CN104345508B - 基于波前调节的电控液晶激光整形芯片 - Google Patents

基于波前调节的电控液晶激光整形芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波前调节的电控液晶激光整形芯片。该芯片包括圆柱形的液晶调相架构；其包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、图形化电极层、第一基片和第一增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、公共电极层、第二基片和第二增透膜；公共电极层由一层匀质导电膜构成；图形化电极层由圆形导电膜和同心设置在圆形导电膜外围的至少一个圆环形导电膜构成，圆形导电膜的圆心与液晶调相架构的轴心重合；在圆环形导电膜为多个时，所有圆环形导电膜的径向宽度相等，相邻导电膜的径向间距相等。该芯片激光波束整形变动范围大，适应性好，体积和质量小，易与其它光学光电机械结构耦合。

Description

基于波前调节的电控液晶激光整形芯片
技术领域
本发明属于激光波束整形与控制技术领域，更具体地，涉及一种基于波前调节的电控液晶激光整形芯片。
背景技术
迄今为止，具有特定波束形态和能态的激光技术，已广泛应用于多个领域，典型的如激光通讯、激光指示、激光加工、激光曝光、激光烧蚀与清洗、激光雕刻与修形、激光美容、激光理疗、激光扫描、激光辐照、激光印刷、激光制冷、激光显示、激光推进、激光点火、激光原子操纵、激光成像、激光照明、激光互联、激光干扰和激光攻击等。随着激光技术的持续快速发展和应用领域的不断扩展与延伸，构建形态和能态更为复杂的激光波束，针对激光器供电和系统性能波动以及环境情况的变化，对激光波束其形态和能态进行动态调控、维持或凝固操作，提高和优化束作用效能，增强使用灵活性和目标适应能力，具备基于先验知识或波束情况调控其效能、精度、范围以及提升功能，增强与其他光学光电机械装置的耦合与匹配能力，降低束成形与调变架构的结构和操作复杂性等，已受到广泛关注和重视。
一般而言，激光波束需要通过光学系统进一步整形处理后才能用于特定目的或场合，如获得典型的均匀平直束、均匀发散束、均匀汇聚束以及其他多种多样的束形态等。目前，具有特定形态和能态的激光波束的构建或调变，一般通过具有固定轮廓形貌的折射及衍射透镜所构成的光学系统进行，其明显缺陷包括：(一)体积和质量大，成本高，光学结构相对复杂，难以小微型化；(二)波束修形或调变操作通常基于透镜间的机械移动展开，执行机构的体积、质量和惯性大，需配置繁杂的驱控装置，响应慢，状态转换时间长，因机械运动的连续性无法执行任意的光学状态切入或跳变。通过特定衍射相位结构进行激光波束的整形操作，因相位结构的轮廓形貌固定性不具备目前所需要的灵活多样的束调变能力。已获得广泛使用的主要基于反射工作方式的MEMS空间光调制器，因其工作体制原因难以融入空间和驱控受限的光路中或架构内。
近些年来，基于轻薄和极低功耗的阵列化电控液晶结构进行特定波束形态构建和变换这一技术，已取得显著进展，目前已具备的主要功能包括：(一)基于阵列化液晶微结构的光束变换可通过施加低功率的电驱控信号展开，光波相位的延迟操作可根据设定的电控方式依次进行、凝固或调变；(二)可通过调变电驱控信号对光波相位的延迟操作进行约束、干预或引导；(三)平面端面且具有微米级液晶材料厚度的超薄液晶结构，可被灵活接入光路中或与其他光学光电机械结构耦合甚至集成；(四)液晶结构的驱动和调控功耗可低至微瓦级；(五)基于电场激励构建的液晶折射率空间分布形态可随电场变动进行连续或跳跃式变换。目前，如何基于小微型化和低功耗的电控液晶结构进行激光波束整形，实现束能态和形态的受控构建与动态调变，已成为激光波束控制技术继续发展所需解决的关键性和瓶颈问题，迫切需要新的突破。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于波前调节的电控液晶激光整形芯片，具有激光波束整形变动范围大，适应性好，体积和质量小，易与其它光学光电机械结构耦合的优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于波前调节的电控液晶激光整形芯片，其特征在于，包括圆柱形的液晶调相架构；所述液晶调相架构包括液晶材料层，依次设置在所述液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、图形化电极层、第一基片和第一增透膜，以及依次设置在所述液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、公共电极层、第二基片和第二增透膜；所述公共电极层由一层匀质导电膜构成；所述图形化电极层由圆形导电膜和同心设置在所述圆形导电膜外围的至少一个圆环形导电膜构成，所述圆形导电膜的圆心与所述液晶调相架构的轴心重合；在所述圆环形导电膜为一个时，所述圆形导电膜的直径与所述圆环形导电膜的径向宽度相等；在所述圆环形导电膜为多个时，多个圆环形导电膜依次设置在所述圆形导电膜的外围，所述圆形导电膜的直径以及所有圆环形导电膜的径向宽度相等，相邻导电膜的径向间距相等，其中，相邻导电膜包括相邻的圆环形导电膜以及相邻的圆环形导电膜和圆形导电膜；所述液晶调相架构被划分成圆柱形液晶调相单元和至少一个圆筒形液晶调相单元，圆形导电膜对应圆柱形液晶调相单元且位于圆柱形液晶调相单元的中心，形成圆柱形液晶调相单元的上电极，圆环形导电膜与圆筒形液晶调相单元一一对应，每个圆环形导电膜均位于与其对应的圆筒形液晶调相单元的中心，形成圆筒形液晶调相单元的上电极，所有液晶调相单元的下电极由公共电极层提供。
优选地，激光入射波束进入所述液晶调相架构后，所述液晶调相架构按照其中液晶调相单元的规模和排布情况，将激光入射波束分割成与各液晶调相单元对应的同心圆和圆环形子平面入射波前，各子平面入射波前与各自对应的液晶调相单元中呈特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延迟的同心圆和圆环形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成激光出射波束并从所述芯片输出；其中，各液晶调相单元被独立加电驱控，通过调节加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各子平面出射波前的相位延迟程度。
优选地，所述芯片还包括芯片外壳；所述液晶调相架构封装在所述芯片外壳内并与所述芯片外壳固连，其光入射面和光出射面通过所述芯片外壳的顶部和底部开孔裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口，用于输入加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号。
优选地，每个圆形导电膜和圆环形导电膜均通过一根导线独立引出，形成上电极引线，这些上电极引线接入所述驱控信号输入端口的一端；所述公共电极层通过导线引出，形成的公共电极层引线接入所述驱控信号输入端口的另一端；通过所述上电极引线和公共电极层引线，能对各液晶调相单元独立加载驱控电压信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、激光束调相成形。本发明基于电驱控的多个同心设置的圆筒形液晶调相单元实现对激光波束的调相整形操作，具有基于电控相位调节整形波束的优点。
2、驱控方式灵活。通过对多个同心设置的圆筒形液晶调相单元执行独立加电操作实现电调波束整形，具有电驱控方式灵活的特点。
3、智能化。对芯片的加电操作可在先验知识或波束整形结果的约束、干预或引导下进行，具有智能化特征。
4、控制精度高。本发明采用可精密电驱控的圆筒形液晶调相单元结构，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性和控制特性，具有控制精度高的特点。
5、使用方便。本发明的芯片主体为封装在芯片外壳内的液晶调相架构，在光路中接插方便，易与常规光学光电和机械结构等匹配耦合。
附图说明
图1是本发明实施例的基于波前调节的电控液晶激光整形芯片的结构示意图；
图2是液晶调相架构的图形化电极层的结构示意图；
图3是本发明实施例的基于波前调节的电控液晶激光整形芯片的光束变换示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-驱控信号输入端口，2-液晶调相架构，3-芯片外壳，21-第一导电膜，22-第二导电膜，23-第三导电膜，24-第四导电膜，25-第五导电膜，26-第六导电膜，27-第七导电膜，28-第八导电膜，29-第九导电膜，210-第十导电膜，211-第十一导电膜，212-第十二导电膜，2m-第m导电膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的基于波前调节的电控液晶激光整形芯片包括芯片外壳3和圆柱形的液晶调相架构2。液晶调相架构2封装在芯片外壳3内并与芯片外壳3固连，其光入射面和光出射面通过芯片外壳3的顶部和底部开孔裸露在外。芯片外壳3的侧面设置有驱控信号输入端口1。
如图2和图3所示，液晶调相架构2包括液晶材料层，依次设置在液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、图形化电极层、第一基片和第一增透膜，以及依次设置在液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、公共电极层、第二基片和第二增透膜。公共电极层由一层匀质导电膜构成。图形化电极层由微圆形的第一导电膜21以及依次设置在第一导电膜21外围且与其同心的微圆环形的第二至第m导电膜22至2m构成，其中，m为大于1的整数。具体地，第二导电膜22设置在第一导电膜21的外围，第三导电膜23设置在第二导电膜22的外围，第四导电膜24设置在第三导电膜23的外围，依此类推。第一导电膜21的圆心与液晶调相架构2的轴心重合。微圆形导电膜的直径以及所有微圆环形导电膜的径向宽度相等，相邻导电膜的径向间距相等，二者均为微米级大小，以有效构建和隔离对各导电膜所实施的独立加电操作；其中，相邻导电膜包括第二至第m导电膜22至2m中相邻的导电膜以及相邻的第一导电膜21和第二导电膜22。
优选地，图形化电极层和公共电极层材料为氧化铟锡(ITO)，其厚度在几十至几百纳米范围内。
将上述液晶调相架构2进行划分，得到微圆柱形的第一液晶调相单元以及依次设置在第一液晶调相单元外围且与其同轴的微圆筒形的第二至第m液晶调相单元。第一至第m导电膜与第一至第m液晶调相单元一一对应，形成液晶调相单元的上电极，所有液晶调相单元的下电极由公共电极层提供。其中，第一导电膜21位于第一液晶调相单元的中心，第二导电膜22位于第二液晶调相单元的中心，第三导电膜23位于第三液晶调相单元的中心，依次类推，第m导电膜2m位于第m液晶调相单元的中心。第一至第m导电膜分别通过一根导线独立引出，形成上电极引线，将这些上电极引线接入驱控信号输入端口1的一端，同时将公共电极层通过导线引出，并将公共电极层引线接入驱控信号输入端口1的另一端，通过上电极引线和公共电极层引线对各液晶调相单元独立加载驱控电压信号，使各液晶调相单元被独立加电驱控。
本发明实施例的基于波前调节的电控液晶激光整形芯片的工作原理如下。
通过驱控信号输入端口1输入加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号，使各液晶调相单元被独立加电驱控。如图3所示，第i液晶调相单元的驱控电压信号为Vi，第j液晶调相单元的驱控电压信号为Vj，其中，1≤i≤m，1≤j≤m，且i≠j。分布在构成液晶微腔的双层平面电极板(包括增透膜、基片、电极层和液晶初始取向层)内表面附近的液晶分子，被制作在两个相对的平面电极板表面并具有平行沟槽取向的液晶初始取向层牢固锚定，高于液晶材料驱控信号阈值的驱控电压信号，将在液晶材料中激励起可调变的空间电场，在液晶材料层中的液晶分子则通过双层平面电极板所激励的圆柱和圆筒形空间电场驱动，形成可调变入射激光波束的特定同心圆柱和圆筒形折射率空间分布形态。
激光入射波束从芯片中的光入射孔进入液晶调相架构后，液晶调相架构按照其中液晶调相单元的规模和排布情况，将激光入射波束分割成与各液晶调相单元对应的同心圆和圆环形子平面入射波前，各子平面入射波前与各自对应的液晶调相单元中呈特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延迟的同心圆和圆环形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成具有特定形态和能态的激光出射波束并从芯片输出。
通过调节加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各液晶调相单元中液晶分子的折射率分布形态，使通过液晶材料层的光波的光程因折射率变动而改变，进而使各子平面出射波前产生受驱控电压信号调节的特定程度的相位延迟，各子平面出射波前耦合形成具有特定相位分布的激光出射波束。通过精细调节激光入射波束的相位，能使激光出射波束凝固在特定形态或调变到预定形态，从而实现基于波前调节的激光波束的高精度整形变换。具体地，给芯片加载驱控电压信号后，通过基于波前调节的激光整形作用形成特定形态的激光出射波束。针对电参数扰动以及芯片振动引入的波前变动，通过调变加载在芯片上的多路驱控电压信号调节波前，芯片具备抗扰动或抗振动的束整形能力。针对入射激光波束变动或需求情况，通过及时调变加载在芯片上的驱控电压信号进行波前调节，芯片具备动态波束整形能力。芯片断电后激光整形作用消失，光束通过芯片后其束特征不变。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于波前调节的电控液晶激光整形芯片，其特征在于，包括圆柱形的液晶调相架构；所述液晶调相架构包括液晶材料层，依次设置在所述液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、图形化电极层、第一基片和第一增透膜，以及依次设置在所述液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、公共电极层、第二基片和第二增透膜；所述公共电极层由一层匀质导电膜构成；所述图形化电极层由圆形导电膜和同心设置在所述圆形导电膜外围的至少一个圆环形导电膜构成，所述圆形导电膜的圆心与所述液晶调相架构的轴心重合；在所述圆环形导电膜为一个时，所述圆形导电膜的直径与所述圆环形导电膜的径向宽度相等；在所述圆环形导电膜为多个时，多个圆环形导电膜依次设置在所述圆形导电膜的外围，所述圆形导电膜的直径以及所有圆环形导电膜的径向宽度相等，相邻导电膜的径向间距相等，其中，相邻导电膜包括相邻的圆环形导电膜以及相邻的圆环形导电膜和圆形导电膜；
所述液晶调相架构被划分成圆柱形液晶调相单元和至少一个圆筒形液晶调相单元，圆形导电膜对应圆柱形液晶调相单元且位于圆柱形液晶调相单元的中心，形成圆柱形液晶调相单元的上电极，圆环形导电膜与圆筒形液晶调相单元一一对应，每个圆环形导电膜均位于与其对应的圆筒形液晶调相单元的中心，形成圆筒形液晶调相单元的上电极，所有液晶调相单元的下电极由公共电极层提供；
激光入射波束进入所述液晶调相架构后，所述液晶调相架构按照其中液晶调相单元的规模和排布情况，将激光入射波束分割成与各液晶调相单元对应的同心圆和圆环形子平面入射波前，各子平面入射波前与各自对应的液晶调相单元中呈特定折射率空间分布形态的液晶分子相互作用，形成具有特定程度的相位延迟的同心圆和圆环形子平面出射波前，各子平面出射波前耦合形成激光出射波束并从所述芯片输出；
其中，各液晶调相单元被独立加电驱控，通过调节加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号的频率或均方幅度，调变各子平面出射波前的相位延迟程度。
2.如权利要求1所述的基于波前调节的电控液晶激光整形芯片，其特征在于，所述芯片还包括芯片外壳；所述液晶调相架构封装在所述芯片外壳内并与所述芯片外壳固连，其光入射面和光出射面通过所述芯片外壳的顶部和底部开孔裸露在外；所述芯片外壳的侧面设置有驱控信号输入端口，用于输入加载在各液晶调相单元上的驱控电压信号。
3.如权利要求2所述的基于波前调节的电控液晶激光整形芯片，其特征在于，每个圆形导电膜和圆环形导电膜均通过一根导线独立引出，形成上电极引线，这些上电极引线接入所述驱控信号输入端口的一端；所述公共电极层通过导线引出，形成的公共电极层引线接入所述驱控信号输入端口的另一端；通过所述上电极引线和公共电极层引线，能对各液晶调相单元独立加载驱控电压信号。
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