前言

液晶(LCs)对超声波场很敏感。1971年，梅勒等人使用10 MHz超声波换能器研究了对齐的液晶层的双折射。这种声光效应已被用于开发无损检测(NDT)的声学成像，由此可以使用厚的对齐的LCs层在超声波穿过水浴中的样品后对其成像，从而识别样品中的缺陷。最近， 超声波已被用于控制液晶盒中的取向，在光学行为中观察到周期性图案，开发了可变焦距透镜。基于液晶的传感器是灵活的，可以在水浴之外操作，并且没有偏振器，这将带来许多好处。 为此，可以使用聚合物分散液晶。在这种材料中，液晶液滴悬浮在聚合物基质中，基质的折射率选择为与液晶处于排列状态时的折射率相匹配。在未对齐的状态下，薄膜散射光线，而当液滴中的液晶对齐时，薄膜变得清晰。因此，在不需要偏振器的情况下，可以直观地看到排列的变化。排列液晶薄膜中的声光效应已被很好地理解，但其潜在机制仍有争议。声波与液晶薄膜相互作用的机制不太清楚。几名研究人员报告说，超声波将清除PDLC薄膜，由于参考文献中报告的表面声波的漏波模式，整个薄膜被清除。

研究内容

华威大学的研究人员为了构建基于PDLC的超声传感器，量化灵敏度并确保其适用于无损检测等领域中使用的典型超声位移是至关重要的。在使用电场驱动清除过程中也进行了类似的工作，研究清除所需的饱和电压和阈值。要全面理解清除，必须考虑超声波位移、操作频率范围以及该范围内的清除效率。根据应用，无损检测使用几十千赫至几十兆赫的超声波频率。他们研究了空气耦合超声换能器上的PDLC传感器在宽频率范围内的行为。空气耦合换能器很容易直接使用激励电压；然而，对于超声换能器来说，激励电压和位移之间不一定存在线性关系，并且该关系根据换能器的位置和模式形状而变化。相反，位移是使用干涉仪测量的，而作为位移的函数的清除是通过摄影和图像分析来量化的。

实验方法

使用直径为25毫米的弯曲超声换能器， 它是由一个粘在铝盖上的压电元件组成的。这些元件被设计成在低频(50千赫左右的基本谐振)下工作，也将在较高的频率下谐振，使用带有25瓦射频功率放大器的函数发生器。改变激励电压以改变帽层表面的位移。传感器涂有一层薄薄的粉红色紫外光固化清漆，以确保观察清晰时有良好的光学对比度。PDLC薄膜是用浓度为75%的E7和诺兰粘合剂NOA68制备的，滴涂在清漆层上，用带垫片的载玻片覆盖，形成100毫米厚的透明导电膜。NOA68是一种可紫外线固化的粘合剂，当与高浓度的E7一起使用时，已显示出可产生良好的超声波传感器。使用偏光显微镜分析液晶液滴尺寸分布。为此，使用与100 um薄膜相同的制备参数制备25um薄膜；更薄的膜散射更少，并且允许获得详细的显微图像用于分析。

激励电压为100 mVpp时，空气耦合传感器的位移，在中心测量，忽略基频。插图显示了应用PDLC胶片后变化。

扫描传感器中心时位移的彩色图

25微米胶片的PDLC结构，显示计算的液滴直径分布；插图显示了使用视觉构建器人工智能从偏振显微镜图像进行的液滴尺寸分析。

结论

声光清除PDLC薄膜所需的位移在2到50纳米之间，这取决于激发频率。这种小位移约为薄膜厚度的0.005%，液滴尺寸的0.05%-0.5%，与E7液相色谱混合物成分的分子尺寸相当。基于这个位移值，认为在PDLCs中观察到的声光效应是基于分子的过程，而不是液滴形状的宏观变化。在无损检测环境下，将聚二甲基硅氧烷作为薄膜传感器应用于超声检测具有重要的前景。

https://doi.org/10.1063/1.5139598。