CN110068945A - 一种反射式复合液晶偏振光栅及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种反射式复合液晶偏振光栅结构及其制备方法，属于非机械式光束偏转技术领域，主要针对目前单片液晶偏振光栅光束偏转角度较小的问题。该反射式复合液晶偏振光栅由反射镜、四分之一波片、液晶偏振光栅构成，利用反射镜将衍射光束反射回偏振光栅进行二次衍射、四分之一波片改变光束的偏振态进而控制光束的偏转方向，扩大液晶偏振光栅偏转角度。本发明公布的复合液晶偏振光栅结构简单，制备工艺简便，最终能够在较高衍射效率的情况下实质扩大液晶偏振光栅的偏转角度。

Description

一种反射式复合液晶偏振光栅及其制备方法
技术领域
本发明属于光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，具体是指一种反射式复合液晶偏振光栅结构及其制备方法。
背景技术
在主光电系统中，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体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、无惯性影响、可实现共面隐身和多光束同时控制等明显优势，因此在机载激光雷达、星间激光通信、激光成像与遥感、天基目标探测与打击等国防领域具有重要的应用前景。
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，液晶偏振光栅的偏转角度与光栅周期有关，二者的关系为：sinθ＝λ/Λ，当光栅周期变小时，偏转角度变大，然而受衍射理论限制，当偏振光栅周期接近入射光束波长时，光束的衍射效率会随着偏转角度的增大而急剧下降。也就是说，在考虑衍射效率的情况下，液晶偏振光栅的光束偏转角度存在理论极限，光束偏转器的角度偏转范围就会受到限制。为了解决以上问题，本发明打破了传统液晶偏振光栅的基本结构，提出将四分之一波片、反射镜引入液晶偏振光栅中得到了一种反射式复合液晶偏振光栅，利用该新结构可以实现液晶偏振光栅角度放大，其角度偏转范围是同等光栅周期液晶偏振光栅的一倍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射式复合液晶偏振光栅结构及其制备方法，解决目前单个液晶偏振光栅光束偏转角度较小的问题。
一种反射式复合液晶偏振光栅结构，其特征在于：包括，
反射式摩擦取向导电基板：用于将衍射光束反射回液晶偏振光栅，用于将液晶分子按摩擦方向排布，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、摩擦取向导电基板：用于使液晶分子沿平行于基板方向取向及按照摩擦方向取向；
偏振光栅液晶层：沿光控取向方向规则排列；
摩擦取向液晶层：沿摩擦方向规则排列。
本发明中反射式摩擦取向导电基板包括反射式基板、ITO导电薄膜、摩擦取向层。
本发明中光控取向、摩擦取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、摩擦取向层、光控取向剂，光控取向剂接触液晶层。
本发明中偏振光栅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。
本发明中摩擦取向液晶层内的液晶分子在基板平面内按照摩擦方向规则排列。
本发明公布了一种反射式复合液晶偏振光栅的制备方法，包括如下步骤，
步骤一，将玻璃基板进行清洗，清洗之后，玻璃基板上表面蒸镀ITO导电薄膜，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，然后在玻璃基板另一侧表面旋涂摩擦取向剂，高温下使摩擦取向剂固化，称为光控取向、摩擦取向导电基板；
步骤二，将反射式基板进行清洗，随后表面旋涂摩擦取向剂，高温下使摩擦取向剂固化，称为反射式摩擦取向导电基板；
步骤三，将光控取向、摩擦取向导电基板放置于全息干涉光路中进行曝光，将基板光控取向表面一侧朝向光束入射方向，光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案；
步骤四，将光控取向、摩擦取向导电基板放在旋涂机进行旋涂液晶，将液晶旋涂在基板光控取向剂一侧表面，旋涂后放在充满氮气的环境中进行紫外灯照射固化；
步骤五，利用隔垫物和边框胶将旋涂液晶后的的光控取向、摩擦取向导电基板和反射式摩擦取向导电基板压制成盒，两个基板的摩擦剂取向表面相对放置，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反射式复合液晶偏振光栅。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明在液晶偏振光栅的结构中引入液晶四分之一波片和反射镜，利用波片和反射镜对光束偏振态的调制作用，能够使液晶偏振光栅的角度偏转范围扩大为同等光栅周期液晶偏振光栅角度偏转范围的一倍。另外，由于本发明将反射镜与偏转光栅的基板作为液晶四分之一波片液晶盒的两侧基板，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。再有，由于液晶偏振光栅和四分之一波片可以共用基板，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。本发明公布的一种反射式复合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反射式复合液晶偏振光栅的结构示意图，其结构包括光控取向、摩擦取向导电基板、反射式摩擦取向导电基板、液晶偏振光栅液晶层和液晶四分之一波片液晶层，1、液晶偏振光栅液晶层2、光控取向层3、玻璃基板4、ITO导电薄膜5、摩擦取向层6、液晶四分之一波片液晶层7、反射基板。
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4μm。
图4为本发明公布的反射式复合液晶偏振光栅的衍射光斑图样，入射光为光点6，左旋圆偏振光，出射光为-1级，偏振态的右旋圆偏振光，入射光的偏振态在经过偏振光栅、四分之一波片、反射镜、四分之一波片后仍然为左旋圆偏振光，再次入射到偏振光栅后，衍射光束再次发生偏转，最终的衍射光束为光点1；光点2为第二次入射到光栅的光束(光点6的-1级光)的0级光，光点3为+1级光；光点4为光点6的+1级光作为入射光束第二次经过偏振光栅的0级光，光点5为+1级光。
具体实施方式
1、反射式复合液晶偏振光栅的制备
1)图1给出了反射式复合液晶偏振光栅的结构，其包括摩擦取向反射基板与光控取向、摩擦取向导电基板和液晶偏振光栅液晶层、四分之一波片液晶层，摩擦取向反射基板包括反射镜、摩擦取向剂，光控取向、摩擦取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、光控取向剂、摩擦取向剂，光控取向剂接触液晶层。
2)玻璃基板的准备，首先对玻璃基板与反射镜基板进行清洗，待烘干后在玻璃基板一侧蒸镀ITO导电薄膜，其厚度约为20nm，在ITO薄膜上旋涂摩擦取向剂，其厚度约为80nm，230℃下使摩擦取向剂固化，然后用摩擦机对摩擦取向层进行摩擦，然后在该基板另一表面旋涂光控取向剂，其厚度约为80nm，230℃下使光控取向剂固化；反射玻璃基板的准备，首先对反射玻璃基板(镀铝反射镜)进行清洗，待烘干后在反射基板表面旋涂摩擦取向剂，其厚度约为80nm,230℃下使摩擦取向剂固化，然后用摩擦机对摩擦取向层进行摩擦。
3)光控取向、摩擦取向导电基板的曝光，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。
4)压制成盒，利用4μm球状隔垫物和热固胶将曝光后的光控取向、摩擦取向导电基板和摩擦取向反射基板压制成盒，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反射式复合液晶偏振光栅。
2、反射式复合液晶偏振光栅性质的测试
1)液晶偏振光栅形貌的测试
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90o，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，本发明提出的液晶偏振光栅(压制成盒前)的形貌，条纹轮廓清晰、对比度高、缺陷少。
2)反射式复合液晶偏振光栅衍射光斑的测试
图4给出了本发明公布的反射式复合液晶偏振光栅的衍射光斑图样，为左旋圆偏振光入射，6为入射光斑，1为最终衍射光斑，其偏转角度为透射式偏振光栅偏转角度的2倍，衍射效率为75％。

Claims (6)

1.一种反射式复合液晶偏振光栅结构，其特征在于：包括，
反射式摩擦取向导电基板：用于将衍射光束反射回液晶偏振光栅，用于将液晶分子按摩擦方向排布，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、摩擦取向导电基板：分别用于使液晶分子沿平行于基板方向取向及按照摩擦方向取向；
偏振光栅液晶层：液晶分子沿光控取向方向规则排列；
摩擦取向液晶层：液晶分子沿摩擦方向规则排列。
2.根据权利要求1所述的一种反射式复合液晶偏振光栅结构，其特征在于：反射式摩擦取向导电基板包括反射式基板、ITO导电薄膜、摩擦取向层。
3.根据权利要求1所述的一种反射式复合液晶偏振光栅结构，其特征在于：光控取向、摩擦取向导电基板包括玻璃基板、ITO导电薄膜、摩擦取向层、光控取向剂，光控取向剂接触偏振光栅液晶层。
4.根据权利要求1所述的一种反射式复合液晶偏振光栅结构，其特征在于：偏振光栅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.根据权利要求1所述的一种反射式复合液晶偏振光栅结构，其特征在于：摩擦取向液晶层内的液晶分子在基板平面内按照摩擦方向规则排列。
6.一种反射式复合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，玻璃基板上表面蒸镀ITO导电薄膜，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，然后在玻璃基板另一表面旋涂摩擦取向剂，高温下使摩擦取向剂固化，称为光控取向、摩擦取向导电基板；
步骤二，将反射式基板进行清洗，清洗之后，表面旋涂摩擦取向剂，高温下使摩擦取向剂固化，称为反射式摩擦取向导电基板；
步骤三，将光控取向、摩擦取向导电基板放置于全息干涉光路中进行曝光，将基板光控取向表面一侧朝向光束入射方向，光控取向剂发生光交联反应，记录曝光图案；
步骤四，利用旋涂机在光控取向、摩擦取向导电基板旋涂液晶，将液晶旋涂在基板光控取向剂一侧表面，旋涂后放在充满氮气的环境中进行紫外灯照射固化；
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