CN108333816A - 任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板及其制备方法，该任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板是由第一介质膜层、第一玻璃基板、第一化学膜层、光取向膜层、液晶层、摩擦取向膜层、第二化学膜层、第二玻璃基板、第二介质膜层和间隔子边框组成。本发明利用由LED蓝光光源、阵列透镜、准直器、偏振分束棱镜、硅基板液晶空间光调制器、消色差成像系统和计算机构成的硅基板光刻系统产生任意振幅整形的二元编码图形，并将此图形刻写在液晶二元光学面板的光取向膜层上，得到任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板。该任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板，具有可擦写，高损伤阈值和高整形精度等特点。

Description

任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板及其制备方法
技术领域
本发明属于激光光束空间近场整形，具体涉及一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板。本发明特别适用于1053nm线偏振光(但不限于该波长)调制的任意振幅型液晶二元光学面板及其制备方法。
背景技术
在激光光束传输系统中，使用二元光学面板或液晶光阀能够实现激光光束空间近场振幅整形。二元光学面板是将强度透过率转化为透光点的密度分布，通常有镀铬二元光学面板和介质膜二元光学面板两类。镀铬二元光学面板能够实现较高的整形精度，但由于利用了镀铬掩膜技术，其损伤阈值很低。介质膜二元光学面板损伤阈值高，但是加工周期长，价格也比较昂贵。此外，电寻址和光寻址液晶光阀等主动整形器件由于使用了透明导电膜，同样也存在着损伤阈值低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种任意振幅整形的液晶二元光学面板及其制备方法，该液晶二元光学面板不仅具备高整形精度和高损伤阈值还能够实现大口径空间光束的灵活整形。
本发明的技术解决方案如下：
一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板，其特点在于包括第一玻璃基板、第二玻璃基板和间隔子边框，所述的第一玻璃基板、第二玻璃基板分别固定在所述的间隔子边框上下两侧；
在所述的第一玻璃基板外侧涂覆有第一介质膜层，该第一玻璃基板内侧由上至下依次涂覆有第一化学膜和光取向膜层；
在所述的第二玻璃基板外侧涂覆有第二介质膜层，该第二玻璃基板内侧由下至上依次涂覆有第二化学膜层和摩擦取向膜层；
所述的光取向膜层和摩擦取向膜层之间是液晶层，该液晶层内充满液晶。
一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板制备方法，其特点在于包括如下步骤：
1)洗涤，镀膜：先对第一玻璃基板和第二玻璃基板进行清洗烘干处理，在所述的第一玻璃基板的外侧面涂覆第一介质膜层，内侧面涂覆第一化学膜，在所述的第二玻璃基板的外侧面涂第二介质膜层，内侧面涂覆第二化学膜；
2)制作取向层：在所述的第一化学膜层上均匀地涂覆光取向膜层，在所述的第二化学膜层上均匀地涂覆摩擦取向膜层，然后，对所述的摩擦取向膜层进行固化和摩擦取向处理；
3)压盒，灌晶：将已制作取向层的第一玻璃基板和第二玻璃基板通过间隔子边框固定连接，并使所述的光取向膜层与摩擦取向膜层相对应，所述的光取向膜层与摩擦取向膜层之间是液晶层，在所述的间隔子边框上预留灌晶口，通过该灌晶口向所述的液晶层内灌注液晶后，进行封口处理，得到预处理液晶二元光学面板；
4)将所述的预处理液晶二元光学面板放置于硅基板光刻系统中进行光刻和擦除处理，得到液晶二元光学面板。
在所述的间隔子边框上点胶，使第一玻璃基板和第二玻璃基板分别固定在间隔子边框上。
所述的第一介质膜层和第二介质膜层是减反射膜层，该减反射膜层是为了增加被整形光束的透过率；
所述的第一玻璃基板和第二玻璃基板为一高损伤阈值的光学玻璃，其尺寸大小决定了空间光束整形的口径，例如K9，BK7，石英玻璃等；
所述的第一化学膜层作为光取向膜层和第一玻璃基板的连接膜层，同时必须对被整形光束有很强的增透特性；
所述的光取向膜层为一光控取向膜层，该膜层可以诱导液晶层的液晶分子进行取向，该取向方向与所述的消色差成像系统输出的蓝光偏振方向垂直。此类光控取向膜层的材料必须具备高损伤阈值和可擦写的特性，例如偶氮苯类，二苯乙烯类，苯乙烯基吡啶等材料；
所述的液晶层为90度扭曲向列相型，液晶的双折射率Δn和厚度d满足关系：其中λ为被整形光束的波长。一般选取n＝1，即
所述的间隔子边框的材料为硅基环氧树脂掺杂二氧化硅球颗粒，硅基环氧树脂作为第一玻璃基板和第二玻璃基板贴合的密封材料；二氧化硅球颗粒支撑第一玻璃基板和第二玻璃基板的间隔，其直径决定了液晶层的厚度d，掺杂浓度根据需求进行确定；
所述的摩擦取向膜层的材料为聚酰亚胺，其取向方向与光控取向膜层的取向方向平行或垂直；
所述的第二化学膜层作为摩擦取向膜层和第二玻璃基板的连接膜层，同时必须对被整形光束有很强的增透特性；
所述的硅基板光刻系统是由LED蓝光光源、阵列透镜、准直透镜组、偏振分束棱镜、硅基板液晶空间光调制器、计算机、偏振分束棱镜和消色差成像系统构成；
所述的LED蓝光光源发出的非相干光经阵列透镜匀滑后送入准直透镜组进行准直处理，得到了均匀的平行蓝光。再经过偏振分束棱镜变成均匀的平行线偏振蓝光后被送入硅基板液晶空间光调制器进行调制处理，调制处理过的蓝光被反射回偏振分束棱镜后，再次被该偏振分束棱镜反射，进入消色差成像系统，消色差成像系统输出的蓝光最终被送入液晶二元光学面板。
所述的硅基板液晶空间光调制器是一反射式电寻址液晶空间光调制器；
所述的调制处理是由计算机加载相应的调制程序或二元编码图形，该程序或二元编码图形即为任意振幅整形的图形；
所述的消色差成像系统对加载于硅基板液晶空间光调制器的调制图形进行成像，成像面为液晶二元光学面板的光取向膜层。
经过硅基板光刻的液晶二元面板，可以实现对空间光束的任意振幅整形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)与镀铬二元面板相比，具备主动性和高损伤阈值的特性。由于本发明的液晶二元光学面板的光控取向膜层具备可擦写特性，它可以根据整形需求实现随时擦除、随时写入的特点；同时该光控取向膜层所用偶氮苯类材料的损伤阈值很高，在脉冲激光波长1064nm，脉宽10ns，频率1Hz的情况下连续破坏打击，其损伤阈值可以达到62J/cm2。
2)与现有的电寻址液晶光阀相比，具有很高的开口率和损伤阈值。电寻址液晶光阀内部由于薄膜晶体管的不透光，造成其开口率很低；同时也使用了透明导电膜造成了其损伤阈值很低，只有不到130mJ/cm2。
3)与现有的光寻址液晶光阀相比，它除了具有高损伤阈值的特性外，还能够实现大口径空间光束的整形。光寻址液晶光阀同电寻址液晶光阀一样都使用了透明导电膜，所以它们的损伤阈值都比较低；另外，光寻址液晶光阀由于其光导层的材料一般为硅酸铋(简称BSO)或聚乙烯基咔唑(简称PVK)，使用这类材料很难制备出大口径的器件，所以很难大口径的空间光束整形。
附图说明
图1是本发明的液晶二元光学面板的结构示意图；
图2是本发明的硅基板光刻系统结构示意图；
图3是加载于硅基板液晶空间光调制器上一空间平顶光束整形成抛物线的二元编码图(单元像素尺寸大小40μm)；
图4是利用图2所示的硅基板光刻系统实现任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板，刻写的单元像素尺寸大小40μm，空间平顶光束整形成抛物线型的液晶二元光学面板例图；
图5是利用图4的液晶二元光学面板进行空间平顶光束整形成抛物线型的实验结果图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板，用于对空间光束的任意振幅整形。液晶二元光学面板2由第一介质膜层20，第一玻璃基板21，第一化学膜层22，光取向膜层23，液晶层24，间隔子边框25，摩擦取向膜层26，第二化学膜层27，第二玻璃基板28和第二介质膜层29构成，其膜层结构如图1所示；
硅基板光刻系统1由LED蓝光光源10，阵列透镜11，准直透镜组12，偏振分束棱镜13，硅基板液晶空间光调制器14，计算机15，消色差成像系统16组成，其结构如图2所示。
液晶二元光学面板2的制作流程如下：
1)基板洗涤，镀膜：先对第一玻璃基板21和第二玻璃基板28进行清洗烘干处理，再对两片基板的外侧面分别镀第一介质膜层20和第二介质膜层29，内侧面镀第一化学膜22和第二化学膜27；
2)制作取向层：取镀好介质膜和化学膜的第一玻璃基板21，在其第一化学膜层22上均匀地旋涂约600nm厚的偶氮苯类材料作为光取向膜层23。同样地，取第二玻璃基板28，在其第二化学膜层27上均匀地旋涂约600nm厚的聚酰亚胺材料作为摩擦取向膜层26。然后，用滚动摩擦机对摩擦取向膜层26进行摩擦取向；
3)压盒，灌晶：取已旋涂光取向膜层23的第一玻璃基板21，使其光取向膜层23与第二玻璃基板28的摩擦取向膜层26相对并通过间隔子边框25进行固定贴合。贴合时，在间隔子边框25上预留灌晶口。贴合完成后，进行紫外固化和热固化处理，固化后的第一玻璃基板21和第二玻璃基板28位置完全相对固定，形成液晶空盒。将预留好灌晶口的液晶空盒送入灌晶机进行灌晶，使得光取向膜层23和摩擦取向膜层26之间的液晶层24内充满液晶，灌晶完成后进行封口处理。这样一个预处理液晶二元光学面板就制作完成了。
4)搭建硅基板光刻系统1：沿LED蓝光光源10输出光束方向依次放置阵列透镜11、准直透镜组12、偏振分束棱镜13、硅基板液晶空间光调制器14，经硅基板液晶空间光调制器14调制和反射后，通过偏振分束棱镜13再次反射后，进入消色差成像系统16进行成像。
硅基板液晶空间光调制器14是由计算机15控制，它将需要整形的二元编码图输入硅基板液晶空间光调制器14。
5)光刻液晶二元光学面板2：LED蓝光光源10发出的非相干光经阵列透镜11匀滑后送入准直透镜组12进行准直处理，得到了均匀的平行蓝光。再经过偏振分束棱镜13变成均匀的平行线偏振蓝光后被送入硅基板液晶空间光调制器14进行调制，该调制信号通过计算机15加载相应的整形程序或图形来实现，调制后的蓝光被硅基板液晶空间光调制器14反射至偏振分束棱镜13后，又再次经偏振分束棱镜13反射进入消色差成像系统16，消色差成像系统16输出的蓝光最终被送入液晶二元光学面板2。消色差成像系统16将硅基板(LCOS)液晶空间光调制器14加载的图形成像于液晶二元光学面板2的光取向膜层23上，此成像过程即为光刻液晶二元光学面板2的过程。
具体来说，当计算机15加载一空间平顶光束整形成抛物线型的二元编码图形(如图3所示)时，来自偏振分束棱镜13的均匀平行线偏振蓝光在硅基板液晶空间光调制器14中被调制成二元编码图，并通过消色差成像系统16进行等比例成像在液晶二元光学面板2的光取向膜层23上。由于光取向膜层23选用的是偶氮苯类材料，该材料对线偏振蓝光具有很强的吸收性，当吸收的蓝光达到一定的强度(416mJ/cm2，450nm)时，偶氮苯类材料的取向方向与线偏振蓝光的偏振方向垂直，利用它的这一特性就可以诱导液晶层24的液晶分子进行取向，使每个像素单元的液晶分子取向不同，实现二元编码图形的刻写，如图4所示。光刻后液晶二元光学面板2从硅基板光刻系统1中取出，直接作为整形器件使用，其对空间平顶光束整形成抛物线型的实际效果如图5所示。
此外，光取向膜层23选用的偶氮苯类材料它还可以进行可擦除操作，即需要重新刻写空间光束整形图形时，先将硅基板(LCOS)液晶空间光调制器14加载一空白图形或不加载任何程序或图形，待吸收的蓝光光强达到416mJ/cm2时，整个液晶二元光学面板2的偶氮苯类材料会一致取向并诱导液晶层24上的液晶分子一致取向；再按照上述操作进行新的图形刻写。
图2中光取向膜层23也可以选用肉桂酸类或香豆素类材料，但是这类材料不能进行可擦除操作，用它制作的液晶二元光学面板2无法重新刻写，一旦需要新的整形图形时只能重新制作液晶二元光学面板2进行刻写。
当然，液晶二元光学面板2的损伤阈值不仅仅取决于光取向膜层23，还必须包括每一膜层的损伤阈值，各膜层损伤阈值最低的是第一(第二)介质膜20(29)为15J/cm2，最高的是光取向膜层23为62J/cm2，所以整个液晶二元光学面板2损伤阈值可以达到15J/cm2以上。

Claims (3)

1.一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板，其特征在于包括第一玻璃基板(21)、第二玻璃基板(28)和间隔子边框(25)，所述的第一玻璃基板(21)、第二玻璃基板(28)分别固定在所述的间隔子边框(25)上下两侧；
在所述的第一玻璃基板(21)外侧涂覆有第一介质膜层(20)，该第一玻璃基板(21)内侧由上至下依次涂覆有第一化学膜(22)和光取向膜层(23)；
在所述的第二玻璃基板(28)外侧涂覆有第二介质膜层(29)，该第二玻璃基板(28)内侧由下至上依次涂覆有第二化学膜层(27)和摩擦取向膜层(26)；
所述的光取向膜层(23)和摩擦取向膜层(26)之间是液晶层(24)，该液晶层(24)内充满液晶。
2.一种任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)洗涤，镀膜：先对第一玻璃基板(21)和第二玻璃基板(28)进行清洗烘干处理，在所述的第一玻璃基板(21)的外侧面涂覆第一介质膜层(20)，内侧面涂覆第一化学膜(22)，在所述的第二玻璃基板(28)的外侧面涂第二介质膜层(29)，内侧面涂覆第二化学膜(27)；
2)制作取向层：在所述的第一化学膜层(22)上均匀地涂覆光取向膜层(23)，在所述的第二化学膜层(27)上均匀地涂覆摩擦取向膜层(26)，然后，对所述的摩擦取向膜层(26)进行固化和摩擦取向处理；
3)压盒，灌晶：将已制作取向层的第一玻璃基板(21)和第二玻璃基板(28)通过间隔子边框(25)固定连接，并使所述的光取向膜层(23)与摩擦取向膜层(26)相对应，所述的光取向膜层(23)与摩擦取向膜层(26)之间是液晶层(24)，在所述的间隔子边框(25)上预留灌晶口，通过该灌晶口向所述的液晶层(24)内灌注液晶，灌晶完成后，对预留的灌晶口进行封口处理，得到预处理液晶二元光学面板；
4)将所述的预处理液晶二元光学面板放置于硅基板光刻系统(1)中进行光刻和擦除处理，得到液晶二元光学面板(2)。
3.根据权利要求1所述的任意振幅整形的高损伤阈值液晶二元光学面板制备方法，其特征在于，在间隔子边框(25)上点胶，使第一玻璃基板(21)和第二玻璃基板(28)分别固定在间隔子边框(25)上。
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