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研究生: 陳言愈
Chen, Yan-Yu
論文名稱: 電控及光控膽固醇液晶光柵之研究
Electrically and optically controllable cholesteric liquid crystal gratings
指導教授: 傅永貴
Fuh, Y.G. Andy
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 99
中文關鍵詞: 膽固醇液晶液晶光柵偶氮染料
外文關鍵詞: cholesteric liquid crystal, fingerprint, grating, azo dye, d/Po, d/P
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  • 膽固醇液晶光柵具有自組成之特性,除了製作非常容易,最大的優點在於可利用改變外加電場或光場來調控其光柵的繞射角度,因此在光束方向控制(beam-steering)的應用上有很大的潛力。
    本論文主要是研究膽固醇液晶光柵的形成方向與其d/P值以及上下基板的配向方向之關係,其中d/P值為液晶盒間距(cell gap, d)與膽固醇液晶螺距(pitch, P)的比值,這裡的P指的是當膽固醇液晶注入液晶元件後因受到上下基板的邊界力影響,為了滿足邊界條件而改變後的螺距,並利用電控和光控來切換膽固醇液晶光柵的方向及改變繞射角度,此外並研究其光學特性。
    實驗第一部份探討若上下玻璃基板的配向方向夾一角度φ,且搭配不同的d/Po值時(這裡的Po指的是自然狀態下未改變前之螺距)),膽固醇液晶所形成的膽固醇液晶光柵之方向特性。找出φ與d/Po值對膽固醇液晶光柵形成方向之規則。根據第一部分之結果,第二部分利用控制外加電場來改變膽固醇液晶的螺距之特性,進而改變d/P值,並因此切換膽固醇光柵的形成之方向性。此外並研究不同之d/P光柵可切換性,以及切換方向前後,利用電場調制繞射角度的特性。而第三部分則是利用偶氮染料M5C之光致同素異構化反應,摻雜於膽固醇液晶中,使用紫外光照射使膽固醇液晶螺距變小,照射綠光則可使膽固醇螺距變長,來改變d/P值,製作一可光切換方向之膽固醇液晶光柵。並研究此光柵方向切換前後利用外加電場及照光改變其繞射角度之特性。
    綜合上面所述,我們詳細研究了膽固醇液晶光柵形成之方向之原理。並利用電控與光控兩種機制來改變d/P值,成功製作出可切換方向之膽固醇光柵。綜合方向切換以及調控繞射角度,此膽固醇液晶光柵在光柵分向有很大應用之潛力。

    A cholesteric liquid crystal (CLC) grating is easily fabricated because of its self-assemble nature. The advantage of a CLC fingerprint grating is that diffraction angle can be tuned by the application of an electrical or optical field. Therefore, CLC fingerprint gratings have high potential for use as beam-steering devices.
    This thesis primarily studies the variations of the CLC grating direction with the d/P ratio and the angle φ made by the rubbing directions of top and bottom substrates, where d/P is the film thickness-to-pitch ratio. Applying an electrical or optical field, we can switch the direction of a CLC grating and tune the diffraction angle. Furthermore, we also study the optical properties of the formed CLC gratings.
    Experimentally, this thesis consists of three parts. In the first part, we investigate the relationship between the direction of a CLC grating and two parameters, the d/Po ratio (d/Po is the film thickness-to-natural-pitch ratio) and the angle φ made by rubbing directions between top and bottom substrates. The obtained results agree well with the theoretical predictions. In the second part, we use an electrical field to control the pitch and d/P ratio. It allows us to switch the direction of a CLC grating. Furthermore, we investigate the switching property of a CLC grating with a given d/P ratio, and the beam-steering effect under the application of a voltage. In the third part, we use the photo-isomerization effect of the azo dye (M5C) doped in a CLC grating to vary the d/P ratio and achieve the beam-steering effect. The pitch length of a CLC decreases under UV light irradiation. This effect is reversable when the sample is irradiated with green light. Thus, we can use such a photo-isomerization effect to change the d/P ratio to achieve an optically switchable CLC grating. Furthermore, we investigate the beam -steering capability with a CLC grating doped with an azo dye under the applications of both the optical and electrical fields.
    Briefly, we have demonstrated that the d/P ratio and pitch of a fingerprint grating can be tuned electrically or optically. Tuning the d/P ratio, and pitch-length, we can switch the grating direction and steer the diffraction angle. Thus, the fabricated CLC grating has a high potential for practical application.

    目錄 摘要 I Abstract III 致謝 V 目錄 VI 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 動機 1 1.3 論文結構 2 第二章 液晶簡介 3 2.1 何謂液晶 3 2.2 液晶分類 4 2.2.1向列型液晶(Nematics, 簡稱N) 6 2.2.2 膽固醇型液晶(Cholesterics, 簡稱N*) 8 2.2.3 層列型液晶(Smectics, 簡稱Sm) 10 2.2.4 圓盤狀(Disc-like)液晶 11 2.3液晶物理特性 12 2.3.1 液晶的雙折射性 12 2.3.2 溫度對向列型液晶的影響 16 2.3.3 秩序參數 17 2.3.4 彈性連續體理論 18 2.3.5 介電常數異向性 20 2.3.6 Fréedericksz Transition 22 第三章 相關基礎理論 23 3.1 膽固醇液晶理論 23 3.1.1 膽固醇液晶的各種結構 23 3.1.2 影響膽固醇液晶變化的外在因素 25 3.2 膽固醇液晶的光學特性 28 3.3 膽固醇液晶光柵特性與理論 30 3.3.1 膽固醇手紋(fingerprint)結構的形成 30 3.3.2 膽固醇手紋(fingerprint)結構之特性 32 3.3.3 膽固醇液晶光柵(CLC grating)之繞射特性 33 3.4 膽固醇液晶光柵的方向性 34 3.5 光引致液晶分子轉向效應 36 3.5.1 光引致同素異構化反應(Photo-isomerization) 36 3.5.2 光致熱效應(Light-induced thermal effect) 37 第四章 樣品製作與實驗光路 39 4.1 材料介紹 39 4.1.1 向列型液晶-E7 39 4.1.2 對掌性分子-S811 40 4.1.3 偶氮染料-M5C 41 4.2 樣品製作 43 4.2.1 樣品試劑配製 43 4.2.2 玻璃裁切與清洗 43 4.2.3 玻璃表面配向處理 44 4.2.4 空液晶盒(cell)製作 45 4.2.5 填充液晶 46 4.3 實驗光路架設 47 4.3.1 實驗I和II的光路架設 47 4.3.2 實驗III的光路架設 48 第五章 電控及光控膽固醇液晶光柵結果與討論 50 5.1 實驗I:不同d/Po值和水平配向方向對形成膽固醇光柵方向之影響 50 5.1.1觀察homogenous cell(φ=0°)在不同d/Po值下所形成的手紋結構 51 5.1.2上下基板的配向方向所夾之角度φ與手紋結構方向之影響 53 5.2 實驗II:電控膽固醇液晶光柵 57 5.2.1 電控膽固醇液晶光柵之方向切換 57 5.2.2 電控切換之機制原理 60 5.2.3 電控膽固醇液晶光柵之方向和繞射角度 63 5.2.4 探討不同d/Po值-膽固醇液晶光柵之電切換特性 67 5.3 實驗III:光控膽固醇液晶光柵 78 5.3.1 光控切換之機制原理 78 5.3.2 光控膽固醇光柵之方向切換 79 5.3.3 光控膽固醇液晶光柵之繞射角度 82 5.3.4 光控不同M5C濃度下的膽固醇液晶光柵之特性 85 5.3.5 探討不同M5C濃度-膽固醇液晶光柵之特性 90 5.3.6 探討膽固醇液晶光柵之光控切換與電控切換 92 第六章 結論與未來展望 93 6.1 結論 93 6.2 未來展望 95 參考文獻(References) 97

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    下載圖示 校內:2013-08-08公開
    校外:2013-08-08公開
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