CN109031848A - 一种蓝相液晶光偏转器 - Google Patents

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王琼华
储繁
窦虎
田莉兰
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Sichuan University
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Sichuan University
Beihang University
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection

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Abstract

本发明提出一种蓝相液晶光偏转器，包括上玻璃基板、液晶层、聚合物层、左透明墙形电极、右透明墙形电极和下玻璃基板。在右透明墙形电极施加电压，液晶层内部产生均匀的折射率分布，通过折射率与液晶层折射率不同的聚合物层的作用，在液晶层和聚合物层之间形成折射率不同的分界面，使入射光线发生偏转，当光线入射到空气中的时候，最终再偏转一次；通过改变施加在右透明墙形电极上的电压来调节出射光线的偏转角度。该蓝相液晶光偏转器的偏转精度高、偏转角度大、响应时间快。

Description

一种蓝相液晶光偏转器
技术领域
本发明涉及液晶光束偏转技术领域，具体是一种蓝相液晶光偏转器。
背景技术
光束偏转技术是指对光束方向精确控制的技术，它具有光束传播方向可控、无运动部件等优点，在航空航天、光信息处理与存储和军事等方面都有着广泛的应用前景。传统光束控制系统需要万向节和转台等惯性机械部件，其结构复杂、功能单一、体积较大、控制繁琐。液晶光偏转器具有体积小、重量轻、功耗小、光束方向控制精度高等优点，在军事和航空航天领域备受关注。但是传统向列相液晶光偏转器主要存在偏转角度较小(1～2度)和响应时间较慢(大于8ms)两个缺陷，有待改进。
为了解决向列相液晶本身存在的缺陷，人们提出了蓝相液晶，它主要存在以下几个方面的优势：(1)亚毫秒级别的响应时间，比普通向列相液晶快了将近10倍；(2)不需要取向层，制作工艺简单。近些年，专家学者提出了基于锯齿状电极蓝相液光偏转器，使光的传播方向垂直于盒厚方向，这样可以在不增加盒厚和电压的情况下，将角度偏转范围增加20倍以上。且该结构可以在电压变化下连续改变折射率和偏转角，能达到很高的偏转精度。但是上下的锯齿状电极边缘不可避免蔓生一些电场，产生水平边缘电场的串扰，产生折射率渐变，最终的偏转角度会存在一定的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提出一种快速响应、大偏转角度且角度偏转无误差的蓝相液晶光偏转器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括上玻璃基板、液晶层、聚合物层、左透明墙形电极、右透明墙形电极和下玻璃基板。
所述的液晶层采用聚合物稳定的蓝相液晶。
所述聚合物层采用透明介电材料制作，折射率在1.48～1.60之间；聚合物层的介电系数和液晶层的介电系数大小相近，并且聚合物层厚度和液晶层厚度相同；所述聚合物层形状为倾角为α的直角三角形，使入射光线发生偏转。
所述左透明墙形电极、右透明墙形电极采用氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)等透明导电材料制作；左透明墙形电极和右透明墙形电极的宽度相等，左透明墙形电极和右透明墙形电极的高度与液晶层和聚合物层的厚度相同；所述左透明墙形电极接地，驱动电压施加在右透明墙形电极上。
本发明提出的蓝相液晶光偏转器采用液晶层、聚合物层、左透明墙形电极、右透明墙形电极，偏转精度高、偏转角度大、响应时间快，并且液晶层内部折射率呈均匀分布；在右透明墙形电极施加电压，液晶层内部产生均匀的折射率分布，通过折射率与液晶层折射率不相同的聚合物层的作用，在液晶层和聚合物层之间形成折射率不同的分界面，使入射光线发生偏转，当光线入射到空气中的时候，最终再偏转一次；通过改变施加在右透明墙形电极上的电压来调节出射光线的偏转角度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器不同电压下o光折射率分布曲线图。
图3是本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器不同电压下e光折射率分布曲线图。
图4是本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器的电压-偏转角度曲线图。
上述附图中的图示标号为：
1上玻璃基板，2液晶层，3聚合物层，4左透明墙形电极，5右透明墙形电极，6下玻璃基板。
具体实施方式
为使本领域的技术人员能更进一步了解本发明，下面将结合附图详细地说明本发明的具体实施方式。需要说明的是，附图仅以说明为目的，并未依照原始尺寸作图。
附图1是本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器的结构示意图，该蓝相液晶光偏转器包括上玻璃基板、液晶层、聚合物层、左透明墙形电极、右透明墙形电极和下玻璃基板；液晶层采用聚合物稳定的蓝相液晶；聚合物层采用透明介电材料如NOA 81制作，折射率np＝1.56，聚合物层的介电系数和液晶层的介电系数大小相近，并且聚合物层厚度和液晶层厚度相同；所述聚合物层形状为倾角为α的直角三角形，使入射光线发生偏转；左透明墙形电极、右透明墙形电极采用透明导电材料氧化铟锡(ITO)制作；左透明墙形电极和右透明墙形电极的宽度相等，左透明墙形电极和右透明墙形电极的高度与液晶层和聚合物层的厚度相同；所述左透明墙形电极接地，驱动电压施加在右透明墙形电极上；在右透明墙形电极施加电压，液晶层内部产生均匀的折射率分布，通过折射率与液晶层折射率不相同的聚合物层的作用，在液晶层和聚合物层之间形成折射率不同的分界面，使入射光线发生偏转，当光线入射到空气中的时候，最终再偏转一次；通过改变施加在右透明墙形电极上的电压来调节出射光线的偏转角度。
在本实施例中，在不加电压的时候，蓝相液晶是各向同性的，折射率为niso，当施加电压的时候，蓝相液晶遵循扩展克尔效应：
Δn(E)ind＝λKE2＝Δns[1-exp(-E2/Es 2)] (1)
其中，(Δn)ind是蓝相液晶材料的诱导双折射，(Δn)s是饱和诱导双折射，λ是入射光波长，K是蓝相液晶材料的克尔系数，E为电场强度，Es是蓝相液晶材料的饱和电场。当在右透明墙形电极施加电压时，液晶层由于水平电场产生了电致双折射率，折射率椭球从球状变成了水平方向拉长的椭球，此时入射光线在聚合物层和液晶层的分界处发生双折射，产生e光(非常光)和o光(寻常光)。对于e光来说，折射率增大为ne(E)，对于o光来说，折射率减小为no(E)。由于聚合物层的形状，整个光偏转器折射率分布相当于一个棱镜。当光入射在折射率变化界面时，对于o光，根据斯涅尔定理：
npsinθ1＝no(E)sinθ2 (2)
o光光线发生偏转，其中np是聚合物层的折射率，no(E)是o光在蓝相液晶层中的折射率，θ1是入射光在折射率分界面的入射角度，θ2是o光在折射率分界面的出射角度。对于e光，根据斯涅尔定理：
npsinθ1＝ne(E)sinθ2' (3)
e光光线发生偏转，其中np是聚合物层的折射率，ne(E)是e光在蓝相液晶层中的折射率，θ2'是e光在折射率分界面的出射角度。聚合物层倾角α越大，或者聚合物层和蓝相液晶层的折射率差别越大，则产生的偏转角大。当光线由聚合物层入射到蓝相液晶层的时候，根据蓝相液晶的电光特性：
no(E)＝niso-Δn(E)ind/3 (4)
ne(E)＝niso+2Δn(E)ind/3 (5)
o光和e光朝相反的两个方向发生偏转。其中，niso为不加电的时候液晶蓝相液晶层的折射率，Δn(E)ind为蓝相液晶层的诱导双折射。加在右透明墙形电极上的电压越大，产生的诱导双折射率Δn(E)ind越大，偏转角也越大，当光线入射到空气中的时候，根据斯涅尔定理，最终实现o光和e光的二次偏转，相对初始入射光，o光偏转角度为θo，e光偏转角度为θe。
本实施例中使用的液晶材料的特性参数为：蓝相液晶的材料折射率为no＝1.4794，ne＝1.6494，介电系数为94；在波长λ＝550nm时，饱和诱导双折射为Δns＝0.17，饱和电场为Es＝4.15V/μm，各项各项同性折射率niso＝1.5361，克尔系数K＝13.7nm/V2。
本实施例中液晶层的厚度dLC＝17.5μm，聚合物层的厚度d1＝17.5μm，介电系数为94，蓝相液晶层的厚度d2＝17.5μm，左透明墙形电极和右透明墙形电极的宽度w＝2μm，左透明墙形电极和右透明墙形电极的高度h＝17.5μm，聚合物层倾角α＝60°，入射光与法线夹角θ1＝60°。
附图2为本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器不同电压下o光折射率分布曲线图。从附图2可以看出，随着电压的增大，o光折射率逐渐减小，当施加在右透明墙形电极上的电压为5Vrms时，o光折射率为1.5998，当施加在右透明墙形电极上的电压为50Vrms时，o光折射率为1.5507。随着电压的增大，o光由一开始的光疏介质传播到光密介质过渡到光密介质传播到光疏介质，o光朝着远离法线的方向偏转，当施加在右透明墙形电极上的电压为50Vrms时，o光折射率趋向饱和。
附图3为本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器不同电压下e光折射率分布曲线图。从附图3可以看出，随着电压的增大，e光折射率逐渐增大，当施加在右透明墙形电极上的电压为5Vrms时，e光折射率为1.6115，当施加在右透明墙形电极上的电压为50Vrms时，e光折射率为1.7129。随着电压的增大，e光始终是从光密介质传播到光疏介质，e光朝着靠近法线的方向偏转，当施加在右透明墙形电极上的电压为50Vrms时，e光折射率趋向饱和。
附图4是本发明实施例提供的蓝相液晶光偏转器的电压-偏转角度曲线图。定义入射光准直方向的角度为0°，在入射光准直方向左边方向的光线与入射光的夹角为负，在入射光准直方向右边方向的光线与入射光的夹角为正。当施加在右透明墙形电极上的电压为5Vrms时，o光最终的偏转角度为3.81°，e光最终的偏转角度为4.89°，随着电压的增加，o光逐渐偏离法线，e光逐渐靠近法线。当施加在右透明墙形电极上的电压为50Vrms时，o光最终的偏转角度为-1.66°，e光最终的偏转角度为13.68°，此时o光与e光的夹角为15.34°，实现了较大角度的偏转。随着电压的增大，o光由一开始的光疏介质传播到光密介质过渡到光密介质传播到光疏介质，考虑到全反射的存在，施加在右透明墙形电极上的电压存在极值，不能持续增大。
以上所述仅为本发明的优选实施例，但本发明不限于此实施例。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离由权利要求书限定的本发明的精神实质和范围的情况下对其形式和细节做出的各种改变，皆应属本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种蓝相液晶光偏转器包括上玻璃基板、液晶层、聚合物层、左透明墙形电极、右透明墙形电极和下玻璃基板。
2.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶光偏转器，其特征是，液晶层采用聚合物稳定的蓝相液晶。
3.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶光偏转器，其特征是，所述聚合物层形状为倾角为α的直角三角形。
4.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶光偏转器，其特征是，聚合物层采用透明介电材料制作，折射率在1.48～1.60之间，聚合物层的介电系数和液晶层的介电系数大小相近。
5.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶光偏转器，其特征是，左透明墙形电极和右透明墙形电极的宽度相同，左透明墙形电极和右透明墙形电极的高度与液晶层和聚合物层的厚度相同。
6.根据权利要求1所述的一种蓝相液晶光偏转器，其特征是，左透明墙形电极接地，通过改变施加在右透明墙形电极上的电压来调节出射光线的偏转角度。
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