论文总字数：28106字

摘 要

全息聚合物分散液晶（H-PDLC）作为一种新的光学材料，因为具有电控折射率调制的特点，使得其所制成的光栅的衍射特性可在外加电压下变化，有望在变焦透镜、光电显示、光通信领域等获得广泛的应用。本文的研究目的是研究液晶光栅中的关键液晶盒制备工艺，探究折射率调制度对光栅衍射性能的影响，并制备具有衍射现象的全息聚合物分散液晶光栅。

论文首先采用Comsol Multiphysics软件对聚合物单体在不同形状液晶盒内的扩散过程进行仿真，针对中轴线开口的工业用液晶盒中产生气泡较多，分析设计了基于对角线开口的实验室点胶制盒结构。此外，论文还对H-PDLC光栅的折射率调制对衍射效率的影响进行了仿真分析。

论文基于丙烯酸脂预聚物的配方，研究了液晶盒的制作、封盒、灌晶、曝光以及后处理过程，制备了透射式全息聚合物分散液晶光栅。论文制备的H-PDLC光栅透射光谱表明，其中心波长在570nm。论文还采用532nm激光进行了光栅衍射效率的测试，其一级衍射效率达到15.6%。

关键词：H-PDLC，体全息光栅，衍射特性

ABSTRACT

As a new optical material, holographic polymer dispersed liquid crystal (H-PDLC) has the characteristics of electronically controlled refractive index modulation, so that the diffraction characteristics of the grating produced by it can be changed under applied voltage, and it is expected to be widely used in the fields of zoom lens, photoelectric display, and optical communication. The purpose of this paper is to study the preparation process of key liquid crystal cells in liquid crystal gratings, to explore the influence of refractive index modulation on the diffraction performance of gratings, and to prepare holographic polymer dispersed liquid crystal gratings with diffraction phenomena.

The paper firstly uses Comsol Multiphysics software to simulate the diffusion process of polymer monomers in different shapes of liquid crystal cells. The industrial liquid crystal cells with central axis opening generate more bubbles, and the laboratory liquid crystal cells based on diagonal openings are analyzed and designed. Plastic box structure. In addition, the paper also analyzes the effect of refractive index modulation of H-PDLC grating on diffraction efficiency.

Based on the formulation of acrylate prepolymer, the preparation, sealing, filling, exposure and post-treatment of liquid crystal cell were studied. Transmissive holographic polymer dispersed liquid crystal grating was prepared. The transmission spectrum of the H-PDLC grating prepared by the paper shows that the center wavelength is 570 nm. The paper also used the 532nm laser to test the diffraction efficiency of the grating, and its first-order diffraction efficiency reached 15.6%.

Key words:H-PDLC, volume holographic grating, diffraction characteristics

目 录

摘 要 Ⅲ

ABSTRACT Ⅳ

第一章 绪论 7

1.1课题研究背景和意义 7

1.2国内外研究概况 8

1.3本论文研究内容 10

第二章 全息聚合物分散液晶光栅理论基础 12

2.1体全息光栅 12

2.2全息聚合物分散液晶光栅的工作原理 13

2.3衍射效率公式及影响因素 14

2.3.1衍射效率公式 14

2.3.2衍射效率影响因素 15

第三章 体全息聚合物分散液晶的COMSOL分析 18

3.1COMSOL仿真软件 18

3.2液晶盒内扩散过程仿真 19

3.2.1扩散方程 19

3.2.2工业用液晶盒仿真模型及结果分析 20

3.2.2点胶自制液晶盒的仿真模型及结果分析 22

3.3体全息光栅仿真 24

3.3.1H-PDLC光栅结构模型 24

3.3.2仿真结果及分析 25

第四章 体全息聚合物分散液晶光栅的制备和测试 28

4.1制备工艺流程 28

4.1.1PDLC制备方法 28

4.1.2反应过程 29

4.1.3 制备流程 30

4.2制备材料 34

4.3液晶盒制作 34

4.4衍射效率的测试 35

第五章 总结与展望 38

参考文献 39

致 谢 41

绪论

1.1课题研究背景和意义

全息术的概念由Gabor在1947年首次提出，相比于普通的二维图像只能记录光波的振幅信息，三维全息图像能够同时记录振幅和相位，实现真正意义上对图像的完整记录。但是当时由于没有高相干度、高强度的光源出现，全息术一直发展缓慢，直到1960年，激光器的发明为全息术带来了革命性进展。全息术的发展日渐成熟，至今已经在很多方面都取得了巨大进展，产生了白光全息例如彩虹全息、合成全息，全息高密度信息存储，全息透镜、全息光栅等全息元件，全息干涉计量和全息显微术等诸多应用。在其众多应用之中，全息光栅作为记录全息图的器件，是全息术主要研究热点之一。将在低电场控制下即具有良好电控特性的液晶与全息光栅技术相结合，即论文所要研究的全息聚合物分散液晶（Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal，H-PDLC）光栅，则是用全息记录材料作为记录介质，通过外加电场控制液晶折射率变化从而实现H-PDLC光栅折射率调制的一种器件。

全息聚合物分散液晶是一种新型的光电信息功能器件，由于具有体积小、易于集成、响应速度快、衍射效率高、制备工序简单等优点，受到了国内外学者的广泛关注^[1]。最初预聚物和液晶互溶，在激光作用下预聚物在干涉亮区聚合，液晶在聚合物基质中的溶解性降低并向干涉暗区扩散，从聚合物基质中析出形成液晶微滴，直到最终固化形成具有平行的周期排列的聚合物富集区和液晶富集区的体全息光栅。在未加电压时液晶指向矢随机并且具有介电各向异性性质，并且由于液晶具有电控特性，在足够强度的外加电压下液晶指向矢会沿电场方向指向，即垂直于玻璃基板表面排布，此时如果液晶的寻常折射率与聚合物基质折射率相匹配，入射的光会全部发生透射，衍射光消失。由于光栅工作在布拉格区，并且具有电控特性，因此也属于电控可切换布拉格光栅（Electronically Switchable Bragg Gratings,ESBGs）。

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