使用丙烯酸酯基液晶弹性体控制光偏振

《Optical Materials》：Controlling light polarization using acrylate-based liquid crystal elastomers

　　

液晶弹性体（LCEs）是一种廉价、超薄、轻质、软弹性且场可编程的材料，能够高效调控光的偏振。在本工作中，研究人员提出了基于LCEs制备低成本、薄膜介质四分之一波片和半波片用于可见光的方法。这些波片在入射线性偏振与弹性体光轴之间的宽角度范围内表现出良好的性能。研究人员系统研究了这些弹性体薄膜的几个关键特性，包括光学延迟对薄膜旋转、介晶含量以及入射光波长的依赖性。

**论文解读：基于丙烯酸酯基液晶弹性体的光偏振控制**

**研究背景与问题**
光的偏振控制在众多应用中至关重要，包括光信号传输、高灵敏度测量、光纤通信、高分辨率成像以及隐蔽物体检测。传统上，偏振光通过双折射晶体（如方解石、石英或云母）以及机械拉伸聚合物薄膜进行操控，这些材料在快轴和慢轴之间引入所需的相位差。然而，这些方法通常需要光在相对较长的光路中传播才能达到所需的相位延迟，导致传统波片较厚，不适合现代光学系统的微型化和集成化。液晶（LCs）因其固有的高光学各向异性，成为紧凑型光子器件中传统延迟器的有前景替代品。液晶弹性体（LCEs）近年来因能够调制光的振幅、相位和偏振而备受关注，它们可合成超薄平面结构，制备工艺相对简单，且对应变具有两种明确的响应（半软弹性或双轴变形），其性能可通过温度或外部场调节，实现光的偏振动态控制。然而，仅有有限的研究详细探讨了LCEs的光学性能。为此，本研究开发并表征了基于丙烯酸酯基LCE的波片，工作于可见光波段，利用弹性体的光学双折射，系统分析了输出光椭圆率、方位角对介晶含量、入射偏振方向与LCE光轴夹角以及探测光波长的依赖关系，并验证了实现四分之一波片（QWP）和半波片（HWP）功能的可行性。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：（1）通过光聚合反应合成丙烯酸酯基LCE薄膜，使用单官能反应性介晶A6OCB、非反应性介晶6OCB、双官能介晶交联剂RM82、增加柔性的2-乙基己基丙烯酸酯（EHA）以及紫外光引发剂MBF，将混合物注入100 μm厚度的预制备单元格中，缓慢冷却至室温形成向列相液晶，再经低强度紫外辐射（2.5 mW/cm²）固化2小时，随后在2-丙醇中溶胀剥离基板，干燥得到样品；（2）理论计算基于Jones矩阵和Cauchy色散公式，利用文献[19]提供的折射率数据确定不同介晶含量（60%、65%、70%、75%）下在532 nm和633 nm波长处的双折射值Δn；（3）实验测量系统由旋转半波片、LCE样品、旋转线性偏振片和激光功率计组成，通过测量透过光的椭圆率和方位角来表征偏振态。所有实验均在室温（23.5°C）下进行。

**研究结果与结论**

**5. LCE薄膜的偏振特性**
研究人员通过实验测量了输出光椭圆率（定义为f=1/e²）和方位角随入射偏振与LCE光轴夹角β的变化。结果显示，在β=0°和90°时，线偏振光保持线偏振；在β=45°时椭圆率达到最小值，LCE最接近QWP行为。对于532 nm波长，介晶含量60%、65%、70%、75%的样品椭圆率最小值分别为2.47、2.30、2.73和2.40；对于633 nm波长，相应最小值分别为2.33、2.83、5.54和4.73。理论计算与实验曲线吻合良好，表明这些LCE薄膜可有效调控偏振态。

**6. LCE透射率评估实验**
研究人员通过无偏振片的设置测量LCE样品的透射系数，使用光阑阻挡散射光仅探测中心光束。结果显示，介晶含量为70%和75%的样品具有更高的透射率，这与较高介晶含量对应更高的取向有序参数一致，从而增强光学透明性。较低介晶含量样品（60%、65%）厚度更大（约140 μm vs. 约100 μm），取向较差，导致透射率降低。理论计算假设理想样品100%透射。

**7. LCE在HWP和偏振片之间的透射**
研究人员将LCE样品置于旋转半波片与正交偏振片之间，测量透射系数随β的变化。结果再次表明，介晶含量70%和75%的样品具有更高透射率，且实验数据与理论公式I=sin²(2β)sin²(Δφ/2)高度一致。

**讨论与结论**
论文提出使用丙烯酸酯基LCE制备薄膜、软弹性波片。通过选择适当的厚度和介晶含量，可在给定波长实现所需的相位延迟。QWP可将圆偏振光转换为线偏振光，反之亦然；HWP可反转线偏振光方向或将右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光。这些波片在入射线性偏振与弹性体光轴之间的宽角度范围内有效工作，且为薄透射模式。尽管当前薄膜未特意优化厚度均匀性或液晶取向，其光学性能已展示出低成本、简便制备方法的潜力。若将厚度减小至数微米，可显著提升透明度和性能，这将是未来研究的重点。基于LCE的波片因其薄膜特性、机械柔性和可调光学各向异性，在AR/VR头戴设备、生物医学成像、光纤通信系统、天文仪器、半导体加工、航空航天传感等需要精确偏振控制的技术中具有广阔应用前景。