CN101551542B - 电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，具体为一种电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器。将单体、光敏剂、光引发剂、交联剂和液晶以一定的配比混合组成的混合物填充到两ITO玻璃基底之间制备聚合物液晶薄膜，利用两激光束耦合形成的干涉光场对聚合物液晶薄膜进行曝光，光强分布不均匀的干涉条纹促使薄膜内部发生光致聚合和相分离形成折射率周期性调制。曝光后的聚合物液晶薄膜产生Raman-Nath衍射即可实现光学分束，该分束器的开关状态可由低直流电压控制。该光学分束器既可对不携带信息的光束进行分束，也可对携带信息的光束进行分束；而且可以在不同的波长工作。本发明可应用在光学互联、图像处理、精密测量、光计算、光盘存储及光电转换等领域。

Description

电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光学分束器。

背景技术

分束器是基本的光学元件之一，在光学互联、图像处理、精密测量、光计算、光盘存储、及光电转换等光学领域中有着广泛的应用。传统的光学分束器是利用折射-反射系统，经过多次折射和反射实现光分束。这种分束系统存在结构复杂、体积大、能量损耗多、均匀性差，而且高功率下系统中的镀膜易损坏等缺点，无法满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求。

电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器是利用全息聚合物分散液晶薄膜的Raman-Nath衍射实现光学分束，既可以对携带信息的光束进行分束，又解决了分出光束的偏振性问题。这种衍射分束器不仅克服了传统分束器在构造上的许多缺陷，而且大大提高了各项性能。另外，采用直流电压控制分束的开关状态，使这种分束器应用更加灵活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、衍射效率高，输入光束可携带信息、输出光束偏振性好，可满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求的光学分束器。

本发明提出的光学分束器是采用直流电压控制开关、全息聚合物分散液晶薄膜高阶衍射实现的光学分束器。

首先，按质量百分比计，将25％-45％的单体(如二羟甲基丙烷三丙稀酸脂单体、三羟甲基丙烷三丙稀酸脂单体、四羟甲基丙烷三丙稀酸脂单体或季戊四醇三丙烯酸酯单体等)、5％-15％的交联剂(如N-乙烯基吡咯烷酮或六羟甲基三聚氰胺等)、1％-2％的光引发剂(如N-苯基甘氨或偶氮苯等)、0.3％-0.9％的光敏剂(如四氯四碘荧光素钠、甲基红或罗丹明等)和30％-60％的向列液晶(如正戊基氰基联苯液晶、腈基二联苯或三联苯混合液晶等)混合均匀，总量满足100％，将混合物填充到两ITO玻璃基底之间制成厚度为几十微米(一般为20-60微米)的聚合物液晶薄膜；然后，利用两激光束以一定角度(角度范围：0.5-10度)耦合形成的干涉光场对聚合物液晶薄膜进行曝光，曝光时间在5-8秒(与厚度有关，厚度越厚曝光时间越长)。为得到较高的衍射效率，曝光时间既不可过短也不可过长。光强分布不均匀的干涉条纹促使薄膜内部发生光致聚合和相分离形成折射率周期性调制，即在聚合物液晶薄膜内形成Raman-Nath型永久光栅，曝光过程不需在薄膜上加任何电压。曝光后的全息聚合物液晶薄膜在入射光束照射下发生Raman-Nath衍射产生多级衍射光束输出，各输出光束的偏振态与入射光束相同，相邻出射光束的夹角近似相等，各输出光束在距光栅相等距离处的波前形态相同。而且在输入光束携带信息，如图像等情况下，也可成功分束。该分束器的开关状态由低直流电压控制：在两玻璃基底无外加电压条件下，分束器产生高阶衍射，输入光束被分束为多束输出，即分束器为开状态；在两玻璃基底加载直流电压(2～4V/μm)条件下，分束器不发生衍射，输入光束沿原路透射输出，即分束器为关状态。

本发明采用Raman-Nath衍射实现多束出射光分束，对聚合物液晶薄膜曝光的激光束夹角要严格小于10度，因为此薄膜可以记录Bragg光栅。一般用Q值来区分Bragg衍射和Raman-Nath衍射，Q＝2πλL/nΛ²，Q是无量纲量。其中λ是写入光波长，n为折射率，L为光栅厚度，Λ为光栅间距。当Q＞1时，出现Bragg衍射；当Q＜1时，出现Raman-Nath衍射。在曝光角较大情况下，薄膜中形成的光栅为Bragg光栅，其衍射形式也是Bragg型，不会产生高阶衍射，只有两束光输出。另外，本分束器出射的衍射光束的衍射角与曝光激光束夹角存在一定关系，关系式可写为sinθ_m＝2mnλ_psinθ/n_pλ-sinθ_p，其中θ_m为第m阶衍射角，θ是入射角，n和n_p分别是薄膜在记录光波长和入射光波长的折射率，λ和λ_p分别是记录光和入射光波长，而θ_p是入射光束的探测角。所以根据上述关系可在满足Raman-Nath衍射条件下调整曝光光束夹角，制作出满足输出光束角分布要求的多光束分束器。

本发明具有以下有益效果：一、有效简化结构，缩小体积。本发明的主体是聚合物液晶薄膜，其厚度只有几十微米，可近似看成是个二维器件，有效减小了占用空间。二、衍射效率高，偏振性好，入射光束的入射角不受限制。此分束器的衍射效率最高可达99％，而且各个输出光束的偏振由入射光束决定，有效解决了传统分束器中存在的偏振性问题。由于是Raman-Nath衍射，入射光束可在任意角度实现分束。三、电控性能好。此分束器在无外加电压下，实现多束光分束，在相应的直流电压控制下，衍射效率降低到2％，即入射光束基本沿原路透射输出。四、应用范围广。此分束器可对携带信息的光束进行分束，如图像等。而且可以工作在不同波长，所以进一步扩大了分束器的使用范围。本发明可应用在光学互联、图像处理、精密测量、光计算、光盘存储及光电转换等领域。

附图说明

图1是利用两束相干激光束曝光制备全息聚合物分散液晶衍射分束器的示意图。

图2是在无外加电压条件下全息聚合物分散液晶衍射分束器将输入光束分为多束输出的示意图。

图3是在外加直流电压作用下经全息聚合物分散液晶衍射分束器的输入光束透射输出的示意图。

附图标号：1为激光器，2为空间光滤波器，3为分束镜，4为第一反射镜，5为第二反射镜，6、7为玻璃基底，8为聚合物分散液晶薄膜，9为直流电压器，10为Raman-Nath型光栅，11为入射光束，12～16为经分束器后输出的多束光束，17为沿原路输出的光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器作进一步说明。

实施例1

聚合物液晶薄膜的原料组分为：单体为二羟甲基丙烷三丙稀酸脂单体或三羟甲基丙烷三丙稀酸脂单体，交联剂为N-乙烯基吡咯烷酮，光引发剂为N-苯基甘氨，光敏剂为四氯四碘荧光素钠，向列液晶为正戊基氰基联苯液晶，5种组分的质量比为：35.4∶13∶1∶0.6∶50。在两ITO玻璃基底之间制得聚合物液晶薄膜厚度为20～40微米。如图1，激光器1输出的激光由空间光滤波器2扩束后，经分束镜3分为两束，再由反射镜4和5反射使两束光在聚合物分散液晶薄膜8处小角度(0.5～5度)耦合生成Raman-Nath型光栅10，其中，曝光时间为5～6秒。在写入光栅过程中ITO玻璃基底6和7上不加电压，即直流电压器9输出为0伏。图2所示即为分束器的开状态，图中的薄膜即是利用干涉激光曝光后的全息聚合物分散液晶薄膜，该薄膜上不加电压，任意波长的入射光束11可以任意角入射，经分束器后输出多束光束12-16。如图3，当全息聚合物分散液晶薄膜上加直流电压V₀＝3V/μm，薄膜内部由于液晶分子发生偏转使折射率调制发生变化，导致入射光束不发生衍射，而是透射薄膜沿原路输出光束17，此状态可认为是分束器的关状态。

实施例2

操作步骤同实施例1。单体为四羟甲基丙烷三丙稀酸脂，交联剂为六羟甲基三聚氰胺，光引发剂为偶氮苯等，光敏剂为甲基红，向列液晶为腈基二联苯或三联苯混合液晶，5种组分的质量比为：40.3∶10∶1.5∶0.7∶47.5。聚合物液晶薄膜厚度为40～60微米。曝光时两束激光夹角为5～10度，曝光时间为6～8秒。开关状态同实施例1。

Claims (2)

1.一种电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器，其特征在于由两个ITO玻璃基底和两个基底之间的聚合物液晶和Raman-Nath型永久光栅组成，并且由下述步骤制备获得：首先，按质量百分比计，将25％～45％的单体、5％～15％的交联剂、1％～2％的光引发剂、0.3％～0.9％的光敏剂和30％～60％的向列液晶，混合均匀，总量满足100％，将混合物填充到两个ITO玻璃基底之间，制得厚度为20～60微米的聚合物液晶薄膜；

然后，利用两激光束以0.5～10度的角度耦合形成的干涉光场对聚合物液晶薄膜进行曝光，曝光时间为5～8秒，光强分布不均匀的干涉条纹使聚合物液晶薄膜内部发生光致聚合和相分离形成折射率周期性调制，在聚合物液晶内形成Raman-Nath型永久光栅。

2.根据权利要求1所述的电控开关式全息聚合物分散液晶衍射分束器，其特征在于该分束器的开关状态由低直流电压控制：在两玻璃基底无外加电压条件下，分束器产生高阶衍射，输入光束被分束为多束输出，即分束器为开状态；在两玻璃基底加载直流电压2～4V/μm条件下，分束器不发生衍射，输入光束沿原路透射输出，即分束器为关状态。

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