硅基液晶波前校正器光控取向技术研究

Performance of liquid crystal wavefront corrector directly restricts the development of liquid crystal adpative optics system. For liquid crystal on silicon wavefront corrector (LCoSWFC) there is no matched alignment technique in world. Conventional rubbing technique usually generates dust, electrostatic charges and scratches; and hence it can not be used for fine LCoS devices. Additionally, compared with display devices, cell gap of LCoS WFC is much smaller, and factors of alignment layer thickness, anchoring energy and order parameter which is negligible for display application will become restricted parameter for accuracy and speed of phase modulating for WFC. Photoalignment is a noncontact method and could solve the above-mentioned problems of rubbing technique; however nowadays it is limited to display application.The operated photoalignment technique could not achieve precise control of these parameters and hence it can not be used for LCoSWFC. This research plans to use self-assembled technique to form film and photosensitive dendrons to generate aligned direction, finally achieving proper alignment layer for LCoSWFC. This research work consists of analizing connection between the property of alignment layer and performance of LCoSWFC;design and synthesis of photosensitive dendrons;control and formation of self-assembled layer and its photoalignemnt study. The results of this research will broaden application space for LCoSWFC to be used in large diameter telescopes.

液晶波前校正器性能直接制约着液晶自适应系统的发展。对于硅基液晶波前校正器（LCoSWFC），目前国际上还没有匹配的取向技术。传统的摩擦法易产生静电、灰尘和划痕，无法满足精密LCoS器件取向要求。此外，相比显示器件，LCoSWFC工作厚度较小，对显示器可忽略的取向层厚度、锚定强度以及有序度等因素会显著影响LCoSWFC的响应速度。光控取向技术由于其非接触式操作，可以避免摩擦带来的问题，但目前的研究都局限于显示领域。尚不能实现对上述取向层特性的精确调控，因而无法应用于LCoSWFC。本项目拟采用有序的分子自组装成膜技术，结合光敏性树枝状分子进行取向诱导，实现与LCoSWFC匹配的取向膜制备。研究内容涉及取向层特性与校正器性能内在联系分析，树枝状光敏分子优化设计及合成，自组装膜生长及光控取向控制等。本项目的研究成果将进一步提升LCoSWFC的相位调制性能，拓宽其在大口径望远镜上的应用空间。

液晶波前校正器是一种新型的波前校正器，具备非常高的像素密度，可以匹配大口径望远镜；是一种更具潜力的波前校正器件，其性能直接制约着液晶自适应系统的发展。对于制备硅基液晶波前校正器，最为关键的技术之一就是液晶的取向技术，它直接决定着器件内部液晶分子的排列好坏，是影响器件响应速度、控制电压等性能参数的重要因素。目前国际上还没有相应匹配的取向技术，传统的摩擦法易产生静电、灰尘和划痕，无法满足精密LCoS器件取向要求。此外，相比显示器件，LCoSWFC工作厚度较小，对显示器可忽略的取向层厚度、锚定强度以及有序度等因素会显著影响校正器的响应速度。光控取向技术由于其非接触式操作，可以避免摩擦带来的问题，但目前的研究都局限于显示领域。尚不能实现对上述取向层特性的精确调控，因而无法应用于校正器。本项目拟采用光控组装成膜技术，结合特殊结构光敏性分子进行取向诱导，实现与校正器匹配的取向膜制备。研究内容涉及取向层特性与校正器性能内在联系分析，光敏分子优化设计及合成，成膜控制及超薄校正器的测试方法探索等研究内容。在本研究中，首先对取向层的介电常数与取代基的内在联系进行了模拟计算，通过计算优选了取向材料的基本构型及取代基团的类型及取代位置，确定了偶氮类的光敏构型及间位取代位置，计算得出：相比无取代结构的光敏分子，分子的极化率实现了近 30%的提升。其次，理论验证了取向层特性与校正器性能内在联系分析，给出了取向层特性的制备参数的优化方向；采用锚定强度较强的偶氮苯类取向材料，获得了从零点几度到3.5度的可变预倾角范围，并制成了相应的校正器件；测试结果表明小预倾角液晶校正器其响应速度可实现近10%的提升。其次，在测试方面，不仅在理论上建立了基于厚度较厚的校正器件撤去电压后的电光响应曲线的测量结果，从而推算出较薄校正器对应一个2π调制量的响应时间；最终可推算出器件最佳响应态的计算方法，并且设计了相应实验验证了该理论的准确性。基于上述结果，实现了对超薄液晶校正器任意盒厚下响应时间推算的一次测量法的简便测试方法。本项目的研究结果不仅对LcosWFC器件的实用化提供了具体的制备参数的优化数值，也给出了理论层次上的模型和分析。本成果完整地建立了校正器件从最初的分子设计到取向成膜及最终制成器件的实验验证系统，该系统的建立必将加快促进液晶校正器相位调制性能的显著提升，从而进一步拓宽其在大口径望远镜上的应用空间。