向列相液晶取向电光效应研究

《向列相液晶取向电光效应研究》为关于向列相液晶取向光折变效而产生的相关电光效应现象的专著,全书共分8章。第1、2章介绍了向列相液晶的基础理论和液晶中光折变光栅形成的基本机制;第3章主要介绍了向列相液晶样品的制备以及光栅的表征; 第4章对聚合物分散液晶光折变特性进行了研究;第5章研究了样品中光折变光栅的衍射及能量耦合特性;第6章研究了全息光栅的动态全息存储现象;第7章对向列相液晶中基于取向光折变效应的空间自相位调制现象进行了实验研究和理论模拟；第8章介绍了琼斯矢量和琼斯矩阵，并利用琼斯矩阵对液晶的电光效应进行了理论分析。 《向列相液晶取向电光效应研究》适合于光学信息处理领域、液晶材料及有机光折变材料科学领域的相关专业研究人员阅读,也可供相关专业的研究生和教师参考。

19世纪80年代人们发现了物质的液晶态(liquid crystal)，液晶被发现后人们并不知道它有何用途，直到20世纪60年代，随着半导体集成电路技术的发展和激光器的发明，人们才把液晶作为电子工业材料广泛应用在轻薄型的显示技术上，其主要原因在于液晶的光学特性可以通过电场控制。后来，人们认识到液晶的光学特性也可以通过光场控制，从而产生取向光折变效应。这样，除了平面显示器件应用以外，液晶材料的另一重要应用就是在光学信息处理领域，如动态全息、图形相关识别、光限幅、自聚焦、空间自相位调制以及波导效应等。距离1994年首次报道向列相液晶的取向光折变效应已经过去近30年，但是关于取向光折变效应的机制仍存在很大的争议，部分原因在于光折变效应的测量以及品质因数的表征上。
本书是作者在多年研究生授课和讲座的基础上，结合自身的研究成果综合而成的，同时参考了国内外相关文献。本书从向列相液晶取向光折变效应出发，从实验和理论两方面研究光折变全息光栅的衍射和耦合特性、动态全息存储特性。本书最后介绍了向列相液晶基于取向光折变效应的空间自相位调制现象，并利用琼斯矩阵对扭曲向列相液晶的波导特性进行了分析。
本书共分为8章。第1章是绪论，首先对液晶做了简要介绍，其次着重回顾了向列相液晶取向光折变效应的研究成果。第2章讨论了向列相液晶光折变效应的两种机制：体块机制和表面调制机制。在体块机制中，从理论上分析向列相液晶中空间电荷场形成的过程。在考虑强边界条件下，给出光致载流子扩散和漂移引起的电导的不均匀性产生的空间电荷场，以及考虑电导率和介电常数的各向异性由Carr-Helfrich效应产生的空间电荷场。在表面调制机制中，给出表面电荷调制的物理模型，分析了表面电荷的动态演化过程，以及表面电荷调制产生的表面电场。第3章是液晶样品的制备及全息光栅表征，首先介绍了自行制备掺杂C60的向列相液晶薄膜样品的方法，给出透射光栅的标量衍射理论及琼斯(Jones)矩阵表示;利用标量衍射理论和耦合波理论讨论薄光栅的Raman-Nath衍射特性及能量耦合特性。第4章对聚合物分散液晶光折变特性进行了研究，研究了不同样品的衍射效率和响应时间与外加电压、光栅间距、入射光强比以及光栅波矢与外电场夹角之间的关系。第5章通过实验研究了向列相液晶中光栅的一阶动态衍射特性，以及衍射效率、能量耦合与外加电压的关系。第6章研究了向列相液晶在动态全息领域的应用，提出了一种特殊的二维全息图像的记录和再现方式，并研究外加电压对全息图像再现的影响以及再现图像的特点。第7章对向列相液晶中空间自相位调制现象进行了研究，分析了光的偏振态等参数对衍射图样的影响，借助折射率椭球解释实验中观察到的现象;利用Kirchhoff-Fraunhofer衍射积分进行数值模拟发现，衍射图样的结构主要由光束结构和附加相移两个参数确定。第8章介绍了琼斯矢量和琼斯矩阵，给出了旋转坐标系下偏振片和相位延迟片的琼斯矩阵，并利用琼斯矩阵对液晶中光的传播、偏振态变化以及波导效应进行了研究。
限于作者水平和经历，书中不足之处在所难免，请读者不吝赐教。希望通过本书的介绍能够对液晶取向光折变机制以及由此产生的各种电光效应的研究及应用起到抛砖引玉的作用。
最后，要向在本书写作过程中给予帮助的研究生梁莉青同学表示感谢，感谢她在校稿过程中付出的辛苦。

任常愚
2023年11月

任常愚，男，1963年出生。博士、教授，现就职于福州外语外贸学院。1986毕业于淮北煤炭师范大学物理系，获理学学士学位，2009年获得哈尔滨工业大学光学博士学位。曾任黑龙江科技大学物理系主任及物理学一级学科硕士点负责人，黑龙江省物理学会常务理事，中国物理学会液晶分会会员，教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会东北地区工作委员会常务委员，教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会东北地区工作委员会委员，《液晶与显示》《黑龙江科技大学学报》期刊编委、审稿人。
长期从事非线性光学及液晶材料光学信息处理方面的研究。获黑龙江省自然科学技术学术成果奖一等奖1项；哈尔滨市科技进步三等奖2项；获发明专利2项；在国内外核心期刊上发表相关论文50余篇，其中以第 一作者被SCI、EI收录9篇。

《向列相液晶取向电光效应研究》为关于向列相液晶因取向光折变效应产生的相关电光效应现象的专著，全书共分为8章。主要内容包括向列相液晶的基础理论和液晶中光折变光栅形成的基本机制、向列相液晶样品的制备及光栅的表征、聚合物分散液晶光折变特性的研究、光折变光栅的衍射及能量耦合特性、全息光栅的动态全息存储现象、向列相液晶中基于取向光折变效应的空间自相位调制现象、液晶器件的琼斯矩阵表示。本书内容丰富，对研究向列相液晶取向电光效应具有一定的理论和应用价值。
本书适合光学信息处理领域、液晶材料及有机光折变材料科学领域的相关专业研究人员阅读，也可供相关专业的研究生和教师参考。

第1章 绪论 1
1.1 液晶 1
1.1.1 液晶的发现及分类 1
1.1.2 液晶的序参数及介电常数 2
1.1.3 液晶分子的取向 4
1.1.4 液晶的形变 5
1.2 向列相液晶的非线性光学效应 6
1.3 向列相液晶中光折变效应的研究 7
1.3.1 光折变效应的体块机制 9
1.3.2 隐藏 (永久) 光栅机制 13
1.3.3 表面电荷调制光折变效应 14
1.4 向列相液晶中更强的光折变现象 17

第2章 光折变全息光栅的物理机制 19
2.1 体块调制光折变光栅 19
2.1.1 体块调制空间电荷场产生的物理机制 19
2.1.2 体块调制光折变光栅的形成 22
2.2 表面电荷调制光折变光栅 24
2.2.1 表面电荷调制的载流子注入模型 24
2.2.2 外加电场作用下载流子的注入 26
2.2.3 光致表面载流子注入 29
2.2.4 光致表面载流子注入的动态演化 30
2.2.5 表面电荷调制电荷场 32
2.2.6 表面电荷调制光栅的形成 35

第3章 掺杂C60 向列相液晶样品的制备及光栅表征 37
3.1 掺杂C60 向列相液晶样品的组成与制备 37
3.1.1 样品的组成 37
3.1.2 液晶盒的制作及薄膜样品的制备 38
3.2 薄光栅的衍射理论 40
3.2.1 厚光栅与薄光栅 40
3.2.2 薄光栅的衍射方程 41
3.2.3 透射光栅的标量衍射理论 42
3.2.4 透射光栅的琼斯 (Jones) 矩阵表示 43
3.3 光栅的二波耦合理论 46
3.3.1 薄光栅的二波耦合方程 46
3.3.2 薄光栅二波耦合增益系数 49

第4章 聚合物分散液晶光折变特性的研究 51
4.1 引言 51
4.2 光折变聚合物分散液晶的组成与制备 52
4.3 样品光学性质的测量 53
4.3.1 样品透过率与电压的关系 53
4.3.2 衍射效率的测量 54
4.3.3 响应时间的测量 56

第5章 光折变全息光栅的衍射与耦合特性 58
5.1 全息光栅记录及衍射 58
5.1.1 二波耦合实验装置 58
5.1.2 全息光栅的衍射 59
5.2 全息光栅的动态衍射 61
5.2.1 光栅衍射图样随电压的变化 61
5.2.2 光栅衍射效率随外加电压的变化 62
5.2.3 光栅的建立和擦除 64
5.2.4 光栅衍射的非对称特性 64
5.2.5 光栅衍射的时间响应特性 67
5.2.6 不同光栅间距的动态衍射特性 69
5.3 全息光栅的能量耦合 71
5.3.1 外加电压对光栅二波耦合的影响 71
5.3.2 光栅耦合增益系数的动态变化过程 74

第6章 光折变全息光栅的动态全息存储与再现 77
6.1 引言 77
6.2 实验样品及实验光路配置图 80
6.3 动态全息图像的存储与再现 81
6.3.1 动态全息图像的存储 81
6.3.2 动态全息图像的再现 84
6.4 再现全息图像的反转与放大 85
6.5 光栅高阶衍射图像旋转放大的理论分析 86
6.6 光栅衍射增强的物理机制 89
6.7 光栅衍射增强的数值模拟 90

第7章 掺杂C60 向列相液晶的空间自相位调制现象 94
7.1 引言 94
7.2 掺杂C60 向列相液晶的空间自相位调制 96
7.2.1 实验样品及实验光路配置图 96
7.2.2 空间自相位调制的物理机制 98
7.2.3 空间自相位调制的数值模拟 101
7.3 掺杂C60 向列相液晶空间自相位调制的各向异性 106
7.3.1 实验样品及实验光路配置图 106
7.3.2 空间自相位调制的各向异性衍射图样 106
7.3.3 各向异性衍射图样的物理机制 107
7.3.4 各向异性衍射图样的数值模拟 111

第8章 液晶器件的琼斯矩阵表示 113
8.1 琼斯矢量和琼斯矩阵 113
8.1.1 光的偏振态的琼斯矢量表示 113
8.1.2 偏振片和琼斯矩阵 117
8.1.3 线性偏振器件的琼斯矩阵 118
8.1.4 旋转偏振器件的琼斯矩阵 120
8.2 波片的琼斯矩阵 122
8.2.1 波片及其琼斯矩阵 122
8.2.2 旋转波片的琼斯矩阵 125
8.2.3 旋转波片的应用 129
8.2.4 液晶空间光调制器对光的偏振和相位的调制 132
8.3 液晶中光的传播 134
8.3.1 非均匀双折射介质膜的琼斯矩阵 135
8.3.2 扭曲向列相液晶中光的传播 136
8.3.3 扭转向列相液晶的显示模式 139
8.3.4 扭转层列式液晶的波导作用 143

参考文献 145

作者简介 152