膽甾相與藍相液晶的布拉格反射和旋光能力研究

竇 虎，于亞楠，馬紅梅，孫玉寶

（河北工業大學 應用物理系，天津 300401）

1 引 言

膽甾相液晶與藍相液晶在分子的排列［1－2］上有著一定的相似性，關于膽甾相液晶某些光學性質在藍相液晶中也有著類似的體現［3－5］。在膽甾相液晶和藍相液晶中，對于特定波長的光波將會發生布拉格反射和旋光效應［4－6］，光波反射最大的波長區域中心處的波長稱為布拉格中心反射波長，布拉格中心反射波長附近的光通過膽甾相液晶和藍相液晶后有明顯的不同，尤為顯著的是光波的偏振方向偏轉的角度不同，即所謂的旋光效應［6］。膽甾相液晶的分子排列是沿著一個螺旋軸發生偏轉，而藍相液晶為雙螺旋結構。因為膽甾相液晶和藍相液晶有著相類似的結構和光學特性，所以本文中通過類比膽甾相液晶和藍相液晶的光學特性，來研究它們的布拉格反射和旋光特性，采用時域有限差分法［7］（FDTD）對液晶的光學特性進行模擬計算，對平面態和焦錐態膽甾相液晶，藍相II液晶的反射和透射，以及它們在正交偏光片下的透光特性（即暗態漏光）進行計算，并采用旋光能力來解釋了暗態漏光的性質。通過計算和分析這兩種液晶的旋光特性，獲得了藍相液晶具有更低的旋光能力和暗態漏光，這個結果將對降低藍相液晶顯示器的暗態透過率有指導意義。

2 理論分析與模擬計算

在經典液晶物理中，膽甾相液晶的布拉格反射中心波長可以簡單地寫為λB＝p n－，其中n－是液晶的平均折射率，p是膽甾相液晶的螺距，反射波長范圍的寬度為Δλ＝Δnp，Δn為液晶材料的雙折射率［8］。如果平均折射率和螺距相同，藍相液晶的布拉格中心反射波長和膽甾相液晶相同。但是，我們清楚地知道：膽甾相液晶和藍相液晶具有結構上的明顯差異，因此它們的布拉格反射效率和反射波帶寬度應該不同。

在藍相液晶的應用中，為了解決藍相液晶顯示器驅動電壓過高的問題，通過增大藍相液晶的螺距從而降低驅動電壓成為了一種趨勢［9］，但是這種方法不可避免地會遇到布拉格反射波長在可見光波段，從而導致暗態漏光。對于暗態漏光的原理，現在可以用旋光能力來解釋，對于膽甾相液晶的旋光能力R 可用式（1）［6］表示：

式中：Δn＝ne－no，λ為入射光波長。而藍相液晶的旋光能力沒有公式表達，我們采用對比它們的光學特性的方法，來獲得藍相液晶的旋光能力。

由于液晶是各向異性的，在用FDTD法模擬光學特性時不能用常規的電場強度E和磁場強度 H 進行迭代［10－11］，需要用 D（電位移矢量）和H（磁場強度）進行迭代，再根據E＝ε－1rD求出電場強度E，其中εr為相對介電常數張量［11］。我們選取的液晶為平面態膽甾相液晶（ChPLC）和藍相液晶（BPLC），液晶的螺距p＝270nm，液晶層厚度為9μm，尋常光折射率no＝1.55，非尋常光折射率ne＝1.65，同時單一改變平均折射率（尋常光折射率no＝1.45，非尋常光折射率ne＝1.55）或螺距（p＝400nm）來觀察模擬結果的變化。

因為布拉格反射光的螺旋方向與液晶的螺旋方向相同，因此我們選擇入射光的圓偏振方向與液晶的螺旋方向相同。為了模擬圓偏振光我們采取了雙光源的方式：兩個線偏振光的偏振方向分別為x軸方向和y軸方向，并且令這兩個光的相位差為90°。在計算布拉格反射特性時，時間采樣間隔為Δt＝5×10－18s，FDTD網格尺寸Dx＝Dy＝Dz＝2.5nm，在邊界處理上對x、y方向采用周期性邊界條件，對于z方向采用完美匹配層（PML）來吸收反射光波［13］。光源為圓偏振光，波長選擇350nm到800nm的波長范圍。在藍相液晶材料地選擇上，我們用藍相II態液晶［14］進行模擬計算，仿真模擬的結構圖如圖1所示。

圖1 藍相液晶或膽甾相液晶的模擬結構示意圖和坐標系Fig.1 Structure diagram of blue phase and planar texture of cholesteric liquid crystal and the coordinate system

在膽甾相液晶和藍相液晶漏光特性和旋光能力的模擬中，時間采樣間隔為Δt＝2×10－18s，FDTD網格尺寸Dx＝Dy＝Dz＝1.1nm。在液晶旋光特性的計算中，我們選擇線偏振的光作為光源，分別計算出光透過液晶層后的電場在x，y方向的分量，從而得出液晶的旋光量。

3 膽甾相與藍相液晶的光學特性

3.1 布拉格反射

膽甾相液晶的分子取向垂直于螺旋軸，并沿著螺旋軸方向呈周期性變化，分子旋轉角度與分子所在z軸的位置關系呈線性關系，即通常所說的平面態膽甾相液晶（ChPLC）。對于藍相液晶我們采用液晶分子晶格全空間排列的模型來模擬［15］。將光源的圓偏振方向與液晶分子的旋轉方向設置為相同，單一變化平均折射率和螺距，得到的透過率與波長的關系如圖2～4所示。從圖2～4可以看出：對于膽甾相液晶，當圓偏振光的旋轉方向與液晶的旋轉方向相同時，在某個波長范圍內的光波透過率幾乎為零，即被反射回去，而其它波長的光幾乎全部透射；對于藍相液晶，其反射中心波長與膽甾相液晶的反射中心波長相等，但是反射率要低，反射光的帶寬也窄。

圖2 圓偏振光通過平面態膽甾相液晶或藍相液晶的透過率與波長的關系圖（no＝1.55，ne＝1.65，p＝270nm，d＝9mm）Fig.2 Transmittance vs.wavelength for circularly polarized light passes through ChPLC or BPLC

相比于藍相液晶的反射現象，膽甾相液晶的布拉格反射現象更加明顯。出現這種現象的主要原因是藍相液晶的分子雙螺旋排列方式與膽甾相液晶的平面態排列方式的不同。在理想狀態下，藍相液晶晶格內有分別沿著x、y、z3個方向排列的圓柱，圓柱體內的液晶分別平行于這3個方向旋轉了90°，當光沿著z軸穿過液晶層時，只有少量位置的液晶分子嚴格按照膽甾相液晶排列方式進行排列，大部分的液晶有傾角和方位角的偏差，從而導致藍相液晶的布拉格反射沒有膽甾相液晶那么明顯。

圖4 圓偏振光通過平面態膽甾相液晶與藍相液晶的透過率與波長的關系圖（no＝1.55，ne＝1.65，p＝400nm，d＝9mm）Fig.2 Transmittance vs.wavelength for circularly polarized light passes through ChPLC or BPLC

圖3 圓偏振光通過膽甾相液晶與藍相液晶的波長和透過率圖（no＝1.45，ne＝1.55，p＝270nm，d＝9mm）Fig.3 Transmittance vs wavelength for circularly polarized light passes through ChPLC or BPLC

從圖2～4中，我們還可以得到：藍相液晶的布拉格反射中心波長與膽甾相液晶的反射中心波長是相等的，即：λB＝n－p；藍相液晶的反射波長的帶寬也比膽甾相液晶反射波長的帶寬也窄。其主要原因還是來自于藍相液晶和膽甾相液晶排列結構上的差別。

3.2 正交偏光片下的漏光

膽甾相液晶和藍相液晶的螺旋結構使得它們在被正交偏光片夾著的時候，不能夠完全掩光，即有少量光漏過。在模擬中，我們將液晶放在理想的正交偏振片之間，液晶的材料參數為：尋常光折射率no＝1.55，非尋常光折射率ne＝1.65，螺距p＝270nm。光源采用電場偏振沿x軸方向的線偏振光，在光通過液晶層后，我們分別計算電場在x、y軸上分量的強度（模的平方），即漏過的光強，與入射光強的比值即為透過率。通過計算得到的膽甾相液晶和藍相液晶的透過率與波長的關系，如圖5和圖6所示。

圖5 線偏振光通過加在正交偏振片中的膽甾相液晶后的透過率與波長的關系圖Fig.5 Transmittance vs wavelength for linearly polarized light passes through ChPLC layer which is sandwiched by the crossed polarizers

從圖5和6中可以看到：膽甾相和藍相液晶的漏光情況有明顯的差異，在產生布拉格反射的波段范圍內，膽甾相的漏光會突然減少，并在這個波長范圍內維持漏光的穩定性，而藍相液晶則無此變化。膽甾相液晶與藍相液晶的漏光還有以下幾點相似點：（1）光波長越靠近布拉格反射中心波長，漏光量越大。（2）光波長越靠近布拉格中心反射波長，漏光量的變化越明顯。（3）當光波長遠離布拉格反射中心波長時，短波長方向的光透過率要大于長波長方向的光透過率，這也是藍相液晶顯示器中通常選擇短螺距的一個原因。

圖6 線偏振光通過加在正交偏振片中的藍相液晶后的透過率與波長的關系圖Fig.6 Transmittance vs wavelength for linearly polarized light passes through BPLC layer which is sandwiched by the crossed polarizers

圖7 平面態膽甾相和藍相液晶的旋光能力和波長關系圖Fig.7 Optical rotatory power vs wavelength of ChPLC and BPLC

為了分析產生以上現象，我們采用液晶的旋光特性進行研究，根據圖5和6中的透過率，計算得到膽甾相液晶對不同波長光的旋光能力，結果如圖7所示。圖7中同時給出了使用經典公式（1）計算得到的旋光能力的結果。由于藍相液晶是三維晶格結構，晶格平面上不同位置的旋光特性并不相同，旋光性難以描述［16］，所以通過和膽甾相液晶的旋光能力的對比，利用透過率來相似地計算出藍相液晶的平均旋光能力，結果如圖7所示。

在圖7中，我們可以看到：對于膽甾相液晶，通過經典公式計算出的旋光能力與模擬結果是相符的。對于圖5中，透過率在布拉格反射波段的降低并比較穩定的情況，可以如下解釋：當線偏振光進入膽甾相液晶后，分為等量的左旋和右旋的圓偏振光，其中與液晶具有相同旋轉方向的光被完全反射，另外一個圓偏振光的旋光能力很強（圖7中沒有表示出來），當旋光變得非常大時，電場在x、y軸方向上的分量統計平均會基本相同，因此就只有入射光強的四分之一透過檢偏器，如圖5所示。圖7中可以看出：藍相液晶在旋光能力上遠低于膽甾相液晶，所以它在布拉格反射波段內的透過率都很小，并且布拉格反射光對正交偏光片下的透過率影響很小。

4 結 論

本文通過對比研究了膽甾相液晶和藍相液晶的布拉格反射和在正交偏光片中的透光特性。布拉格反射結果表明藍相液晶具有與膽甾相液晶相類似的光學特性，布拉格反射中心波長相同并且反射率較小，藍相液晶的布拉格反射波帶寬度小于膽甾相液晶，這是由于藍相液晶的雙螺旋結構和近似各向同性結構造成的。在正交偏光片中的透過率結果表明：藍相液晶的旋光能力相比于膽甾相液晶很小，但是作為液晶顯示器應用時仍然不能忽視。本文結果將有助于理解藍相液晶的光學特性和改善藍相液晶顯示器的暗態漏光。

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