也就是LCOS[3]。本文使用改進(jìn)型的全漏光導(dǎo)波方法[4－7]，研究混合模式扭曲向列相（MTN）反射模式[8－9]，扭曲角為90°。液晶樣品盒在深圳市長江力偉股份有限公司制備。

1 實(shí)驗(yàn)原理

關(guān)于各向同性平面波導(dǎo)的理論和實(shí)驗(yàn)研究參見文獻(xiàn)[10]。如果波導(dǎo)層是液晶，那么情況將有所不同，最大的區(qū)別就是液晶為各向異性材料。具有各向異性的液晶作為波導(dǎo)層時(shí)，除了一些特殊的、具有高對稱性的結(jié)構(gòu)外，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的本征模將不再是純TE偏振（s光）或TM偏振（p光）。現(xiàn)在通過一些特殊的情形來說明液晶波導(dǎo)的特點(diǎn)。如圖1所示，液晶夾在兩塊折射率為ng的玻璃基板之間，液晶的光軸（指向矢）為N，平行和垂直于液晶指向矢的折射率分別為ne和no，假設(shè)液晶為正光學(xué)各向異性，則ne＞no。在液晶層中指向矢與z軸的夾角為θ，相對于－y軸的扭曲角為φ，玻璃基板位于x－y平面，入射光在x－z平面內(nèi)傳播。對于一般標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)用液晶盒來說，都希望折射率滿足ng＜ne，且ng≈no?，F(xiàn)在由于上下玻璃基板折射率相同，故不存在臨界角，并且導(dǎo)模將“全漏”。假設(shè)光的入射角為α，液晶層中尋常光的折射角為βo，非尋常光的折射角為βe。根據(jù)Snell定律有：

圖1 各向異性單軸晶體折射率橢球及光的傳播

其中，no是尋常光折射率，n′e為非常光折射率。由液晶折射率橢球的幾何關(guān)系可以得到：

顯然有ne＞n′e＞no，Ψ是液晶光軸與液晶層中入射光的夾角，可由下式給出：

在圖1所示的液晶波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，若光軸沿x軸方向，則TE本征模只依賴于no，而TM本征模依賴于ne和no；光軸若沿z軸，則情形與沿x軸相似；若光軸沿y軸，則TE本征模只依賴于ne，而TM本征模只和no有關(guān)。在上述3種情況下，液晶波導(dǎo)中傳播的本征模為純TE或TM模。若光軸在x-y面或y-z面內(nèi)且與y軸有夾角（如圖1所示），本征模將不是純TE和TM模。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用一束線偏振光（p光或s光）入射到這樣的液晶導(dǎo)波結(jié)構(gòu)時(shí)，將發(fā)生偏振轉(zhuǎn)換，反射和透射光中有正交偏振分量[2]。由于偏振轉(zhuǎn)換信號對液晶指向矢的傾角和扭曲角非常敏感，所以這些信號對于研究液晶指向矢的分布是很有利的。在圖1所示的情形中，s光的電場在y軸方向，p光的電場在面內(nèi)，對于任意形式的入射光，液晶層中將激發(fā)兩種本征模，一種本征模的電場沿OB方向，另一種的電場沿OF方向。因此可以通過－y軸和OB的夾角Ω來判斷s或p偏振光入射到液晶層時(shí)的偏振轉(zhuǎn)換。從圖1中可以得到：顯然當(dāng)Ω為0或π／2時(shí)沒有偏振轉(zhuǎn)換信號。

為了將導(dǎo)波技術(shù)用于一般的商業(yè)用液晶盒，只能選擇使用低折射率棱鏡耦合的全漏光導(dǎo)波技術(shù)。使用低折射率棱鏡耦合的全漏光導(dǎo)波技術(shù)，所有的波導(dǎo)模式將全漏并且與之對應(yīng)的反射信號有顯著的光學(xué)特性，這可能嚴(yán)重地限制液晶盒內(nèi)指向矢的扭曲角和傾角的精確性。另外，低折射率玻璃基板意味著將不再存在液晶折射率的臨界角。1999年楊傅子對全漏導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，建立了改進(jìn)型全漏光導(dǎo)波技術(shù)[4]。所做的改進(jìn)主要包括兩方面：（1）利用了全部的反射和透射數(shù)據(jù)，包括偏振保存信號（Rpp、Rss、Tpp、Tss）和偏振轉(zhuǎn)換信號（Rps、Rsp、Tps、Tsp），因?yàn)槠褶D(zhuǎn)換信號對于指向矢的扭曲角和傾角非常敏感；（2）由于在棱鏡和基板之間有折射率匹配液的存在，液晶盒可以自由旋轉(zhuǎn)，將其旋轉(zhuǎn)到偏振信號對指向矢的扭曲角和傾角最敏感的位置，并得到一系列不同方位角下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步精確地確定液晶盒內(nèi)的指向矢分布[11]。

改進(jìn)型的全漏光導(dǎo)波幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是一個(gè)對稱結(jié)構(gòu)，液晶盒由內(nèi)表面鍍有ITO和取向?qū)拥牡驼凵渎什ＡЩ褰M成，液晶盒與棱鏡之間有折射率匹配液，棱鏡、玻璃基板和匹配液的折射率都約為1.52。液晶盒可以在垂直于入射面的方向上（即棱鏡的底面）自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在本文實(shí)驗(yàn)中，樣品為反射式MTN盒，它的上基板為ITO透明電極，下基板為鋁電極。因此實(shí)驗(yàn)中主要觀測反射信號。

圖2 改進(jìn)型全漏波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用儀器和構(gòu)件（見圖3）主要有：He-Ne激光器，波長632.8nm，功率5mW；光闌2個(gè)；斬波器（NF電子儀器公司，5584A），它的作用是將激光的頻率調(diào)制成1.86kHz以便于后面相位敏感探測器的接收；可調(diào)式衰減器；旋轉(zhuǎn)式偏振片3個(gè)；旋轉(zhuǎn)式1／4波片；探測器2個(gè)（北京卓立漢光儀器有限公司的DSi200型硅光電探測器）；θ—2θ轉(zhuǎn)臺（北京卓立漢 光 儀 器 有 限 公 司，Zolix SC300-2B），精 度 為0.00125°，當(dāng)放在轉(zhuǎn)臺中間的液晶盒轉(zhuǎn)動(dòng)θ角時(shí)，為了接收反射信號，固定在轉(zhuǎn)臺外側(cè)的探測器正好轉(zhuǎn)動(dòng)2θ角；玻璃板，反射約5%的入射光作為參考光，因?yàn)榧す獾墓庠床⒉环€(wěn)定，其光強(qiáng)可能受到干擾信號的影響；鎖相放大器（NF電子儀器公司，LI5640），與電腦相連，輸出值正比于輸入的通過探測器轉(zhuǎn)換的光電流的值。另外，還有信號發(fā)生器（石家莊數(shù)英電子儀器有限公司，SUING TFG1000），頻率精度10－5數(shù)量級，電壓有效值精度為0.001V，可以產(chǎn)生多種信號，如方形波、鋸齒形波、正弦波等；Labview軟件（NI，MAX），進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

轉(zhuǎn)臺中間放置制作好的棱鏡耦合的反射式90°MTN液晶盒波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。信號發(fā)生器給液晶盒施加正弦波形的交流電壓，頻率可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)整，由于液晶盒是反射式盒，所以只有反射信號。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）電源開啟后，打開氦氖激光、鎖相放大器、斬波器、轉(zhuǎn)臺控制器、轉(zhuǎn)臺控制軟件和數(shù)據(jù)采集軟件，檢查光路是否水平，調(diào)節(jié)兩光闌的高度使光束同時(shí)穿過并打到固定在轉(zhuǎn)臺外側(cè)的探測器的中央位置，此時(shí)接收到的光的頻率為1.86kHz，并檢查轉(zhuǎn)臺是否處于設(shè)定的零位置。

（2）調(diào)節(jié)圓偏振光

（3）p光和s光的確定。最后確定反射光的偏振態(tài)：讓調(diào)好的p光或s光直接通過反射光電探測器前的偏振片，偏振態(tài)相同時(shí)，探測器接收到的反射光強(qiáng)最大，若偏振方向互相垂直，則反射光強(qiáng)為零。

（4）制作反射式90°MTN液晶盒的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。用無水乙醇將盒和棱鏡擦拭干凈后，一塊棱鏡固定在鋁制的框架上，在棱鏡的底面上滴上適量的折射率匹配液，然后將液晶盒輕輕地放在匹配液上，放的時(shí)候一定要水平放置，以免盒與棱鏡之間產(chǎn)生氣泡，再按同樣的方法在液晶盒上滴上適量的匹配液，放上另一塊棱鏡，并將其固定在框架內(nèi)。

（5）將制作好的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)固定在轉(zhuǎn)臺中間，并且使入射光垂直于棱鏡表面，同時(shí)使通過耦合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)反射的光也正好打在探測器的中央位置，因?yàn)榻邮彰娣e有限（約100mm2），偏高或偏低都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)精度。

（6）測量。用信號發(fā)生器給液晶盒加電壓，電壓信號是頻率為1kHz、電壓電效值為0～7V的正弦電壓。開始進(jìn)行測量并采集數(shù)據(jù)。通過SC300系統(tǒng)軟件控制轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定液晶盒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為20°，固定轉(zhuǎn)動(dòng)步長為0.05°／s，用 MEASUREMENT＆EXPLORER軟件進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。改變?nèi)肷涔夂头瓷涔獾钠駪B(tài)，測得4組隨入射角變化的反射數(shù)據(jù)：Rss、Rpp、Rsp、Rps。由于硅光電探測器接收的光波波長范圍為200～1100nm，為了防止其他光線的干擾，測量在暗室中進(jìn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

得到不同驅(qū)動(dòng)電壓下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，應(yīng)用基于液晶彈性理論和多層介質(zhì)光學(xué)的軟件進(jìn)行擬合，擬合得到的各光學(xué)參數(shù)范圍見表1，從而得到液晶盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所有信息。3V、1kHz驅(qū)動(dòng)電壓下的實(shí)驗(yàn)曲線和擬合曲經(jīng)見圖4。在這次擬合中使用的參數(shù)為：波長為632.8nm時(shí)玻璃基板折射率為1.517；ITO的光學(xué)介電常數(shù)為εi＝3.25＋i0.079，對應(yīng)厚度d＝30nm；鋁膜有εAl＝63.5＋i26.823，d＝28nm；取向?qū)佑笑臥I＝2.05＋i0.005，d＝35nm；液晶有K11＝13.1pN，K22＝10pN，K33＝22.3pN，ε⊥＝2.165＋i0.0008，ε／／＝2.4359＋i0.001，d＝3.13μm。

圖4 實(shí)驗(yàn)和理論擬合曲線

表1中的光學(xué)參數(shù)為光學(xué)介電常數(shù)，ε一般為復(fù)數(shù)，用ε＝εr＋iεi表示，εr和εi分別為介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。通過所有的擬合結(jié)果得到的指向矢分布的信息為：上基板θ＝85.5°±0.5°；下基板θ＝86.5°±0.3°。

表1 多層光學(xué)理論擬合得到的90°MTN液晶盒光學(xué)參數(shù)

5 結(jié)論

（1）本文通過改進(jìn)型全漏光導(dǎo)波技術(shù)對LCOS用的反射式90°MTN液晶盒進(jìn)行了研究。改進(jìn)型全漏光導(dǎo)波技術(shù)可以研究液晶盒內(nèi)指向矢分布的信息，同時(shí)也可以測得ITO、取向?qū)?、液晶的光學(xué)參數(shù)及厚度等，還可以進(jìn)一步測得液晶盒的極角和方位角及液晶盒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

（2）在光導(dǎo)波測量的過程中，本方法與以往的方法相比有兩點(diǎn)不同：一是入射光偏振態(tài)的確定，以前是通過Brewster角來確定p光或s光，但我們使用的是偏振分光棱鏡（PBS）來確定，并與Brewster角測定的結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，但是使用PBS快且方便；二是考慮了確定反射光偏振態(tài)的偏振片對光的吸收，這樣在后期的處理過程中使計(jì)算的反射率更接近實(shí)際結(jié)果。

（3）實(shí)驗(yàn)中使用的是測試盒，與實(shí)際的LCOS盒不同的是它的下基板為玻璃基板而不是硅基。測量以不同入射角入射的線偏振光（p光或s光）在液晶盒內(nèi)傳播后的偏振保存信號和偏振轉(zhuǎn)換信號，由于下基板鋁膜的存在，其反射信號都很強(qiáng)，尤其是偏振轉(zhuǎn)換信號Rsp和Rps，而這些信號對于液晶指向矢的扭曲角和傾角非常敏感。然后使用基于液晶連續(xù)體理論和4×4多層光學(xué)矩陣?yán)碚摰某绦蜻M(jìn)行擬合，通過調(diào)節(jié)指向矢在上下基板的傾角和扭曲角，并結(jié)合調(diào)節(jié)不同光學(xué)層的參數(shù)和厚度，使理論曲線與模擬曲線達(dá)到最好的符合，測試到液晶盒的相關(guān)參數(shù)。從擬合結(jié)果可以看出，上下基板上的預(yù)傾角不同，我們認(rèn)為這是由于鋁膜和ITO對取向?qū)拥挠绊懖煌斐傻?，故在?shí)際過程中也要考慮取向?qū)踊讓σ壕∠虻挠绊憽?/p>

（4）全漏光導(dǎo)波技術(shù)不僅可以很好地確定液晶盒內(nèi)指向矢分布的信息，同時(shí)對于一般的液晶盒（如VA盒、TN盒），在盒的結(jié)構(gòu)和指向矢分布的理論模擬非常清楚的情況下，它也是確定液晶盒其他參數(shù)的一個(gè)有力的工具，例如可以得到取向?qū)庸鈱W(xué)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部及對應(yīng)的厚度、液晶盒的盒厚等[12]。

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