超声液晶可调光扩散器
2024-07-20 16:36:32   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传统的光扩散器具有周期性的表面轮廓、周期性的折射率分布或包含胶体的散射层。在所有这些结构中，光扩散器的光学方向性通常无法操控。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本同志社大学（Doshisha University）的研究团队提出了一种将超声应用于向列液晶（LC）材料的电可调光扩散器。这种超声液晶光扩散器由夹在两个玻璃盘之间的液晶层和超声换能器构成。超声换能器的电极沿圆周方向分隔开，以便通过控制电输入信号在扩散器上产生共振非同轴弯曲振动模式。连续的反相正弦电信号传送到超声换能器会在玻璃盘上产生非同轴共振弯曲振动模式，从而在液晶层和玻璃盘之间的边界上产生声辐射力。这种效应改变了液晶的分子取向和透射光分布。透射光的扩散角度取决于输入电压的幅值，扩散角度在16.0 V时达到最大。通过调节不同电极的输入电压可以旋转振动分布和扩散方向性，这意味着结构轻薄且没有移动机械部件的超声液晶扩散器提供了具有可旋转方向性的可调节光扩散功能。上述研究成果以“Ultrasonic liquid crystal tunable light diffuser”为题发表于Scientific Reports期刊。

图1显示了超声液晶光扩散器的配置。两块玻璃盘（直径：15 mm和30 mm；厚度：0.5 mm）上贴有聚酰亚胺取向膜（SE-5611，垂直排列型，Nissan Chemical），用环氧树脂通过厚度为 0.2 mm的二甲基聚硅氧烷垫片固定，以制造液晶层。向列液晶（4-氰基-4'-戊基联苯，5CB）通过毛细作用在大气压下注入玻璃圆盘之间的小间隙中，周围部分用环氧树脂密封。取向膜在玻璃盘的内表面上形成，无需摩擦，从而在没有超声激励的情况下使液晶分子垂直排列。环形压电换能器（内径：20 mm；外径：30 mm；厚度：1 mm；锆钛酸铅，C-213，Fuji Ceramics）沿厚度方向极化，利用环氧树脂同轴平行地连接到较大的玻璃盘上。超声换能器的外径与较大玻璃盘的直径相对应。超声换能器一侧的表面电极沿圆周方向分成四个部分；这些独立的电极按逆时针方向依次被称为通道1至4（见图2a）。固定在玻璃圆盘一侧的电极是公共接地电极。

图1 超声液晶光扩散器的配置示意图

通过对超声换能器施加连续正弦电信号，利用逆压电效应在玻璃盘上产生超声振动。当驱动频率与液晶光扩散器的机械共振频率相对应时，光扩散器上会在多个频率下产生共振弯曲振动模式。由于声阻抗的差异，玻璃盘上的弯曲振动会导致液晶层、玻璃盘和周围介质（空气）之间的声能密度不同。这种效应会产生声辐射力，即静态超声力，从而改变液晶分子的取向。图2b显示了使用商用有限元分析软件（ANSYS 14.5）计算出的液晶光扩散器的弯曲振动模式。

图2 超声液晶光扩散器的电极和振动模式

图3描绘了光扩散的示意图。光扩散预期是直线的，B-Bʹ线上的振动节点和环路通过声辐射力改变了液晶分子沿线的取向，从而导致光沿同一方向折射。这意味着可以通过调整每个通道的输入电压来控制扩散方向性和角度。此外，这里使用的液晶分子是椭球体，具有光学单轴各向异性（液晶分子在长轴和短轴上的折射率分别为1.53和1.72），这意味着光扩散器的透射光分布取决于入射光的偏振方向。此外，液晶层厚度对光扩散器的光学特性至关重要。

图3 在无超声激励和有超声激励情况下的液晶分子取向和透射光的示意图

使用函数发生器和高速双极性放大器将连续的反相正弦信号输入到液晶光扩散器上的通道1和3，以产生共振弯曲振动模式，如图2b所示。研究人员使用激光多普勒测振仪（LDV，VIO-130，Polytec）测量玻璃盘的离面振动分布。一束氦氖激光束（波长：632.8 nm；输出功率：1 mW；半峰全宽：1.3 mm）通过偏振器和晶体半波片垂直入射到液晶光扩散器的中心，带有针孔（直径：2 mm）的光电探测器（传感器直径：0.9 mm，2051，Newport）和数字示波器被用于测量透射光分布（见图4）。

图4 光学测量的实验设置

研究人员使用共振弯曲振动模式来研究扩散特性。图5a显示了在不同电压幅值下液晶光扩散器的透射光强度随时间的变化。在t = 0时，通道1和3开始接收连续反相正弦信号。透射光强度在超声激励开始时逐渐降低，终端值随输入电压的增加而降低，这意味着透射光从光轴散射到周围区域。图5b显示了入射光的偏振方向为0°时时间常数与输入电压幅值之间的关系。

图5 不同输入电压下的透射光强度的时间响应和时间常数

图6a至6g显示了输入电压从0 V变为20 V时的二维透射光强度分布。每种条件下的光强度都以0 V时的最大值为基准进行归一化，并标出了入射光的偏振方向和B–B´线。图6h显示了B–Bʹ线上的透射光分布。随着输入电压的增加，透射光强度在中心处变低，并在B–Bʹ方向上扩散，这表明透射光的扩散角度可以通过输入信号电压进行控制。

图6 不同输入电压下的二维透射光和B–Bʹ线上的透射光强度分布

如果使用通道2和4而不是通道1和3来输入15 V的反相信号，则液晶光扩散器上的振动分布和透射光强度分布可以旋转约90°（见图7）。这些结果意味着通过选择输入通道的组合可以控制光扩散方向性，并且通过增加超声换能器上的分割电极数量可以提高旋转分辨率。光扩散旋转角度的变化并不完全对应于90°，这是由于液晶器件是在实验室手工制造的，这可能导致液晶厚度和振动不均匀。通过旋转半波片和偏振平面，研究人员还研究了入射光的偏振方向对透射光强度的影响（见图7a至7e）。

图7 具有多个偏振方向的入射光在不同驱动方式下的透射光强度分布

综上所述，这项研究开发了一种基于超声振动和向列液晶材料的电可调光扩散器。超声液晶装置结构简单、轻薄，不含机械运动部件。光扩散功能采用反相驱动产生的非同轴共振弯曲振动模式。由于声辐射力引起液晶分子取向的变化，透射光通过液晶光扩散器向一个方向散射。透射光强度分布取决于入射光的偏振方向和光散射器的振动分布。通过调节超声换能器分割电极的驱动信号，可以控制衍射角度和方向。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-66413-2

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