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“十三五”全国高等院校光电子类系列规划教材 液晶光子学 主 编 刘多林 潘 峰 罗 丹 主编 II 内 容 简 介 本书主要介绍国内外液晶光子学领域的最新研究动态，特别是液晶光子学材料及器件在新型显示技术和新型光子学器件方面的应用。本书共 10 章，内容包括液晶光场调控技术、蓝相液晶材料、蓝相液晶显示器、液晶激光器、铁电液晶、增强现实显示技术及液晶器件的应用、液晶液滴与壳的光子学应用、液晶等离激元光子学、液晶光通信和太赫兹调控元件等。本书作为高等院校专业教材，可供相关专业师生参考，也可供液晶光子学领域的工程技术人员阅读。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 液晶光子学/罗丹主编北京：电子工业出版社，2018.6“十三五”全国高等院校光电子类系列规划教材 ISBN 978-7-121-34255-4 I液 II罗 III液晶光子高等学校教材 IVO572.31 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 106111 号 策划编辑：米俊萍 责任编辑：杨秋奎 印 刷：北京季蜂印刷有限公司 装 订：北京季蜂印刷有限公司 出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：17.75 字数：443 千字 版 次：2018 年 6 月第 1 版 印 次：2018 年 6 月第 1 次印刷 定 价：49.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至，盗版侵权举报请发邮件至。本书咨询联系方式：。III 编 委 会 主 任：罗 丹 委 员：郑致刚 胡 伟 魏冰妍 陈 鹏 陆延青 李 萧 马红梅 孙玉宝 郭 琦 赵慧洁 李 燕 刘澍鑫 陈鹭剑 刘言军 肖 栋 葛士军 段 薇 IV V前 言 自 19 世纪末以来，液晶广泛应用于平板显示领域。一方面，液晶显示在信息显示工业中扮演着重要的角色，是当前平板显示技术的主流，其应用领域从小尺寸的手机、计算机，到大尺寸的液晶电视和投影电视；另一方面，随着 21 世纪初液晶技术的革新及蓬勃发展，液晶光子学材料和器件在快速响应显示技术、增强现实、光场调控衍射光学器件、等离激元、光通信等方面展现出蓬勃的生机。目前，人们对液晶的研究正从显示领域扩展到光子学领域。本书主要介绍近年来液晶光子学领域国内外的最新研究动态，特别是液晶光子学器件和技术的前沿发展。本书内容安排如下：第 1 章绪论，第 26 章介绍了液晶光场调控技术、蓝相液晶材料及其显示器、液晶激光器、铁电液晶等器件的工作原理和性能，第 710 章介绍了液晶光子学在增强显示、液晶液滴、等离激元、光通信和太赫兹调控元件等新兴领域中的应用。希望本书能够帮助读者了解液晶光子学最新进展和前沿动态。本书作为高等院校专业教材，可供相关专业师生参考，也可供液晶光子学领域的工程技术人员阅读。非常感谢本书的共同编著者，本书的顺利完稿与大家的努力是分不开的。各章节撰写者如下：第 1 章，华东理工大学郑致刚；第 2 章，南京大学胡伟、魏冰妍、陈鹏、陆延青；第3 章，华东理工大学郑致刚、李萧；第 4 章，河北工业大学马红梅、孙玉宝；第 5 章，南方科技大学罗丹；第 6 章，北京航空航天大学郭琦、赵慧洁；第 7 章，上海交通大学李燕、刘澍鑫；第 8 章，厦门大学陈鹭剑；第 9 章，南方科技大学刘言军、肖栋；第 10 章，南京大学胡伟、葛士军、段薇、陆延青。感谢各个课题组的研究成员提供的帮助，感谢我们的同事和朋友关于本书的有益讨论，感谢南方科技大学提供的经费支持。最后，感谢我们的家人在本书完成过程中给予的鼓励、支持和理解。由于作者水平所限，书中不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。罗 丹 于南方科技大学 2018 年 1 月 VI VII 目 录 第 1 章 绪 论 郑致刚 1.1 液晶的概念及其分子结构 2 1.1.1 液晶的概念2 1.1.2 液晶的分子结构2 1.2 液晶的分类 3 1.2.1 按呈现液晶态的方式分类3 1.2.2 按分子几何外形分类4 1.2.3 按相对分子质量（分子尺度）分类5 1.3 液晶的典型相态与结构 6 1.3.1 向列相6 1.3.2 近晶相7 1.3.3 手性液晶相9 习题 13 参考文献 13 第 2 章 液晶光场调控技术 胡 伟 魏冰妍 陈 鹏 陆延青 2.1 光场调控 15 2.1.1 涡旋光束 15 2.1.2 矢量光束 17 2.1.3 艾里光束 18 2.1.4 贝塞尔光束 19 2.1.5 光场调控的方法 20 2.2 基于倾角控制的液晶调光技术 21 2.2.1 原理 21 2.2.2 实例 22 2.3 结合方位角控制的液晶调光技术 28 2.3.1 原理 28 2.3.2 液晶取向技术 30 VIII 2.3.3 实例 32 2.4 讨论和展望 43 习题 44 参考文献 44 第 3 章 蓝相液晶材料 郑致刚 李 萧 3.1 蓝相液晶材料简介 49 3.2 聚合物稳定的蓝相液晶材料 50 3.3 弯曲形分子诱导形成的蓝相液晶材料 52 3.4 掺杂纳米粒子的蓝相液晶材料 53 3.5 氢键稳定的蓝相液晶材料 55 3.6 外界刺激响应的蓝相液晶材料 57 3.7 蓝相液晶材料器件 60 3.7.1 相位光栅 60 3.7.2 透镜 62 3.7.3 激光 63 3.7.4 相位调制器和可调光衰减器 65 3.8 本章小结 66 习题 66 参考文献 67 第 4 章 蓝相液晶显示器 马红梅 孙玉宝 4.1 引言 72 4.2 蓝相液晶显示器相关参数 78 4.2.1 蓝相液晶显示器的结构及临界电场强度 79 4.2.2 光学阈值电压和光学饱和电压 82 4.2.3 其他结构 BPLCD 的驱动电压与驱动电场强度 89 4.2.4 小结 93 4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算 93 4.3.1 理论模型与相关理论 94 4.3.2 蓝相液晶的等效弹性常数 96 4.3.3 蓝相液晶的动力学响应 99 4.3.4 蓝相液晶的旋光特性研究102 4.3.5 小结107 4.4 本章小结 107 IX习题107 参考文献108 第 5 章 液晶激光器 罗 丹 5.1 引言 113 5.2 液晶激光器的基本原理 114 5.2.1 光子晶体114 5.2.2 激光器的不同类型116 5.2.3 液晶形成的光子禁带结构116 5.3 带边型激光器 117 5.3.1 胆甾相液晶激光器118 5.3.2 蓝相液晶激光器120 5.3.3 全息聚合物分散液晶激光器121 5.4 缺陷型激光器 127 5.5 调谐特性 129 5.5.1 电场调谐129 5.5.2 温度调谐130 5.5.3 光场调谐131 5.5.4 机械力调谐131 5.5.5 空间调谐132 5.6 应用前景 133 习题133 参考文献133 第 6 章 铁电液晶 郭 琦 赵慧洁 6.1 对称性和极化 141 6.1.1 近晶相的对称性141 6.1.2 铁电液晶的自发极化143 6.1.3 铁电液晶的关键参数145 6.2 典型光电模式 148 6.2.1 表面稳定型铁电液晶149 6.2.2 螺旋形变型铁电液晶151 6.2.3 电致解旋型铁电液晶154 6.3 铁电液晶的取向 156 6.3.1 铁电液晶的缺陷与织构156 X 6.3.2 铁电液晶的光控取向158 6.4 铁电液晶显示器件及光子器件 160 6.4.1 铁电液晶光开关160 6.4.2 场序彩色显示160 6.4.3 电控光栅162 6.5 本章小结 163 习题163 参考文献164 第 7 章 增强现实显示技术及液晶器件的应用 李 燕 刘澍鑫 7.1 人眼视觉因素 170 7.1.1 人眼视觉模型170 7.1.2 深度暗示172 7.1.3 调焦-辐辏矛盾174 7.2 增强现实技术及产品 174 7.2.1 虚拟现实技术175 7.2.2 增强现实技术176 7.2.3 增强现实主要产品177 7.2.4 AR 眼镜三维成像机理180 7.3 头戴式增强现实显示系统 181 7.3.1 头戴式显示系统参数181 7.3.2 增强现实图像源183 7.3.3 接目光学系统184 7.3.4 问题与挑战186 7.3.5 无视觉疲劳增强现实三维显示方法186 7.4 基于液晶器件的 AR 应用190 7.4.1 基于液晶透镜190 7.4.2 基于聚合物稳定液晶散射片192 7.4.3 基于液晶偏振旋转器193 习题194 参考文献195 第 8 章 液晶液滴与壳的光子学应用 陈鹭剑 8.1 引言 198 8.2 基础理论 198 XI8.2.1 向列相液晶液滴与壳的构型199 8.2.2 胆甾相液晶液滴与壳的构型199 8.3 液晶液滴与壳的微流控制备技术 201 8.3.1 玻璃毛细管微流控201 8.3.2 界面稳定与液晶取向的控制202 8.3.3 基于渗透压的壳尺寸控制203 8.4 液晶液滴与壳的光子特性与应用 203 8.4.1 液晶液滴的回音壁模式激光发射204 8.4.2 胆甾相液晶与壳的带边激光发射206 8.4.3 胆甾相液滴与壳的选择性光反射209 8.4.4 化学与生物传感212 8.4.5 液晶弹性体执行器215 8.5 展望 217 习题217 参考文献217 第 9 章 液晶等离激元光子学 刘言军 肖 栋 9.1 引言 223 9.2 等离激元光子学和液晶基础 224 9.2.1 表面等离激元224 9.2.2 液晶226 9.3 基于液晶的有源等离激元光子学器件 228 9.3.1 电场驱动方法228 9.3.2 光驱动方法230 9.3.3 表面声波驱动方法232 9.3.4 热驱动方法234 9.3.5 磁场驱动方法235 9.4 本章小结 236 9.4.1 当前的挑战236 9.4.2 未来的需求236 习题237 参考文献237 第 10 章 液晶光通信与太赫兹调控元件 胡 伟 葛士军 段 薇 陆延青 10.1 液晶光通信元件240 XII 10.1.1 光通信器件背景及应用241 10.1.2 独立液晶光通信元件244 10.2 液晶太赫兹器件254 10.2.1 液晶太赫兹元件254 10.2.2 液晶太赫兹相移器255 10.2.3 液晶太赫兹波片258 10.2.4 液晶太赫兹滤波器260 10.2.5 液晶可调太赫兹吸收器264 习题267 参考文献268 1 第1章 绪 论 郑致刚 华东理工大学 理学院/材料科学与工程学院 日常生活中，人类所接触到最为广泛的信息主要是声音和图像，通过亲耳所听（获取声音信息）、亲眼所见（获得图像信息）更加清晰地认识事物的现象与本质，从而“消除了随机不确定性”。声音可以在除真空以外的介质中传播，其载体是多种多样的。图像信息的直观性使人们对其依赖比对声音的依赖更强。图像的载体也有很多，古埃及人使用羊皮绘图，我国古代使用的动物甲骨、青铜、竹简，乃至主宰信息社会上千年之久的纸张。随着社会高速发展，信息量呈现级数式增长，传统的图像载体已经不能适应人类的基本生活需求，因此具备动态、清晰、色彩绚丽的图像显示器件应运而生。液晶显示器是一种典型的液晶光子学器件，其体积小、质量轻、低辐射、低能耗。自 1995年夏普开发了全球第一款 20in 液晶电视后，液晶显示器逐渐取代了传统基于阴极射线管的显示器。我国在这方面的起步较晚，但近十年发展突飞猛进。据不完全估计，2017年我国液晶显示面板的总出口量将达到 9300 万平方米，2018 年中国的面板供应量将位居全球第一。液晶自 19 世纪末被发现以来，历经了 20 世纪前叶的沉寂、20 世纪中叶的兴起、20世纪末及 21 世纪初的全面技术革新与蓬勃发展，正在继续谱写新的篇章，迎接新的辉煌！液晶显