1.一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其特征在于，通过激光直写系统构建微纳结构；微纳结构区域内的液晶分子实现自定向；液晶的定向源于构成微纳结构的聚合物条带侧壁上的精细结构；所述微纳区域的尺寸从微米量级一直到超衍射极限的纳米量级。

2.如权利要求1所述的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其包括以下步骤：

步骤1、准备微纳结构加工需要的基底材料；

步骤2、通过激光直写的方式构建微纳结构；

步骤3、对加工得到的微纳结构进行后处理；

步骤4、向构建的微纳结构中注入液晶，形成自发定向。

3.如权利要求2所述的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其特征在于，所述微纳结构加工基于单光子激光直写技术。

4.如权利要求2所述的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其特征在于，所述微纳结构加工基于多光子激光直写技术。

5.如权利要求3所述的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其特征在于，所述聚合物条带侧壁上的精细结构为单束入射光形成；所述基底材料为可聚合有机物。

6.如权利要求2所述的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其特征在于，所述液晶为可定向的向列型液晶、胆甾型液晶或手性液晶。

7.如权利要求1所述的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其特征在于，所述微纳结构是一维结构、二维结构或三维结构。

8.使用如权利要求1-7任一所述方法的激光直写系统，所述系统为实现微纳结构加工所建立的光学和机械系统，其包括光源发生系统，光束参数调整系统，机械移动系统；光源发生系统发出的光束经光束参数调整系统调整至微纳结构加工的所需的光束，机械移动系统使加工光束与加工样品间发生相对位移，以加工微纳结构。

9.如权利要求8所述激光直写系统，其特征在于，所述光源发生系统为可激发材料光聚合的光束产生系统。

10.如权利要求8或9所述激光直写系统，其特征在于，所述光学参数调整系统为保证光聚合有效发生，而对光束的传播方向、强度、偏振等参数进行调整的光学器件系统。

技术领域

[0001]本发明属于光调制技术领域，具体涉及基于激光直写的微纳加工领域和基于液晶的光调制，特别是涉及一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法及其系统。

背景技术

[0002]液晶显示器(LCD)技术在世界范围内被用于各种产品，其范围从手表到蜂窝式电话，再到计算机。据估计，与该工业相关的产值为每年数十亿美元。

[0003]在基于液晶的显示以及其它器件应用中，液晶的定向一直是一门关键的技术。制造液晶显示器的一个基本要求是在基板表面(以下称之为“定向表面”)上液晶分子的定向(以下称之为“定向层”)。在形成液晶显示盒以前，要将液晶分子置于定向表面。产生这一定向表面的普遍方法是在其上覆盖一层膜，如聚酰亚胺膜，然后对覆膜的表面用天鹅绒布进行摩擦。该摩擦工艺使聚酰亚胺表面重新定向以形成定向表面。该定向表面为与该表面相接触的液晶分子的定向提供了一个定向性的垫层。

[0004]近三十年来，摩擦法已成为提供LCD所需定向表面的主要工艺之一。然而，摩擦工艺需要来自绒布的粉尘，而且摩擦工艺能积聚静电电荷，破坏聚酰亚胺表面下方的晶体管，从而影响现代液晶显示器的工作性能。因此，提供一种在不致危及这些晶体管正常工作的情况下形成定向表面的方法显得尤为重要。工业界承认，对于未来的制造工程而言，人们十分企求一种非接触或一种非摩擦的表面定向方法。

[0005]授予Chaudhari等人的美国专利No.5,770,826给出了一种非接触技术，即用一种低能离子束更改一大类材料的表面以培育对形成定向层有用的定向性。这种定向性，或者说是取向顺序，可使液晶分子定向排列。业已表明，应用这些发明能制造出液晶显示屏。

[0006]液晶显示技术中的一个强大推动力量就是改善整个液晶显示屏的视觉质量。然而，人们不知道有什么办法来控制液晶的平行性。平行性是取得均匀液晶显示屏均匀性的一个关键因素。在中国提交的第01116589.8号专利“形成液晶定向层的方法和器具”及第200510130415号专利“液晶显示器定向层的形成方法和形成装置”均对液晶定向进行了研究，并取得了一些进展。但是他们适用于小面积液晶定向采用，而不适用于大面积液晶定向。

[0007]针对于大面积的液晶定向，在已有液晶工业技术及研究中，一直采用机械方法在基底表 面形成定向层来诱导液晶定向。但机械定向方法中的本征缺陷和外来物污染一直是影响液晶定向强度和均匀性的关键因素。获得良好品质的大面积液晶定向，一直是尚待攻克的技术难题。

发明内容

[0008]为了解决上述问题，本发明针对现有技术的不足，经过多次设计和研究，提供了一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法及激光直写系统。

[0009]依据本发明的第一方面，提供一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，其通过激光直写系统构建微纳结构；微纳结构区域内的液晶分子实现自定向；液晶的定向源于构成微纳结构的聚合物条带侧壁上的精细结构；所述微纳区域的尺寸从微米量级一直到超衍射极限的纳米量级。

[0010]基于激光直写的微纳区域液晶定向方法具体包括以下步骤：

[0011]步骤1、准备微纳结构加工需要的基底材料；

[0012]步骤2、通过激光直写的方式构建微纳结构；

[0013]步骤3、对加工得到的微纳结构进行后处理；

[0014]步骤4、向构建的微纳结构中注入液晶，形成自发定向。

[0015]其中，微纳结构加工基于单光子激光直写技术，或基于多光子激光直写技术。

[0016]优选地，述聚合物条带侧壁上的精细结构为单束入射光形成；所述基底材料为可聚合有机物。

[0017]优选地，液晶为可定向的向列型液晶、胆甾型液晶或手性液晶。

[0018]进一步地，微纳结构是一维结构、二维结构或三维结构。

[0019]依据本发明的第二方面，提供一种使用基于激光直写的微纳区域液晶定向方法的激光直写系统，其包括光源发生系统，光束参数调整系统，机械移动系统；光源发生系统发出的光束经光束参数调整系统调整至微纳结构加工的所需的光束，机械移动系统使加工光束与加工样品间发生相对位移，以加工微纳结构。

[0020]优选地，光源发生系统为可激发材料光聚合的光束产生系统。

[0021]进一步地，光学参数调整系统为保证光聚合有效发生，而对光束的传播方向、强度、偏振等参数进行调整的光学器件系统。

[0022]本发明提供的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法通过单光子或多光子聚合激光直写技术构建微纳区域，依靠微纳聚合物条带侧壁上的精细结构实现液晶的自定向。此方法操作简单，诱导液晶定向的精细结构由加工微纳结构的单束直写激光直接作用而生成，与微纳结 构的加工同时形成。基于此技术加工形成的微纳结构，不需要引入用于液晶定向的诱导膜，也不需要使用机械加工或其它诸如光诱导的方向对诱导膜进行后处理，可以让液晶分子直接接触基板以实现灵敏的光或电的调控；同时也可以通过结构构建的方式控制液晶分子取向以达到复杂甚至任意定向的目的。有利于各种微调控光子学器件的开发和广泛的推广应用。

附图说明

[0023]图1为利用本发明的方法及其系统制备的由聚合物条带构成的微纳栅形结构；

[0024]图2为利用本发明的方法及其系统制备的聚合物条带侧面放大图；

[0025]图3为聚合物条带上的精细结构引起液晶定向的示意图。

[0026]图4为基于激光直写的微纳区域制备系统光路图。

具体实施方式

[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体模块或具体参数。

[0028]本发明取得了在微小区域内液晶分子的稳定定向，此是实现液晶分子调控的前提，也是实现基于液晶的微纳光子学器件的关键技术。使用本发明的技术，即基于光聚合的激光直写技术能构建任意三维的甚至是超过光学衍射极限的微纳结构，在此微纳结构内注入液晶所形成的光子学液晶器件将能实现极小区域的光子调控。

[0029]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0030]本发明提供了一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法，本发明的方法通过激光直写系统构建微纳结构；微纳结构区域内的液晶分子实现自定向；液晶的定向源于构成微纳结构的聚合物条带侧壁上的精细结构；所述微纳区域的尺寸从微米量级一直到超衍射极限的纳米量级。本发明方法的实质是利用一束超快脉冲激光在可发生光聚合的材料中写入微纳结构，其基本结构元素为聚合物条带，如图1所示。由于材料发生光聚合存在一个阈值，因此加工出超过衍射极限的微纳结构；同时还能通过调整加工方式形成任意的三维结构。

[0031]本发明基于聚合区域与非聚合区域及基底的折射率存在差别，因此在聚合区域外围的光学表面所产生的反射光能和入射光干涉形成稳定的驻波重塑聚合区域外侧的形貌产生精细结 构，如图2所示。此精细结构能对注入结构中的液晶分子产生诱导定向，从而不再需要额外的定向技术；定向后分子方向垂直于波矢方向而平行于聚合物条带的方向，如图3所示。

[0032]本发明提供的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法具体包括以下步骤：

[0033]步骤1、准备微纳结构加工需要的基底材料，一般为可聚合有机物，但不限于可聚合有机物；

[0034]步骤2、通过激光直写的方式构建微纳结构；

[0035]步骤3、对加工得到的微纳结构进行后处理；

[0036]步骤4、向构建的微纳结构中注入液晶，形成自发定向。

[0037]同时，本发明提供一种使用基于激光直写的微纳区域液晶定向方法的激光直写系统，其包括光源发生系统，光束参数调整系统，机械移动系统；光源发生系统发出的光束经光束参数调整系统调整至微纳结构加工的所需的光束，机械移动系统使加工光束与加工样品间发生相对位移，以加工微纳结构。其中光源发生系统为可激发材料光聚合的光束产生系统；光学参数调整系统为保证光聚合有效发生，而对光束的传播方向、强度、偏振等参数进行调整的光学器件系统。

[0038]激光直写系统的光源发生系统，如脉冲激光器，发出的光束经反射镜、棱镜、偏振片、波片、透镜或者显微镜物镜等光学元器件构成的光束参数调整系统，将光束的强度、偏振、方向、尺度等参数调整至微纳结构加工的要求；将样品置于加工位置，用诸如电控精密平移台或振镜等器件组成的机械移动系统使加工光束与加工样品间发生相对位移，以加工微纳结构。

[0039]经过多次试验得到，加工样品依性质不同，可进行预聚合、固化等处理后，放在加工系统中进行微纳结构的加工；加工后再进行再显影、固化、漂洗、封装等后处理；灌注液晶，形成可应用器件。

[0040]下面通过实施例对本发明作进一步说明。

[0041]实施例一：

[0042]对于本发明，采用波长800nm，重复频率1000赫兹，脉冲宽度130飞秒的蓝钛宝石飞秒激光系统；采用放大倍率为40，数值孔径0.6的显微物镜聚焦；在机控精密三维平移台上；对SU8光刻胶进行一维栅型结构加工；具体光路图如图4所示。加工后经过显影和清洗，用扫描电子显微镜对所加工的结构进行表征如图1所示，可见得到了规则的一维结构。再对倒伏的聚合物条带进行精细表征如图2所示，可见沿加工方向且垂直于加工光波矢方向的精细条纹结构。在此栅型结构内注入各向同性态的E7液晶并缓慢降温到液晶态。用偏光显微镜可 见定向效果极佳，其示意图如图3所示。

[0043]本发明的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法及其系统，不需要制备诱导膜即可实现微纳区域内液晶分子的自定向；并且基于激光直写的微纳区域液晶定向方法操作简单，具有通用性，适合在实验室的条件下，制作基于液晶微纳器件的无诱导膜自定向。此外，本发明提供的基于激光直写的微纳区域液晶自定向方法及其系统，基于光聚合的加工方式可实现微纳甚至是超光学衍射极限区域的液晶的任意定向。

[0044]更进一步地，本发明提供的基于激光直写的微纳区域液晶定向方法及其系统，可实现微纳区域的液晶的定向，实现了液晶定向畴的微纳化，有利于微纳光子学调控的实施。并可通过应用诸如阵列透镜组的方式实现大面积微纳结构的加工。

[0045]优选地，所述微纳结构的加工技术为基于单光子或多光子聚合的激光直写技术。微纳结构的特征尺寸在于微米量级至超过光学衍射极限的纳米量级。液晶分子为向列型、胆甾型及手性液晶等可定向液晶材料。微纳结构的加工材料来源为可发生光聚合的树脂等任意材料。在本发明中，系统光源发生系统优选为钛宝石飞秒激光器，但不限于此激光器。机械移动系统优选为电脑控制三维精密移动平台，但不限于此平台。

[0046]由以上本发明提供的技术方案可见，本发明提供了一种基于激光直写的微纳区域液晶定向方法及其系统。其操作简单，不需要提前在基底上制备诱导定向膜，同时液晶的定向方向由精细结构决定，可以进行面内任意方向的复杂定向，有利于基于液晶的光子学器件的微型化和广泛的推广应用。

[0047]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。