液晶光学及应用
编者按：
液晶是介于液态与固体结晶态之间的一种物质状态，因此具备了很多独特的性质，包括大的光折变特性、电光特性等。自发现液晶以来，其研究已发展成为一个引人注目的学科，同时在科学和工程应用方面也得到了发展。液晶在材料、物理、化学科学中扮演着重要的角色，是科学家研究化学结构与物理性质关系的基础材料。在应用方面，液晶显示已经成长为超过100亿美元的全球巨大型产业，入选国家战略新兴产业。本刊特组织“液晶光学及应用”专题，从材料、光学特性、器件、应用等方面介绍该领域的发展现状和最新的研究成果。在材料和光学特性方面，包括混合液晶分子动力学、胆甾相和蓝相液晶、新型液晶的表面等离子体效应等; 在器件和应用方面，包括电光调制及光光调制的全息显示技术及薄膜晶体管驱动的研究; 在非显示应用方面，则有液晶填充光子晶体光纤的报道。通过对液晶光学的深入研究，有望在基础新材料和核心器件方面得到突破，推动物理、化学、材料基础学科的前沿发展，并在电子信息产业领域得到重要应用。
2015, 64 (12): 120702.
doi: 10.7498/aps.64.120702
摘要 +
将5种不同折射率的液晶分别填入实芯光子晶体光纤的空气孔中, 通过改变外场条件, 研究其输出光谱的变化规律, 并进行了理论模拟分析. 结果表明: 填充液晶后, 输出光谱由全通变为多个波峰的带隙式; 同时, 液晶的折射率差值越大, 其波峰位置越向长波长方向移动, 且相对光强的对比度可以达到16 dB; 温度由20 ℃上升到85 ℃时, 波峰向短波长方向移动, 最大调控范围可达41 nm; 调节电压从0-250 V, 输出光谱的相对光强变小, 但波峰具有较好的稳定性; 在室温下, 波峰不随入射光偏振态的变化而变化. 该液晶光子晶体光纤可应用于温控可调谐滤波器或电控衰减器.
2015, 64 (12): 124213.
doi: 10.7498/aps.64.124213
摘要 +
在传统的纯相位全息显示系统中, 一般基于快速傅里叶变换(FFT)算法来计算相位全息图, 在FFT的计算中需要遵循Nyquist采样定理, 因此, 重建图像的尺寸往往受限于空间光调制器的固定采样率. 这个限制可以通过卷积算法或者两步菲涅耳衍射算法来解决, 但是需要使用多个FFT的计算, 导致计算量增大. 鉴于此, 提出了一种基于透镜的纯相位全息图计算方法. 在全息图的计算中, 通过透镜的成像原理建立一个采样率可变的虚拟全息面, 通过调节相应的距离参数使得在全息图的计算中可以任意调节原始图像的采样率, 摆脱了传统方法中液晶空间光调制器带宽积对重建图像尺寸的限制, 并且这种算法只需使用一次FFT就能达到变采样率的衍射计算, 大幅提高了全息图的计算速度. 数值模拟及光学实验结果证明了此方法可以在全息显示光学系统中清晰地重建不同尺寸的图像. 同时该系统可以有效地消除由空间光调制器的像素化结构带来的零级衍射.
2015, 64 (12): 124214.
doi: 10.7498/aps.64.124214
摘要 +
本综述首先较为系统地介绍了近代光子学的一个重要分支——纳米等离子激元学(nanoplasmonics)中有关基础概念的物理、光学背景及推动该学科的演绎发展脉络. 这包括由在平滑界面上的光学表面波(optical surface wave)从物理上导出表面等离子激元(surface plasmon polariton, SPP)的概念, 再由粗糙表面及较大金属颗粒对SPP的影响, 引出线度远小于光波长的纳米金属颗粒与光电磁波的相互作用的结果: 本地表面等离子激元(localized surface plasmon polariton)的存在, 亦即纳米等离子激元学的基础. 在简介了纳米等离子激元学器件系统如何在诸多领域突破了传统光学的束缚, 演绎开辟出了近代光学研究的许多特异的新领域后, 特别关注了近期迅速发展并引起越来越多关注的可调制的纳米等离子激元学(tuneable nanoplasmonics)器件的领域. 液晶材料在光学响应方面特有的可调制特性, 使其在纳米等离子激元学器件的调制中成为一个具有非常实用意义的探索方向. 本综述介绍了这方面研究的最新进展, 并对存在的挑战及可能的发展方向等也进行了相应的探讨.
2015, 64 (12): 124215.
doi: 10.7498/aps.64.124215
摘要 +
全息三维显示是真三维显示技术, 其原理是利用光学干涉记录和衍射再现将物体或场景的三维信息全部重建出来, 所以观看全息三维图像与观看真实物体或场景的效果一样. 近期全息研究领域有一些突破性的成果被报道, 将推动全息显示的应用不断走向成熟. 本文将重点介绍基于光学材料和空间光调制器为全息图承载载体的动态全息三维显示最新发展状况. 虽然动态全息三维显示研究仍然存在挑战, 但最近研究中已经利用光学材料实现了实时动态全息三维视频显示, 这为未来实现大尺寸、高分辨率、彩色全息真三维视频显示提供了可能.
2015, 64 (12): 126101.
doi: 10.7498/aps.64.126101
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针对蓝相液晶显示器中的暗态漏光特性, 采用时域有限差分方法模拟计算了胆甾相液晶的平面态和焦锥态以及蓝相II态液晶的透射和反射特性, 得到了它们在正交和平行偏振片之间的漏光, 并提出了计算等效旋光能力的公式以比较它们的旋光能力. 通过对比焦锥态和蓝相液晶的旋光能力和漏光特性发现, 采用焦锥态替代蓝相液晶而得到良好的暗态特性是一种可行的方法. 通过研究它们的布拉格反射特性, 得知蓝相液晶的布拉格反射与平面态相似, 但反射强度小, 焦锥态无明显的布拉格反射特性.
2015, 64 (12): 126102.
doi: 10.7498/aps.64.126102
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提高液晶波前校正器的响应速度是增加液晶自适应光学系统校正带宽的关键, 而研究设计低旋转黏度的液晶分子是提高液晶波前校正器响应速度的根本方法. 利用原子水平上的分子动力学方法获得了目标分子的液相、向列相以及近晶相, 给出了理论计算液晶分子序参数以及旋转黏度的方法. 与此同时, 结合实验方法, 提出利用混合液晶分子动力学模拟来比较液晶分子旋转黏度的大小, 通过多次模拟、多起始点数据处理最大限度消除了因边界尺寸效应带来的数据波动, 最后给出了两种高性能液晶分子的具体比较结果. 这种分子动力学模拟方法能够探查分子结构细微差别对液晶相态以及旋转黏度的影响, 为设计低旋转黏度的液晶分子提供了理论支持, 必将为快速响应液晶材料的设计提供帮助.
2015, 64 (12): 126103.
doi: 10.7498/aps.64.126103
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在铜(Cu)和非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)之间插入30 nm厚的钼(Mo)接触层, 制备了具有Cu-Mo源漏电极的a-IGZO薄膜晶体管(TFT). Mo接触层不仅能够抑制Cu与a-IGZO有源层之间的扩散, 而且提高了Cu电极与玻璃基底以及栅极绝缘层的结合强度. 制备的Cu-Mo结构TFT与纯Cu 结构TFT相比, 具有较高的迁移率(～9.26 cm2·V-1·s-1)、更短的电流传输长度(～0.2 μm)、更低的接触电阻(～1072 Ω)和有效接触电阻率(～1×10-4Ω·cm2), 能够满足TFT 阵列高导互联的要求.
