CN110928081B - 一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，采用TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成的单元级联的结构来实现不同角度的偏转；各个级联单元之间相互独立，分别控制每个单元衍射级次，实现特定角度下的衍射角大小；具有衍射效率高，相位调制准确，响应快，可靠性高，便于扩展和低成本等优点。

Description

一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法
技术领域
本发明属于电光元器件的设计与制备领域，特别涉及一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法。
背景技术
偏振体光栅(PVG)近几年来有了很大的发展，是一种基于几何相位原理的新型光栅器件，可以认为是体全息光栅(VHG)和PB相位光栅的结合体，在物理结构和工作原理与VHG和PB相位光栅基本类似。通过PB相位调制和布拉格体光栅效应，PVG可以实现任意大角度(-90°～+90°)的衍射，效率高达近100％。偏振体光栅具有偏振特性，对于不同旋向的圆偏振光束可以分别衍射0级和1级。
目前实现光的可控角度偏转有机械旋转和电控液晶偏振光栅两种技术手段。
其中一种可以通过机械旋转的方式，调整光的传播方向，实现光的大角度偏转范围，同时也是连续可调的，但是其存在着系统体积大、成本高、调控速率低和易损坏等问题。
另外一种是电控液晶偏振光栅，主要由扭曲向列液晶(TN)和四分之一波片组合的偏振转换器来实现PB相位光栅入射光偏振的转换。优势在于体积小，成本低，器件简单，可靠性高，而且是由于液晶电控调制，它的响应速度比较快，但是也存在着偏转角度小，衍射效率低，以及角度调控级数少和不连续等问题。
随着光偏转应用领域的不断发展，对光偏转的技术手段和新型器件提出了更高的要求，以上两种技术方案难以满足目前应用的要求，因此需要改进。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，由TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成的单元级联结构，衍射效率高，相位调制准确，响应快，可靠性高，便于扩展，成本低。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，
基于液晶偏转体光栅的特性，采用TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成的单元多层级联结构的方式来实现可控角度偏转。
所述单元多层级联结构里的各单元竖直放置，且相互平行。
所述单元多层级联结构中，两个单元级联之后，单元级联间存在着一定的空气。
第一个级联单元中入射光为圆偏振光垂直入射，然后经过PVG薄膜发生衍射。
级联单元的衍射角按照一定的大小顺序排列，前一个级联单元的0级衍射光是下一个级联单元的入射光。
所述单元多层级联结构中，每一个单元的PVG液晶相位光栅折射率平面的倾角各不相同。
所述单元多层级联结构中，PVG液晶相位光栅设置两层两种旋向。
各个级联单元之间相互独立，分别控制每个单元衍射级次，实现特定角度下的衍射角大小。在满足布拉格衍射的条件下，衍射角由下面的公式决定：
Figure BDA0002300336190000021
其中，
Figure BDA0002300336190000022
为折射率平面的倾角，θi为入射光束的入射角。
Figure BDA0002300336190000023
对应的是反射式PVG衍射情况，
Figure BDA0002300336190000024
对应的是透射式PVG衍射情况。本发明入射光束为垂直入射，θi等于0。衍射角的大小完全由PVG液晶相位光栅的折射率平面的倾角决定。
本发明的有益效果是：
第一：由于本发明采用各个单元级联的方式，单元及其间隙较小，所以整个系统所占体积较小，而且各个单元相互间隔，便于对单一单元进行操作。
第二：系统级联单元之间相互独立，每一个TN式液晶半波片式的控制是相互分离的，由各个单元分布产生不同的衍射角。
第三：此方法可实现多角度级次调控，有多少个单元级联就可以相应的产生多少个衍射角度。
第四：对于其中的每一个级联单元的衍射角度都是可以任意调控。
第五：不存在倾斜入射的情况的发生，相位调控准确，衍射效率高。
第六：级联系统可扩展性强，增加角度可以直接在系统里增加PVG光栅组件即可，无需重新进行复杂的光学设计和驱动设计。
附图说明
图1：为本申请设计方法的结构示意图。
图2：为可控波片结构示意图。1是左旋圆偏振光，2是二分之一液晶可调波片，3是右旋圆偏振光，4是PVG液晶相位光栅，5是+1级衍射光束，6是左旋圆偏振光，7是0级衍射左旋圆偏振光。
其中，图2(a)为左旋圆偏振光通过级联单元发生一级衍射的情况。
图2(b)为左旋圆偏振光通过级联单元发生0级衍射的情形。
图3：级联单元结构方案示意图，10是左旋或者右旋圆偏振光束，20是+1级衍射光束，30是0级衍射光束，40是TN式液晶可控半波片，50是双层两种旋向的PVG薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明采用TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成的单元多层级联结构的方式来实现可控大角度偏转。单元(多层)级联结构由TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成。TN式液晶可控半波片对入射圆偏振光进行偏振电控切换。
如图2所示，入射光场偏振为左旋圆偏振光，当电压为0时，左旋圆偏振光通过TN式液晶可控半波片将变成右旋圆偏振光。同样地，当电压为0，入射光场偏振为右旋圆偏振光通过TN式液晶可控半波片将变成左旋圆偏振光。
当电压为5V时，TN式液晶可控半波片中的液晶分子将顺着电场线方向发生重新排布，从而使得对于偏振光束的偏正化能力消失。入射光场为左旋圆偏振光将继续保持为左旋圆偏振光；入射光场为右旋圆偏振光将继续保持为右旋圆偏振光。
PVG液晶相位光栅介质内部的光轴呈现一种3维的周期性旋转结构，双折射率周期性分布，等折射率平面呈现一定的角度倾斜。倾斜角度为
Figure BDA0002300336190000031
其中，Λx和Λy为PVG液晶相位光栅的横向和纵向周期。
当入射光束垂直PVG薄膜时，PVG的布拉格条件为：
Figure BDA0002300336190000032
其中，λB是真空中的布拉格波长，ΛB是布拉格周期，
Figure BDA0002300336190000033
是折射率平面的倾斜角，neff是各向异性介质的平均折射率。
在满足布拉格衍射条件的情况下，折射率平面视为平面镜，1级布拉格衍射光束的方向可由如下公式计算：
Figure BDA0002300336190000034
其中，θdiff为衍射角，θi为入射角，
Figure BDA0002300336190000035
为折射率平面的倾角。
本发明的入射光场垂直入射即入射角为0，PVG工作在透射模式下，所以折射率平面的倾角大于45°小于90°，发生1级布拉格衍射时的衍射角为：
Figure BDA0002300336190000036
PVG液晶相位光栅的衍射角由本身的折射率平面的倾角唯一决定。选择不同的PVG液晶相位光栅来实现不同的衍射角大小。
图2中的PVG液晶相位光栅的液晶分子扭曲螺旋方向为右旋。图2(a)中入射光束为左旋圆偏振光1，通过控制电压为5V的TN式液晶可控半波片2，形成右旋圆偏振光3，旋向与液晶分子扭曲螺旋方向一致，于是光束3通过PVG液晶相位光栅4后形成+1级衍射左旋圆偏振光5。
图2(b)中入射光束1通过控制电压为0的TN式液晶可控半波片2，形成左旋圆偏振光6，旋向与液晶分子扭曲螺旋方向相反，于是光束6通过PVG液晶相位光栅4后形成0级衍射左旋圆偏振光7。
如图1所示，TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成单元级联形成多层结构，每一个单元可产生不同的衍射角度。每一个TN式液晶可控半波片相互独立且可由电压控制。
本实施例中选择左旋圆偏振光作为入射光，PVG液晶相位光栅的液晶分子扭曲螺旋方向为右旋。
本实施例中完成可控角度偏转的方法如下：
1、左旋圆偏振光垂直入射第一级联单元。
2、如果目标光束偏转角度为角度1，可进行步骤3和4。
3、控制第一级联单元的TN式液晶可控半波片电压为5V，其它级联单元的电压为0V。
4、光束将在第一级联单元发生1级布拉格衍射，衍射光束再通过其它级联单元时发生0级衍射，也即直接通过。
5、一般情况下，对于目标光束偏转角度，控制衍射角度为目标光束偏转角度的某一级联单元的TN式可控半波片的电压为5V，光束将在这一级联单元发生1级布拉格衍射，设置其它级联单元的TN式可控半波片的电压为0，光束将直接通过这些级联单元。
根据本实施例中的可控角度偏转方法，每一个级联单元的液晶相位光栅的1级布拉格衍射角各不相同。可以看到，本发明有很强的扩展性，可以通过增添级联单元扩大衍射角。

Claims (7)

1.一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于：采用TN式液晶可控半波片和PVG液晶相位光栅组成的单元多层级联结构的方式来实现可控角度偏转；各个级联单元之间相互独立，分别控制特定级联单元发生1级布拉格衍射，而其他级联单元发生0级布拉格衍射，使入射光束在经过多层级联单元后偏转特定的角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于，所述单元多层级联结构里的各单元竖直放置，且相互平行，两个单元级联间存在空气。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于，每一个单元的PVG液晶相位光栅折射率平面的倾角各不相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于，PVG液晶相位光栅设置两层两种旋向。
5.根据权利要求3所述的一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于，第一个级联单元中入射光场为圆偏振光垂直入射，然后经过PVG薄膜发生衍射。
6.根据权利要求5所述的一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于，前一个级联单元的0级衍射光是下一个级联单元的入射光。
7.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏转体光栅的可控角度偏转方法，其特征在于，在满足布拉格条件的情况下，衍射角的大小由下面公式决定：
Figure FDA0003721315370000011
其中，
Figure FDA0003721315370000012
为折射率平面的倾角，θi为入射光束的入射角；
Figure FDA0003721315370000013
对应的是反射式PVG衍射情况，
Figure FDA0003721315370000014
对应的是透射式PVG衍射情况；θi等于0；衍射角的大小由PVG液晶相位光栅的折射率平面的倾角决定。
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