专利名称：利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器及其制备方法
技术领域：
本发明属于光折变层状液晶器件的制备及相干光学放大技术领域。
(二)
背景技术：
在上个世纪九十年代之前，光折变材料主要集中在无机晶体材料。1991年，Ducharme 首次在有机聚合物材料bisA-NPDA:DEH中发现了光折变效应。之后，有机光折变材料因其 制备工艺简单、改性容易、成本低廉而受到人们的广泛关注。1994年，向列液晶光折变材料 首次被报道。作为一种有机光折变材料，与传统的品体材料相比，液晶具有成本便宜，样品 制备容易、能够与电子器件集成等优点；在有机光折变材料中，液晶材料的工作电压要远远 低丁聚合物材料，而且它还具有很高的敏感性。因此，自从1994年首次报道液晶中的光折变 效应，它立即引起了研究者的极大兴趣。
当前，在单层液晶薄膜中报道的最高的信号增益系数高达3000cm—1，所需的外加电场为 0.3V/nm、泵浦光功率为 140mW，且能够响应的弱信号光的功率为O.lmW的量级。然而， 由于制备工艺等方面的原因，液晶样品最大厚度被限制在一百微米左右，这样一来小的样品 厚度(即小的稱合作用长度)使得大的增益系数并不一定能产生大的信号增益，最终只能获 得十几倍的增益，这极大地限制了液晶器件在小信号放大、相位共轭、新型滤波、光限幅、 神经网络等领域的应用。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超高光学敏感度和增益值高达 4000，能耗小、成本低廉、 易于集成的层状液晶薄膜光学放大器。
本发明的目的是这样实现的该层状液晶薄膜光学放大元件是利用环氧胶将光学质量良 好的向列液晶盒平行地粘接在一起制备而成的含有一组液晶盒的层状结构元件，其中每一层 液晶薄膜均外加电压，液晶盒由两块经过表面处理的ITO玻璃和液晶薄膜组成。
本发明的另一目的在于提供这种层状液晶器件的制备方法及小信号放大系统。
本发明的层状液晶薄膜光学放大元件经由以下两步制备而成。第一步为单个液晶盒的制 备，具体制备过程如下
1) 利用超声波清洗仪将ITO玻璃基底分别用丙酮和去离子水多次清洗后，用烘箱将其
烘干；
2) 在清洁的ITO表面h镀一层表而取向层，使得液晶分子在ITO表面整齐定向排列；
3) 利用聚酯垫片将两块镀有表面取向层的ITO玻璃基底隔开，将两块ITO玻璃相互平行的两个端面用环氧胶粘合起来，放置24小时后环氧胶将完全凝固；
4)利用表面张力将掺杂光敏剂的向列液晶灌入3)中给出的、由两块ITO玻璃组成的盒中。
通过上述过程就可以制备出光学质量良好的、液晶指向矢垂直于ITO玻璃表面的液晶盒， 其结构示意图如图l所示。第二步将第步获得的光学质量良好的液晶盒平行地用胶粘接在 一起，制备出含有多个液晶盒的层状液晶薄膜光学放大元件，其中每一层液晶薄膜的外加屯 压都可以单独控制，见图2。
本发明的层状液晶器件小信号放大系统的实现如图2和图3所示1)从激光器(Laser)
发出的光束经由半波片(X/2)和偏振片(P)后成为水平偏振入射光，经由反射镜M,改变方
向后的入射光利用分束比可调的分束镜(BS)进行分束，分为位于分束镜(BS)的反射光路 上的信号光和位于分束镜(BS)的透射射光路上的泵浦光，其中泵浦光的强度可由中性衰减片
(A)来调控；2)信号光和泵浦光分别经由反射镜M2和M3改变方向后约以1。或更小的夹角
相交(即(《-《)*1°或更小)，并在液晶薄膜中产生空间周期与单层液晶薄膜厚度相当或更
大的强度分布图样；3)将层状液晶样品(Sample)放置于泵浦光/ia和信号光/2。形成的干涉场
中，样品的法线与两束记录光的角平分线的夹角(0,+《)/2可取能够记录光栅的任意角度；4)
在每层液晶薄膜两端都施加大小且极性相同的外加直流电压，信号光和泵浦光会在每层液晶 薄膜内形成薄的非局域光栅，从而可以实现泵浦光向信号光的非对称能量转移，其中小信号
放大增益定义为加载泵浦光后与加载泵浦光前的信号光的透射光强/2,之间的比值。
木发明提供的具有超高光学敏感度和增益的层状液晶薄膜光学放大元件，其特点有a) 它是将光学质量良好的、掺杂光敏剂的向列液晶盒平行地粘接在一起制备而成的多层结构， 可以有效地增加非线性媒质(液晶薄膜)的有效厚度和液晶器件的敏感度；b)每一层液晶薄 膜的外加电压都可以单独控制；c)液晶薄膜中能够记录明显的非局域光栅要求光栅间距在几 十微米的量级上(即该光栅工作在薄光栅机制下)，闲而层状液晶薄膜光学放大元件要求信号 光和泵浦光之间的夹角约为1°或更小；d)提供信号光和泵浦光的激光器可以为能够在掺杂光 敏剂的向列液晶样品中记录非局域薄光栅的任意波长的激光器。
而具有超高光学敏感度和增益的小信号放大系统，其特点有
1) 信号光可以是一束未加载图像的激光束，也可以是一束加载图像信息的激光朿；
2) 信号光与泵浦光之间的夹角约为1°或更小；
3) 液晶盒表面法线与信号光和泵浦光之间的角平分线的夹角为能够记录光栅的任意角度；
4) 在进行小信号放大过程中，每层液晶薄膜两端均施加极性和大小相同的直流驱动电 压，通过控制外加直流电压的极性使得信号光被放大；
5) 6层液晶薄膜光学放大元件非常适合于0.1pW或更弱的微弱信号的放大应用；
6) 6层液晶薄膜光学放大元件工作时所需的外加驱动能耗较低，其中外加直流驱动电场 仅为0.05 V/pm左右，外加泵浦功率仅为10mW左右。
本发明通过平行粘接液晶盒的方法制备出含有多个液晶盒的层状液晶薄膜光学放大器， 该方法可以显著提高液晶非线性媒质的光学敏感度和有效厚度。利用掺杂光敏剂的向列液晶 作为非线性媒质，对于单层液晶薄膜厚度为20nm的6层液晶薄膜光学元件而言，信号光的 功率低于lnW时可以获得高达2000以上的增益；当信号光的功率为10nW时，该信号光可 以与几毫瓦的泵浦光记录很强的光栅，此时高阶衍射非常显著，在高阶衍射的抑制作用下小 信号增益的最大值仅为-200。对于一个功率为O.lpW的极其微弱的信号光而g ，在0.06V/)am 的驱动电场和8mW的泵浦光作用下经由该6层液晶薄膜层状光学元件后实现了可与几毫米 厚的光折变晶体中相媲美的、高达 4000的增益值(通常的光折变晶体对应的增益值为几百 到一千左右)。本发明能耗小、成本低廉、易于集成的液晶放大器件非常适用于小信号放大、 相位共轭、新型滤波等应用。
(四)
图1是单个液晶盒的结构示意图2是本发明的层状液晶薄膜光学放大元件及其二波耦合光路示意图； 图3是小信号放大系统的结构示意图。
具体实施方式
下面举例对本发明作更详细的描述
1. 6层液晶薄膜样品的制备 1)单个液晶盒的制备
第一步利用超声波清洗仪将厚度为l.lmm、面积为2x2.5cn^的ITO玻璃基底分别用丙 酮和去离子水多次清洗后，用烘箱将其烘干；
第二步以向列液晶E7(E7是共晶液晶混合物，其由质量百分比分别占51%、25%、 16% 和8%的分子形状均为棒状的液晶5CB、K21、M24和T15混合而成，熔点和清亮点分别为-10。C 和61°C)作为非线性光学材料，将质量百分比为0.05%的C6o掺杂到E7中来提高液晶样品的
光学敏感度，并利用超声波清洗仪振荡的方法使得C60在液晶中快速溶解；
第三步配置质量百分比为万分之一的HTAB的乙醇溶液，利用表面摩擦的方法在ITO玻璃基底1表面上镀一层HTAB膜，形成表面取向层；
第四歩利用厚度为20pm聚酯垫片将两块镀有HTAB膜的ITO玻璃基底隔开，将两块 ITO玻璃基底相互平行的两个端面用环氧胶粘合起来，放置24小时后环氧胶将完全凝固；
第五步将掺杂C6o的向列液晶E7和第四步制备而成的由两块平行的ITO玻璃组成的盒 放置到烘箱中加热，快速升温至80。C;
第六步在80。C下，利用滴管将掺杂C60的液晶灌入第四步给出的、由两块平行的ITO 玻璃组成的盒中，并在该温度下保持3-5钟；
第七步缓慢降温至室温，制得光学质量良好的、液晶指向矢垂直于ITO玻璃表面的液
晶盒，结合图l， ITO玻璃l与液晶薄膜2之间是表面取向层3。 2)液晶层状结构的实现
第一步将一个液晶盒的玻璃表面两侧边缘处分别放置两个面积约为2x2mm2、厚度为 20nm聚酯垫片，并在玻璃表面两侧边缘处未放置垫片的位置处涂少许的环氧胶；
第二步将第二个液晶盒以垂直第一个盒的方向(这里的"垂直"的意思是组成第一个液
品盒的玻璃的2.5mm的棱垂直与组成第二个液晶盒的2.5mm的棱)轻轻地平放到上一个液晶 盒上面，并确保两个液晶盒中所含的液晶薄膜2的重叠区域尽可能大；
第三歩重复第一步和第二步，依次以同样的方式将6个液晶盒叠放在一起；
第四步放置24小时后粘接液晶盒的环氧胶将完全凝固，制得含有6层液晶薄膜2的层
状液晶样品。
2.利用6层液晶薄膜样品作为非线性媒质的微弱信号相干放大系统
实验装置如图2和3所示，实验中采用波长为488nm的Ar+激光器作为光源。将Ar+激光
器发出的激光束经由半波片(人/2)和偏振片(P)后成水平偏振光，分束比可调的分束镜
(BS)将该水平偏振光分为两束相干的记录光，二者约以1。的夹角相交于6层液晶薄膜样品 上，从而在液晶薄膜中产生了空间周期约为28pm的强度分布图样。样品的法线与两束记录 光的角平分线的夹角为45。。其中一束记录光为功率在几毫瓦到十几毫瓦的泵浦光，记为光 束l，另一束记录光为功率在微瓦量级的弱信号光，记为光束2， 二者的强度大小和比值可由 分束镜(BS)和位于泵浦光光路上的中性衰减片(A)来调控。泵浦光和信号光在射入样品
时对应的光强分别记为/1()和/2。，且在样品处的光斑直径分别为3mm和lmm。由一个外加直
流电源同时对每层液晶盒施加大小为1.2V的驱动电压，并通过调节直流电压的极性确保在二 波耦合过程中从泵浦光向信号光方向转移能量。
对于工作在薄光栅机制下的液晶薄膜而言，由于高阶衍射的影响并同时考虑液晶样品的动态散射效应(具体的动态散射阈值与外加直流电压、样品的组成和制备工艺有关)，大的增 益的获得需要液晶薄膜放大器件同时具备超高的光学敏感度和大的耦合作用长度。对于本发 明所使用的20nm厚的单个液晶盒而言，当外加直流驱动电压为1.2V时信号光与泵浦光耦合 过程中对应的泵浦光的动态散射阈值为 20mW，其能够响应的信号光的最小功率为 40mW。 通过将液晶盒平行地用胶粘接在一起制备而成6层液晶薄膜样品的方法，不仅有效地增加了 信号光和泵浦光之间的耦合作用长度，还将能够响应的信号光的最小功率降低到0.1^W以下， 从而使得液晶薄膜器件中实现微弱信号的放大和大的小信号增益的获得成为可能。
当信号光的功率为10pW时，在1.2V的外加直流电压作用下该信号光可以与几毫瓦的泵 浦光记录很强的光栅，此时高阶衍射非常显著。因而，在从0.5mW到10mW增加泵浦光功 率的过程中，小信号增益初始随着泵浦光功率的增加而增加，并于泵浦光功率为6mW时获 得最佳的增益值-200，之后在高阶衍射的抑制作用下小信号增益开始下降。固定外加电压为 1.2V，当信号光的功率为lpW以下时，在一束功率为 10mW的泵浦光作用下(此时对应的 泵浦光/信号光的光强比可以高达106以上)6层液晶薄膜样品可以实现2000以上的增益。对 于一个功率为O.lpW的极其微弱的信号光而言，在0.06V/pm的驱动电场和8mW的泵浦光 作用下经由6层液晶薄膜层状光学元件后实现了可与几毫米厚的光折变品体中相媲美的、高 达~4000的增益值。
权利要求
1、一种利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器，其特征是该层状液晶薄膜光学放大元件是利用环氧胶将光学质量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起制备而成的含有一组液晶盒的层状结构元件，其中每一层液晶薄膜均外加电压，液晶盒由两块经过表面处理的ITO玻璃和液晶薄膜组成。
2、 根据权利要求1所述的利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器的制备方法，其特征是 首先利用表面张力将掺杂光敏剂的向列液晶灌入由两块经过表面处理的ITO玻璃组成的盒后 制备出单个液晶盒；然后将一个液晶盒的玻璃表面两侧边缘处分别放置两个面积较小的聚酯 垫片，并在玻璃表面两侧边缘处未放置垫片的位置处涂环氧胶；之后把第二个液晶盒以垂直 第一个盒的方向平放到上一个液晶盒上面，并确保两个液晶盒中所含的液晶薄膜的重叠区域 尽可能大；重复上述两个歩骤，依次以同样的方式将一组液晶盒叠放在一起，制得的含有一 组液晶盒的层状液晶薄膜微弱信号放大器。
3、 根据权利要求2所述的利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器的制备方法，其特征是 所述的单个液晶盒的制备具体制备过程如下1) 利用超声波清洗仪将ITO玻璃基底分别用丙酮和去离子水清洗后，用烘箱将其烘干；2) 在清洁的ITO表面上镀一层表面取向层，使得液晶分子在ITO表面整齐定向排列；3) 利用聚酯垫片将两块镀有表面取向层的ITO玻璃基底隔开，将两块ITO玻璃相互平 行的两个端面用环氧胶粘合起来，放置24小时后环氧胶将完全凝固；4) 利用表面张力将掺杂光敏剂的向列液晶灌入步骤3)中给出的、由两块ITO玻璃组成的盒中。
4、 根据权利要求2或3所述的利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器的制备方法，其特征 是其中液晶盒每一层液晶薄膜均设置有可单独控制的外加电压。
全文摘要
本发明提供了一种利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器及其制备方法，具有超高光学敏感度和增益的层状液晶薄膜光学放大元件。该层状液晶薄膜光学放大器是利用环氧胶将光学质量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起制备而成的含有多个液晶盒的层状结构元件，其中每一层液晶薄膜的外加电压都可以单独控制。该方法可以显著提高液晶非线性媒质的光学敏感度和有效厚度。对于一个功率为0.1μW的微弱信号光而言，在0.06V/μm的驱动电场和8mW的泵浦光作用下经由6层液晶薄膜层状光学元件后实现了高达～4000的增益值。该能耗小、成本低廉、易于集成的液晶放大器件非常适用于小信号放大、相位共轭、新型滤波等应用。
文档编号G02F1/35GK101299127SQ20081006473
公开日2008年11月5日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者姚凤凤, 孙秀冬, 裴延波 申请人:哈尔滨工业大学