CN108594540B - 一种混合排列型双频液晶偏振光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种混合排列型双频液晶偏振光栅，属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，主要针对目前主动型液晶偏振光栅在光束偏转过程中存在漏光、驱动电压高、响应速度慢的问题。该混合排列型结构主要包括光控取向液晶基板、垂直取向液晶基板以及双频液晶，形成一种“三明治”结构。本发明通过光控取向技术和垂直取向技术制备液晶偏振光栅，能够实现超高衍射效率光束偏转；利用混合排列型结构能够消除弗雷德里克兹转变阈值，降低驱动电压；通过双频液晶大幅提高该混合排列型结构的相位调制量，达到亚毫秒级响应速度。

Description

一种混合排列型双频液晶偏振光栅

技术领域

本发明属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，具体是指一种混合排列型双频液晶偏振光栅。

背景技术

在主动光电系统中，激光束的偏转与扫描装置是一项核心部件，例如激光通信系统中天线对激光束偏转角度的精确控制、激光武器系统中瞄准器对相干合束激光的控制等。按照工作载体分类，光束偏转系统主要可分为机械式光束偏转系统和非机械式光束偏转系统，非机械式光束偏转系统具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、可编程捷变控制、无惯性作用等明显优势，目前在主动光电系统中正得到越来越多的应用。

液晶偏振光栅是一种能够实现大角度光束偏转的新型元件，利用液晶偏振光栅的组合可以实现大角度、非机械式的光束偏转与扫描，目前在激光通信、激光雷达等领域正得到越来越多的应用。然而，由于传统液晶偏振光栅中液晶分子总是水平取向，导致液晶偏振光栅在电驱动工作时存在弗雷德里克兹转变阈值，工作电压较高，这不利于液晶偏振光栅的便携控制。另外，传统液晶偏振光栅由于在靠近基板处存在边缘效应，即便对液晶偏振光栅施加几十伏的电压，边缘处液晶分子都不能完全“站立”，从而导致液晶偏振光栅漏光，严重影响液晶偏振光栅的衍射效率。垂直取向液晶盒虽然没有弗雷德里克兹转变阈值，但其会成倍的降低液晶盒对入射光的相位调制量，换句话说，要想获得同等相位调制量，垂直取向液晶盒的盒厚要成倍增加，这将大大降低液晶盒的响应速度。为了解决以上问题，本发明还引入了双频液晶，其不但能够成倍增加液晶盒的相位调制量，而且能够实现亚毫秒级响应，具有极大优势。正是基于以上考虑，本发明提出了将传统液晶偏振光栅与垂直取向液晶盒和双频液晶相结合的方式，形成了一种混合排列型双频液晶偏振光栅。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合排列型双频液晶偏振光栅，解决传统液晶偏振光栅中驱动电压高、漏光以及响应速度慢的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：包括，

光控取向液晶基板：用于使液晶分子沿全息干涉方向水平取向；

垂直取向液晶基板：用于使液晶分子沿垂直于基板方向取向；

双频液晶：用于扩大混合排列型液晶偏振光栅的相位调制量，降低混合排列型液晶偏振光栅的响应时间，液晶分子在水平方向的投影沿基板平面周期性排布，液晶的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：

式中

代表x位置处液晶分子的指向矢，Λ是液晶偏振光栅的周期；在垂直方向上，靠近垂直取向液晶基板的液晶分子与x轴呈近乎90°夹角，靠近光控取向液晶基板的液晶分子与x轴呈近乎0°夹角，而介于两者之间的液晶分子与x轴夹角连续变化。

本发明中光控取向一侧液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，ITO导电薄膜用于通电实现对液晶偏振光栅的电压控制，光控取向剂用于记录全息干涉光路的曝光图案、实现对液晶分子在水平方向光轴的控制。

本发明中垂直取向一侧液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、垂直取向剂，ITO导电薄膜用于通电实现对液晶偏振光栅的电压控制，垂直取向剂用于实现对液晶分子在垂直于基板方向光轴的控制。

本发明中双频液晶分子会在低频、高压电驱动下垂直于两侧基板方向排列，在高频、低压电驱动下平行于两侧基板方向排列。

靠近光控取向液晶基板的液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：

式中

代表x位置处液晶分子的指向矢，Λ是液晶偏振光栅的周期。

靠近垂直取向液晶基板的液晶分子在初始状态下与基板近乎垂直，在电压控制下，液晶分子的倾斜角会发生改变，其与电压E满足如下关系式：

式中θ(z)为z位置处液晶分子在电压E控制下的倾斜角，θ₀(z)为z位置处液晶分子初始状态下的倾斜角，Δε为液晶材料的介电各向异性，d为液晶偏振光栅的盒厚。

本发明提供一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一，在光控取向液晶基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，在ITO导电薄膜上面旋涂光控取向剂，高温下使光控取向剂固化，将上述基板放置于全息干涉光路中进行曝光，光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案，该图案诱导液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶的光轴在一个周期内连续变化360°；

步骤二，在垂直取向液晶基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，在ITO导电薄膜上面旋涂垂直取向剂，高温下使垂直取向剂固化，通过摩擦使垂直取向剂诱导液晶分子垂直于基板平面取向；

步骤三，利用隔垫物和边框胶将曝光后的光控取向液晶基板和垂直取向液晶基板压制成盒，在清亮点以上将双频液晶灌入盒中，待冷却到室温时便形成本发明所公布的一种混合排列型双频液晶偏振光栅。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明通过光控取向技术和垂直取向技术制备液晶偏振光栅，能够抑制边缘效应影响，减少液晶偏振光栅在光束偏转过程中的漏光，实现超高衍射效率光束偏转；利用混合排列型结构能够消除弗雷德里克兹转变阈值，降低驱动电压；通过双频液晶大幅提高该混合排列型结构的相位调制量，达到亚毫秒级响应速度。本发明公布的一种混合排列型双频液晶偏振光栅，既可以单片使用实现高效、快速的激光束偏转，又可以多片级联实现激光束大角度、快速捷变、高衍射效率的非机械式光束偏转与扫描，这将使其在激光通信、激光对抗、激光雷达及存储显示等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明公布的混合排列型双频液晶偏振光栅的结构，其包括光控取向液晶基板、垂直取向液晶基板和双频液晶，三者形成“三明治”夹芯结构，其中光控取向一侧液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，垂直取向一侧液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、垂直取向剂。

图2为液晶偏振光栅双光束干涉曝光光路，它由325nm激光器1、显微物镜2、小孔3、准直透镜4、反射镜5和6、分光棱镜7、四分之一波片8和9、样品架10组成，其中四分之一波片8和9的光轴方向相互垂直，与入射光偏振方向分别成45°和135°。

图3为混合排列型双频液晶偏振光栅在偏光显微镜下的形貌，其中液晶偏振光栅的周期为25μm。

图4为混合排列型双频液晶偏振光栅的衍射光斑图，其中图4(a)为线偏振光入射情况下的衍射光斑图，图4(b)、(c)为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射情况下的衍射光斑图，图4(d)为混合排列型双频液晶偏振光栅在低频、高压驱动下的衍射光斑图。

图5为液晶偏振光栅在电压作用下的响应曲线，横轴为电压，纵轴为归一化的衍射效率，曲线1表示普通平行排列液晶偏振光栅在电压作用下的响应曲线，曲线2为混合排列型双频液晶偏振光栅在1kHz低频电压驱动下的响应曲线。

图6为普通平行排列液晶偏振光栅与本发明公布的混合排列型双频液晶偏振光栅的电压响应曲线，曲线1为普通平行排列液晶偏振光栅在1kHz电压作用下的响应曲线，曲线2为混合排列型双频液晶偏振光栅在1kHz低频电压下的响应曲线，曲线3为混合排列型双频液晶偏振光栅在20kHz高频电压下的响应曲线。

图7为驱动电压在1kHz和20kHz之间切换时，混合排列型双频液晶偏振光栅的响应曲线图。

具体实施方式

1、混合排列型双频液晶偏振光栅的制备

1)图1为混合排列型双频液晶偏振光栅的结构，其中包括光控取向液晶基板、垂直取向液晶基板和双频液晶，三者形成“三明治”夹芯结构，其中光控取向一侧液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，垂直取向一侧液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、垂直取向剂。

2)光控取向液晶基板的准备，首先对基板进行清洗，待烘干后在基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，其厚度约为20nm，随后在ITO导电薄膜上面旋涂光控取向剂，其厚度约为80nm，230℃下使光控取向剂固化，最后将上述基板放置于图2所示的全息干涉光路中进行曝光，光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案；

3)垂直取向液晶基板的准备，首先对基板进行清洗，待烘干后在基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，其厚度约为20nm，随后在ITO导电薄膜上面旋涂垂直取向剂，其厚度约为80nm，250℃下使垂直取向剂固化；

4)压制成盒，利用4μm颗粒状隔垫物和热固胶将曝光后的光控取向液晶基板和垂直取向液晶基板压制成盒，在清亮点以上将双折射率为0.235的双频液晶灌入盒中，待冷却到室温时便形成本发明所公布的一种混合排列型双频液晶偏振光栅。

2、混合排列型双频液晶偏振光栅性质的测试

1)混合排列型双频液晶偏振光栅形貌及其衍射光斑的测试

由于液晶偏振光栅中液晶分子的光轴在平面内是连续变化的，一个周期内液晶分子光轴的角度旋转360°，因此需要利用偏光显微镜观察其形貌，如图3所示，可以看出，本发明提出的混合排列型双频液晶偏振光栅的条纹轮廓清晰、对比度高、缺陷少；

对混合排列型双频液晶偏振光栅施加20kHz、10V_RMS的驱动电压，此时混合排列型双频液晶偏振光栅中的液晶分子基本沿水平方向排列，且其相位调制量正好满足Δnd＝(3/2)λ，一束线偏振光入射到该偏振光栅之后，其完全偏向±1级，衍射效率在95％以上(如图4a所示)，而当入射光变为圆偏振光，光束能够完全偏向﹢1级或者-1级(如图4b、4c所示)，对混合排列型双频液晶偏振光栅施加1kHz、10V_RMS的驱动电压时，入射光束将会直接穿过液晶偏振光栅(如图4d)，以上过程说明了本发明所公布的液晶偏振光栅漏光少、具有极高的衍射效率，验证了本发明的有效性。

2)混合排列型双频液晶偏振光栅阈值的测试

在1kHz低频电压驱动下，混合排列型双频液晶偏振光栅与普通平行排列液晶偏振光栅的电光响应曲线如图5所示，可以看出，一方面，在相同盒厚下，混合排列型双频液晶偏振光栅的相位调制量为普通平行排列液晶偏振光栅相位调制量的一半，另一方面，混合排列型双频液晶偏振光栅的弗雷德里克兹转变阈值明显低于普通平行排列液晶偏振光栅的弗雷德里克兹转变阈值，即可以在更低工作电压下实现对液晶偏振光栅的控制，由此进一步验证了本发明的有效性。

3)混合排列型双频液晶偏振光栅相位调制特性及响应性能的测试

图6给出了普通平行排列液晶偏振光栅与本发明公布的混合排列型双频液晶偏振光栅电压响应曲线，曲线1为普通平行排列液晶偏振光栅在1kHz电压作用下的响应曲线，曲线2为混合排列型双频液晶偏振光栅在1kHz电压下的响应曲线，曲线3为混合排列型双频液晶偏振光栅在20kHz电压下的响应曲线，从图中可以看出，利用双频液晶的高低频转换特性，可以使混合排列型双频液晶偏振光栅的相位调制量增加一倍，与普通平行排列液晶偏振光栅的相位调制量一致；

当驱动电压在1kHz和20kHz之间切换时，混合排列型双频液晶偏振光栅能够实现亚毫秒级的切换，其上升阶段响应时间和下降阶段响应时间分别能够达到650μs和950μs(如图7所示)，远远高于当前液晶偏振光栅的响应速度，再次证明了本发明的有效性。

Claims (5)

1.一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：包括，

光控取向液晶基板：用于使液晶分子沿全息干涉方向水平取向；

垂直取向液晶基板：用于使液晶分子沿垂直于基板方向取向；

双频液晶：液晶分子在水平方向的投影沿基板平面周期性排布，液晶的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：

式中

代表x位置处液晶分子的指向矢，Λ是液晶偏振光栅的周期；在垂直方向上，靠近垂直取向液晶基板的液晶分子与x轴呈近乎90°夹角，靠近光控取向液晶基板的液晶分子与x轴呈近乎0°夹角，而介于两者之间的液晶分子与x轴夹角连续变化。

2.根据权利要求1所述的一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：光控取向液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、光控取向剂。

3.根据权利要求1所述的一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：垂直取向液晶基板包括基板、ITO导电薄膜、垂直取向剂。

4.根据权利要求1所述的一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：双频液晶分子会在低频、高压电驱动下垂直于两侧基板方向排列，在高频、低压电驱动下平行于两侧基板方向排列。

5.一种混合排列型双频液晶偏振光栅，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一，在光控取向液晶基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，在ITO导电薄膜上面旋涂光控取向剂，高温下使光控取向剂固化，将上述基板放置于全息干涉光路中进行曝光，光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案，该图案诱导液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶的光轴在一个周期内连续变化360°；

步骤二，在垂直取向液晶基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，在ITO导电薄膜上面旋涂垂直取向剂，高温下使垂直取向剂固化，通过摩擦使垂直取向剂诱导液晶分子垂直于基板平面取向；

步骤三，利用隔垫物和边框胶将曝光后的光控取向液晶基板和垂直取向液晶基板压制成盒，在清亮点以上将双频液晶灌入盒中，待冷却到室温时便形成所公布的一种混合排列型双频液晶偏振光栅。

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