向列相液晶因其独特的光学和电学各向异性，广泛应用于光电显示等领域。光通信技术的持续发展，需要液晶材料具有更快的电光响应。通过对6种负性向列相液晶施加垂直于分子平均取向的电场，结合特殊入射方式，系统地研究了电场对液晶取向涨落和单轴序参数的调控。实验结果表明：电光响应的开关时间均小于350ns；液晶的介电各向异性越大，场致双折射率变化越大，其最大值与所施加的电场大小和向列相液晶的介电各向异性均呈线性关系。

向列相液晶可变相位延迟器(LCVR)已逐渐成为空间偏振调制仪器的研究热点，然而，国内没有液晶器件在空间使用的经验，液晶器件在各种空间环境下的适应性如何尚未可知。因此，本团队设计了一套星载向列相液晶相位延迟测试系统，该系统不仅可以在地面的空间力、热模拟环境中测试LCVR的关键性能，还可以搭载在卫星上对LCVR的相位延迟稳定性进行在轨验证。本文首先阐述了LCVR相位延迟的测量方法并实现了光机电系统的优化设计，在此基础上，研究了LCVR在空间力、热模拟环境中的电光性能。研究结果表明：力学试验前后，LCVR的电光性能未发生明显变化；在热试验中，LCVR的相位延迟-电压曲线的稳定性在0.185°以内。本次试验发现LCVR的相位延迟-电压曲线随环境温度呈线性变化，该结果为未来星上数据校准提供了数据支持。最后，在长达9个月的不间断运行测试中，LCVR的相位延迟-电压曲线长周期变化小于1°，标准偏差为0.27°。这表明该液晶试验仪长周期工作性能良好，可以满足在轨测试需求。

设计了扭曲向列相液晶太赫兹相位调制器, 利用琼斯矩阵模拟分析了不同扭曲角30°、45°、90°对相位调制特性的影响。得出扭曲角越小其相位延迟量越高, 并且对光的利用率越高。进一步分析电压效应, 结果表明同一频率下加大电压可使透过率增大, 相位延迟量减小。当扭曲角为30°, 选择液晶材料为LC1825, 液晶盒厚度为250 μm设计了透射型相位调制器, 在1.2 THz频率处获得126°的相位延迟。为提高相位调制量设计了结构参数与透射型相同的反射型太赫兹相位调制器, 在1.2 THz下得到相位延迟量为270°, 因反射型结构较透射型增加了一倍的有效光程, 相位调制量大幅提高。

设计制作了SU-8光栅结构的染料掺杂手性向列相液晶激光器件, 在器件正面和侧面均实现了随机激光辐射。将激光染料PM597、手性剂S-811、向列性液晶TEB30A按一定比例均匀混合, 注入反平行摩擦处理的液晶盒中, 器件的下基板通过光掩模法刻蚀出周期为15 μm的光栅。利用532 nm的Nd∶YAG固体脉冲激光器作为泵浦源, 器件的侧面既在580~590 nm范围内出现了多个离散分立的随机激光辐射峰, FWHM约0.19 nm, 又在579~585 nm范围内出现独立的两个激光辐射峰, FWHM约0.19 nm; 在器件正面获得了584~590 nm范围的随机激光辐射谱, FWHM约0.17 nm。加热器件至61 ℃, 液晶相变为各向同性态, 器件侧面仍出现了波长约590.60 nm、FWHM约0.24 nm的激光辐射峰。分析得出, 液晶盒中引入SU-8光栅结构后, 光子同时在液晶分子间多重散射和SU-8光栅中布拉格反射获得反馈放大, 两种机制相辅相成。器件侧面出现的独立激光辐射峰主要由SU-8光栅布拉格反射提供反馈放大形成, 而器件侧面和正面的随机激光辐射峰主要由液晶分子间多重散射提供反馈放大形成。

采用手性剂掺杂向列相混合液晶制备出具备类似胆甾相液晶温变显色性能的液晶混合物。通过控制向列相液晶中手性剂的添加量, 调节混合液晶的颜色, 制备出系列室温下呈颜色转变的液晶混合物。在此基础上, 探究3种不同添加剂对混合液晶显色性能的影响, 确定具备最佳温变显色性能的液晶混合物配方。以上述液晶混合物为芯材、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为壁材, 采用界面聚合法在不同反应条件下制备出一系列液晶微胶囊, 并确定最佳反应条件。结果表明: 最佳反应条件下, 制备的液晶微胶囊粒径范围在50~105 μm之间, 平均粒径在68.06 μm左右, 囊芯材料含量约占35%。液晶微胶囊呈规则球形, 粒径比较均匀, 具有良好的温变显色性能, 且热稳定性较高, 热分解温度达330 ℃以上。

本文研究径向电场作用下同心柱筒中混合排列向列相液晶的指向矢分布, 重点研究挠曲电效应对指向矢分布的影响。向列相液晶处于同心圆柱构成的薄层间, 内表面径向锚定、外表面轴向锚定以及内表面轴向锚定、外表面径向锚定构成两种同心柱筒混合排列模型。基于向列相液晶Frank弹性理论, 通过差分迭代方法, 分别在强锚定及弱锚定边界条件下, 研究了两种模型中挠曲电效应对指向矢分布的影响。研究结果表明: 挠曲电效应在薄层内边界、外边界以及薄层内部对指向矢分布有着不同的影响; 同心柱筒中指向矢分布由柱对称性、边界锚定作用、介电耦合作用、挠曲电效应的综合作用所决定。

基于光学琼斯矩阵理论，研究掺杂Sm2O3的向列相液晶TEB30A在弱磁场中的光栅衍射特性。结果表明，自然光通过处在弱磁场中的适量配比的Sm2O3/TEB30A样品后，会在远场产生衍射条纹，且衍射条纹会随外磁场强度的增加而出现动态的变化。产生衍射条纹是由于适量的Sm2O3的掺杂，使得向列相液晶TEB30A的折射率各向异性Δn沿外磁场方向呈现周期分布，形成了液晶光栅；当外磁场强度发生变化时，处在外磁场中的Sm2O3粒子和液晶分子的分布会随之发生变化，导致Δn沿外磁场分布的周期发生变化，从而引起液晶光栅常数发生变化，因此，衍射条纹呈现出动态变化的效应。模拟结果表明，当外磁场强度由0.464 9 T增加到0.518 5 T时，液晶光栅常数由0.5 cm降到0.4 cm。这一技术研究方法将大大降低液晶光栅的成本，同时，弱磁场环境也为使用者提供了一种安全的使用环境。