CN109375426A - 一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法，属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，主要针对目前有源液晶偏振光栅基板数目多、能量损失较大以及漏光较为严重等问题。该有源液晶偏振光栅的制备方法打破传统的成盒、曝光取向的顺序，采取了先基板曝光取向、再压制成盒的单侧取向模式。利用该有源液晶偏振光栅的结构及其制备方法能够提高有源液晶偏振光栅的成盒均匀性、减少漏光并增加对比度，这种方法也使得液晶偏振光栅和波片组合一体化成盒技术成为现实。

Description

一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法

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，具体是指一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法。

背景技术

在主动光电系统中，光束偏转的范围、精度、速度以及稳定性等因素往往决定了整个光电系统的性能，基于液晶光学相控阵的非机械式光束偏转系统具有全电可编程控制、体积小、重量轻、损耗低、快速捷变、多目标同时识别与探测等巨大优势，因此在激光雷达、激光通信、激光制导等领域具有广泛应用前景。

一直以来，受相位凹陷、边缘效应等影响，液晶光学相控阵的光束偏转范围有限成为制约其工程化应用的瓶颈性问题，为了能够提高液晶光学相控阵的光束偏转范围，人们提出了很多方法，利用多片液晶偏振光栅的组合实现液晶光学相控阵偏转角度的放大便是其中之一。

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，按照工作方式分类，液晶偏振光栅可以分为有源液晶偏振光栅和无源液晶偏振光栅。有源液晶偏振光栅是指受电压控制的液晶偏振光栅，其一般与半波片组合使用，可以在电压和半波片控制下使光束以近乎100％的衍射效率偏向三个级次(0级和±1级)，因此偏转角度更为丰富，利用有源液晶偏振光栅的组合可以实现更多的偏转角度。然而，目前情况下，单片有源液晶偏振光栅和单片半波片都需要两个基板，光束通过有源液晶偏振光栅和半波片组合时会因为反射、散射、吸收等因素增加能量的损失。另外，当利用有源液晶偏振光栅和半波片的组合来实现大范围、非连续的光束偏转时，由于基板与基板之间存在空气隙，这会增加整个系统的折射率不匹配，因此会进一步损失衍射能量。再有，有源液晶偏振光栅的成盒均匀性也是制约其实际应用的关键问题，盒厚不均匀带来的问题便是出射光斑能量的不一致，从而导致漏光，降低对比度。为了解决以上问题，本发明打破传统的成盒、曝光取向的顺序，提出了先基板曝光取向、再压制成盒的单侧取向模式，利用该有源液晶偏振光栅的结构及其制备方法能够提高有源液晶偏振光栅的成盒均匀性、减少漏光并增加对比度，使得液晶偏振光栅和波片组合一体化成盒技术成为现实。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法，解决目前有源液晶偏振光栅基板数目多、能量损失较大以及漏光较为严重等问题。

一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构，其特征在于：包括，

导电基板：用于对液晶分子施加电场，电场方向垂直于基板平面；

光控取向导电基板：用于使液晶分子沿平行于基板方向取向；

液晶层：沿光控取向方向规则排列。

本发明中导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜，ITO导电薄膜接触液晶层。

本发明中光控取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，光控取向剂接触液晶层。

本发明中液晶层内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。

本发明提供一种单侧取向有源液晶偏振光栅的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一，将玻璃基板进行清洗，清洗之后的基板分为两类，一类基板上面蒸镀ITO导电薄膜，称为导电基板，另一类基板上面在蒸镀ITO导电薄膜的基础上旋涂光控取向剂，高温下使光控取向剂固化，称为光控取向导电基板；

步骤二，将光控取向导电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；

步骤三，利用隔垫物和边框胶将曝光后的光控取向导电基板和导电基板压制成盒，在清亮点以上将液晶灌入盒中，待冷却到室温时便形成本发明所公布的一种单侧取向有源液晶偏振光栅。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明将有源液晶偏振光栅的双侧取向模式改为了单侧取向模式，在利用有源液晶偏振光栅和半波片组合实现大范围光束偏转时两者可以共用基板，从而减少了基板数量，降低了因反射、散射、吸收等因素引起的能量损失。另外，由于有源液晶偏振光栅和半波片可以共用基板，消除了空气隙，使接触介质之间的折射率更加匹配，因此可以进一步减少能量损失。再有，由于利用该制备方法可以使有源液晶偏振光栅和半波片一体化成盒，因此可以使液晶盒厚度更加均匀，减少漏光，增加对比度。本发明公布的一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法可以实现高效率、大偏转角度、快速捷变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为本发明公布的一种单侧取向有源液晶偏振光栅的结构及其制备流程示意图，其结构包括导电基板、光控取向导电基板和液晶层，导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜，光控取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，光控取向剂接触液晶层，其制备流程为先基板曝光取向、再压制成盒。

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为本发明公布的单侧取向有源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20μm。

图4为本发明公布的单侧取向有源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，光束偏向0级和±1级；图4(b)为线偏振光入射、液晶偏振光栅受电压控制下的衍射光斑图，光束偏向±1级，其中入射光通过该液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝(1/2)λ，Δn为液晶材料的双折射率，d为液晶盒厚度，λ为入射光波长；图4(c)为圆偏振光入射、液晶偏振光栅受电压控制下的衍射光斑图，光束偏向+1级，其中入射光通过该液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝(1/2)λ。

图5为两个单侧取向有源液晶偏振光栅和两个半波片一体化成盒的结构示意图，其中1、3为半波片，2、4为单侧取向有源液晶偏振光栅，5为入射光束，6为出射光束，7、8、9、10、11为玻璃基板，12、15、16、18、19、22、23、25为导电薄膜，13、14、20、21为普通摩擦取向剂，17、24为光控取向剂。

图6(a)为入射光斑图；图6(b)为该入射光经过两个双侧取向有源液晶偏振光栅和两个半波片组合时的0级衍射光斑图，此时两个半波片都施加±10V的工作电压，入射光通过每个液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝λ，即只有0级透过；图6(c)为入射光经过两个单侧取向有源液晶偏振光栅和两个半波片组合时的0级衍射光斑图，此时两个半波片都施加±10V的工作电压，入射光通过每个液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝λ，即只有0级透过。

具体实施方式

1、单侧取向有源液晶偏振光栅的制备

1)图1给出了单侧取向有源液晶偏振光栅的结构，其包括导电基板、光控取向导电基板和液晶层，导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜，光控取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，光控取向剂接触液晶层。

2)玻璃基板的准备，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，一半基板留作导电基板使用，另一半基板在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。

3)光控取向导电基板的曝光，将上述旋涂过光控取向剂的基板放置于图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。

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导电基板和导电基板压制成盒，在清亮点以上将液晶灌入盒中，待冷却到室温时便形成本发明所公布的一种单侧取向有源液晶偏振光栅。

2、单侧取向有源液晶偏振光栅性质的测试

1)单侧取向有源液晶偏振光栅形貌及其衍射光斑的测试

液晶偏振光栅中液晶分子的光轴在平面内连续变化，一个周期内液晶分子光轴的角度旋转90°，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，本发明提出的单侧取向有源液晶偏振光栅的形貌同双侧取向有源液晶偏振光栅的形貌几乎完全一致，条纹轮廓清晰、对比度高、缺陷少。

图4给出了本发明公布的单侧取向有源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，光束偏向0级和±1级；图4(b)为线偏振光入射、液晶偏振光栅受电压控制下的衍射光斑图，光束偏向±1级，其中入射光通过该液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝(1/2)λ；图4(c)为圆偏振光入射、液晶偏振光栅受电压控制下的衍射光斑图，光束偏向+1级，其中入射光通过该液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝(1/2)λ，衍射效率普遍大于95％。以上结果说明了本发明所公布的单侧取向有源液晶偏振光栅的衍射特性同双侧取向有源液晶偏振光栅的衍射特性几乎完全一致，都具有漏光少、衍射效率高的特点，验证了本发明的有效性。

2)有源液晶偏振光栅和半波片一体化成盒性质测试

单片液晶偏振光栅只能实现三个偏转状态，为了能够实现大角度、非连续的光束偏转，需要将多个液晶偏振光栅和多个半波片组合使用。如果直接将有源液晶偏振光栅和半波片组合使用，由于涉及的基板数较多、存在空气隙以及盒厚不均匀等造成的影响，一定尺寸的出射光斑会存在漏光的现象，衍射效率降低，如图6(b)给出的是入射光经过两个双侧取向有源液晶偏振光栅和两个半波片组合时的0级衍射光斑图，此时两个半波片都施加±10V的工作电压，入射光通过每个液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝λ，即只有0级透过，可以看出，此时的出射光斑在局部区域存在漏光的现象，光斑能量分布不均匀。本发明提出了一种单侧取向有源液晶偏振光栅，该结构和制备方法可以使有源液晶偏振光栅和半波片一体化成盒，图5为两个单侧取向有源液晶偏振光栅和两个半波片一体化成盒的结构示意图，可以看出，该结构所用的基板数明显减少，消除了基板之间的空气隙，另外由于是多片基板同时成盒，盒厚不均匀的误差被分散，因此可以显著提高成盒均匀性，图6(c)为入射光经过两个单侧取向有源液晶偏振光栅和两个半波片组合时的0级衍射光斑图，此时两个半波片都施加±10V的工作电压，入射光通过每个液晶偏振光栅时产生的相位满足Δnd＝λ，即只有0级透过，可以看出，此时出射光斑能量分布均匀、漏光少、对比度明显提高，这再次验证了本发明的有效性。

Claims (5)

1.一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构，其特征在于：包括，

导电基板：用于对液晶分子施加电场，电场方向垂直于基板平面；

光控取向导电基板：用于使液晶分子沿平行于基板方向取向；

液晶层：沿光控取向方向规则排列。

2.根据权利要求1所述的一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构，其特征在于：导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构，其特征在于：光控取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、光控取向剂，光控取向剂接触液晶层。

4.根据权利要求1所述的一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构，其特征在于：液晶层内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。

5.一种单侧取向有源液晶偏振光栅的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一，将玻璃基板进行清洗，清洗之后的基板分为两类，一类基板上面蒸镀ITO导电薄膜，称为导电基板，另一类基板上面在蒸镀ITO导电薄膜的基础上旋涂光控取向剂，高温下使光控取向剂固化，称为光控取向导电基板；

步骤二，将光控取向导电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；

步骤三，利用隔垫物和边框胶将曝光后的光控取向导电基板和导电基板压制成盒，在清亮点以上将液晶灌入盒中，待冷却到室温时便形成本发明所公布的一种单侧取向有源液晶偏振光栅。