CN110928101A - 一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，器件由左至右依次包括扭曲向列液晶盒、宽带四分之一波片和液晶偏振光栅，其中，扭曲向列液晶盒与宽带四分之一波片组合为偏振转换器，用来实现入射光偏振的转换，完成液晶偏振光栅的衍射角度调控。另外，一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，包括N基本单元，N≥1，各基本单元之间竖直平行设置，且各基本单元级联间存在空气层，基本单元由左至右依次包括偏振转换器、第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅，入射光经第一基本单元后将发生一级衍射，前一基本单元的衍射光束将成为后一基本单元的入射光束，继续进行衍射，实现2N个衍射角度调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种非机械式光束偏转技术，特别是涉及一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，可运用于激光空间通信、激光雷达、激光制导等。
背景技术
非机械光束扫描是一种实现激光光束方向精确控制的技术，具有体积小、速度快和易控制等优点，在航空航天、新体制激光雷达、空间光通信等领域有着广泛的应用前景。
液晶偏振光栅是一种超薄的衍射光学元件，相较于其他衍射元件，明显地减小了尺寸、重量和偏移角。然而，传统的液晶光栅面临着偏转角太小、衍射效率低、响应速度慢等问题。所以设计新型的基于液晶偏振光栅的光束偏转系统，以实现非机械式的大角度高精度的光束偏转系统是非常有必要的。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，采用液晶偏振光栅与偏振转换器的级联，实现了角度的放大。解决目前衍射效率低、偏转角度小等问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种液晶偏振光栅级联器件，由左至右依次包括扭曲向列液晶盒、宽带四分之一波片和液晶偏振光栅，其中，扭曲向列液晶盒与宽带四分之一波片组合为偏振转换器，用来实现入射光偏振的转换，完成液晶偏振光栅的衍射角度调控。扭曲向列液晶盒起到了可控的宽带半波片的作用，对入射线偏光进行TE光和TM光的偏振电控切换。再利用宽带四分之一波片实现线偏振与圆偏振之间的转换。
本发明实施例还提供了一种上述液晶偏振光栅级联器件的衍射角度调控方法，假设入射光场偏振为TE线偏光；
当扭曲向列液晶盒加电压为0时，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光，然后经过液晶偏振光栅后发生+1级衍射；
当扭曲向列液晶盒加电压不为0时，入射的TE线偏光透过扭曲向列液晶盒但保持偏正状态不变，之后TE线偏光通过宽带四分之一波片后变成左旋圆偏光；但是当左旋圆偏光入射液晶偏振光栅后，以0级衍射状态出射且偏振不发生变化。
该调控方法采用液晶偏振光栅与偏振转换器级联，以实现衍射角度的电控切换。将扭曲向列(TN)液晶盒、宽带四分之一波片作为偏振转换器实现液晶偏振光栅入射光偏振的转换，从而完成液晶偏振光栅的角度调控工作。
进一步的，液晶偏振光栅的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，折射率平面的倾斜角ξ计算公式为：
ξ＝arctan(Λy/Λx)；
其中，Λx表示液晶分子光轴与z轴之间夹角沿x方向变化周期长度，Λy表示液晶分子在y方向呈现出螺旋结构的周期长度；
如果液晶偏振光栅的液晶分子层足够厚，则布拉格衍射能够被建立，布拉格衍射公式为：
2neffΛbsinξ＝λB；
其中，Λb代表布拉格周期，λB代表入射光的波长，neff代表液晶分子层的等效折射率，计算公式为：
其中，ne表示液晶分子中e光的折射率，no表示液晶分子中o光的折射率；
求非布拉格条件下入射光束入射偏振体全息光栅的入射角θi对应的衍射角度时，通过平面光栅公式得到衍射光束与入射光束之间的角度关系，即：
式中，θdiff表示衍射角，nglass表示玻璃波导的折射率值，λ表示光束的波长，θinc表示在空气中的入射角，m表示衍射级次，Λx表示液晶偏振光栅x方向上的水平周期长度。
本发明实施例还提供了一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，包括N基本单元，N≥1，各基本单元之间竖直平行设置，且各基本单元级联间存在空气层，入射光经第一基本单元后将发生一级衍射，前一基本单元的衍射光束将成为后一基本单元的入射光束，继续进行衍射，实现2N个衍射角度调控。
可选的，基本单元由左至右依次包括偏振转换器、第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅，其中，偏振转换器用来实现入射光偏振的转换，第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅中液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同；从而分别衍射左旋与右旋光束，实现光束±1级衍射。
进一步的，偏振转换器包括由左至右依次设置的扭曲向列液晶盒和宽带四分之一波片，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光。
本发明实施例还提供了一种液晶偏振光栅薄膜级联器件的衍射角度调控方法，该液晶偏振光栅薄膜级联器件包括N级级联器件，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光，这样的圆偏振光在经第一级级联器件后将发生衍射，前一级级联器件的衍射光束将成为后一级级联器件的入射光束，继续进行衍射，N级级联可控2N个衍射角度。
进一步的，可控衍射角度只能分布于光栅方程限制下的衍射级次角度上。
有益效果：本发明提供的一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)使用工作带宽较宽的扭曲向列液晶、宽带四分之一波片和液晶偏振光栅组合为一个基本单元，将扭曲向列(TN)液晶盒、宽带四分之一波片作为偏振转换器来实现液晶偏振光栅入射光偏振的转换，并通过多单元级联，从而完成液晶偏振光栅的衍射角度调控工作，实现大角度的光束偏折。
(2)通过设计液晶偏振光栅薄膜结构方案，实现可控衍射角度的扩展。
(3)通过采用双折射率大、粘度系数小等液晶材料，实现光束衍射角度偏转的高速控制。
附图说明
图1为液晶偏振光栅结构示意图；
图2为液晶偏振光栅一级级联器件的衍射角度调控示意图，其中(a)为液晶盒电压为0V时的光束偏转示意图，(b)为液晶盒电压为5V时的光束偏转示意图；
图3为液晶偏振光栅薄膜一级级联器件的结构示意图；
图4为液晶偏振光栅薄膜两级级联器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
由图1可知液晶偏振光栅具有二维周期结构，其中：
在x-z平面(水平面)，液晶偏振光栅的液晶分子层的光轴与z轴之间的夹角α会沿x方向(即水平方向)发生周期性变化，其周期长度记作Λx。
在y-z平面上，液晶偏振光栅的液晶分子层(或者更广泛地双折射率材料分子层)在y方向(即垂直方向上)呈现出周期螺旋结构，其周期记作Λy。
这样的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，其倾斜角ξ可由式(1)计算：
ξ＝arctan(Λy/Λx) (1)；
如果液晶分子层足够厚，则布拉格衍射能够被建立。布拉格衍射由式(2)所表示：
2neffΛbsinξ＝λB (2)；
其中，Λb表示布拉格周期，λB表示入射光的波长，neff表示液晶分子层的等效折射率，由式(3)计算：
其中，ne表示液晶分子中e光的折射率，no表示液晶分子中o光的折射率，求非布拉格条件下入射光束入射偏振体全息光栅的入射角θi对应的衍射角度时，通过平面光栅公式(色散方程)得到衍射光束与入射光束之间的角度关系，即：
式中，θdiff表示衍射角，nglass表示玻璃波导的折射率值，λ表示光束的波长，θinc表示在空气中的入射角，m表示衍射级次(对于液晶偏振光栅而言m＝1)，Λx表示液晶偏振光栅x方向上的水平周期长度。
通过选择大双折射率、小粘度系数的液晶分子来减少液晶盒厚或选择双频液晶材料或选择新型亚毫秒响应速度的新型快响应液晶材料如蓝相液晶，铁电液晶等，来实现光束的高速角度调控。
如图2所示，液晶偏振光栅级联器件由左至右依次包括扭曲向列液晶盒、宽带四分之一波片和液晶偏振光栅，其中，扭曲向列液晶盒与宽带四分之一波片组合为偏振转换器，用来实现入射光偏振的转换，完成液晶偏振光栅的衍射角度调控。
该液晶偏振光栅级联器件为由液晶偏振光栅与偏振转换器形成的一级级联器件。衍射角度调控方法为：使用工作带宽较宽的扭曲向列(TN)液晶盒1加上宽带四分之一波片2组合的偏振转换器来实现入射光偏振的转换，从而完成液晶偏振光栅3的衍射角度调控工作。具体的：如图2(a)所示，假设入射光场偏振为TE线偏光，当扭曲向列(TN)液晶盒1加电压为0时，TE线偏光透过扭曲向列(TN)液晶盒1后将转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片2后将变成圆偏振光(旋转方向如右旋)，这样的圆偏振光在经过液晶偏振光栅3后将发生衍射。如图2(b)所示，当扭曲向列(TN)液晶盒1接电压后(如5V)，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振转化能力消失。入射的TE光将透过扭曲向列(TN)液晶盒1但保持偏正状态不变，之后TE光通过宽带四分之一波片2后将变成左旋圆偏光；但是当左旋圆偏光入射液晶偏振光栅3后，因为入射圆偏振光的旋向与液晶偏振光栅内部液晶分子螺旋方向相反时，布拉格衍射则不发生，即光束将直接透过液晶偏振光栅以0级衍射状态出射且偏振不发生变化。
如图3所示，通过设计液晶偏振光栅薄膜结构方案，以实现可控角度的扩展。液晶偏振光栅薄膜结构包括两层液晶偏振光栅，即第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅，并将液晶偏振光栅薄膜与偏振转换器4进行一级组合形成一个基本单元，其也为液晶偏振光栅薄膜一级级联器件；基本单元由左至右依次包括偏振转换器、第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅，其中，偏振转换器用来实现入射光偏振的转换，第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅中液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同；如5和6分别为旋转方向相反但周期相同的液晶偏振光栅，从而可以分别衍射左旋与右旋光束，这样光束可以被衍射至±1级，实现更大角度的偏转。
其中，偏振转换器包括由左至右依次设置的扭曲向列液晶盒和宽带四分之一波片，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光。
如图4所示，为液晶偏振光栅薄膜两级级联器件，其包括两个基本单元，且两个基本单元竖直平行设置，两个基本单元级联间存在空气层。TE线偏光透过扭曲向列(TN)液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光，这样的圆偏振光在经第一级级联器件7后将发生衍射，前一级级联器件(第一级级联器件)的衍射光束将成为后一级级联器件(第二级级联器件)的入射光束，继续进行衍射，从而增大衍射角的范围。
在本发明中可提供多级液晶偏振光栅薄膜级联器件，比如N级液晶偏振光栅薄膜级联器件，包括N基本单元，N≥1，各基本单元之间竖直平行设置，且各基本单元级联间存在空气层，入射光经第一基本单元后将发生一级衍射，前一基本单元的衍射光束将成为后一基本单元的入射光束，继续进行衍射，实现2N个衍射角度调控。其电控光束偏折效果类似图4所示的两级级联。理论上N级级联可控2N个衍射角度。然而，其可控衍射角度只能分布于光栅方程限制下的衍射级次角度上，并且其存在倾斜入射，相位难以正确积累问题，可能会影响衍射效率。
Claims (8)
1.一种液晶偏振光栅级联器件，其特征在于，由左至右依次包括扭曲向列液晶盒、宽带四分之一波片和液晶偏振光栅，其中，扭曲向列液晶盒与宽带四分之一波片组合为偏振转换器，用来实现入射光偏振的转换，完成液晶偏振光栅的衍射角度调控。
2.一种权利要求1所述液晶偏振光栅级联器件的衍射角度调控方法，其特征在于，假设入射光场偏振为TE线偏光；
当扭曲向列液晶盒加电压为0时，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光，然后经过液晶偏振光栅后发生+1级衍射；
当扭曲向列液晶盒加电压不为0时，入射的TE线偏光透过扭曲向列液晶盒但保持偏正状态不变，之后TE线偏光通过宽带四分之一波片后变成左旋圆偏光；但是当左旋圆偏光入射液晶偏振光栅后，以0级衍射状态出射且偏振不发生变化。
3.根据权利要求2所述的一种液晶偏振光栅级联器件的衍射角度调控方法，其特征在于，液晶偏振光栅的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，折射率平面的倾斜角ξ计算公式为：
ξ＝arctan(Λy/Λx)；
其中，Λx表示液晶分子光轴与z轴之间夹角沿x方向变化周期长度，Λy表示液晶分子在y方向呈现出螺旋结构的周期长度；
如果液晶偏振光栅的液晶分子层足够厚，则布拉格衍射能够被建立，布拉格衍射公式为：
2neffΛbsinξ＝λB；
其中，Λb代表布拉格周期，λB代表入射光的波长，neff代表液晶分子层的等效折射率，计算公式为：
其中，ne表示液晶分子中e光的折射率，no表示液晶分子中o光的折射率；
求非布拉格条件下入射光束入射偏振体全息光栅的入射角θi对应的衍射角度时，通过平面光栅公式得到衍射光束与入射光束之间的角度关系，即：
式中，θdiff表示衍射角，nglass表示玻璃波导的折射率值，λ表示满足布拉格条件的波长，θinc表示在空气中的入射角，m表示衍射级次，Λx表示液晶偏振光栅x方向上的水平周期长度。
4.一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，其特征在于，包括N基本单元，N≥1，各基本单元之间竖直平行设置，且各基本单元级联间存在空气层，入射光经第一基本单元后将发生一级衍射，前一基本单元的衍射光束将成为后一基本单元的入射光束，继续进行衍射，实现2N个衍射角度调控。
5.根据权利要求4所述的一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，其特征在于，基本单元由左至右依次包括偏振转换器、第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅，其中，偏振转换器用来实现入射光偏振的转换，第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅中液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同；从而分别衍射左旋与右旋光束，实现光束±1级衍射。
6.根据权利要求5所述的一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，其特征在于，偏振转换器包括由左至右依次设置的扭曲向列液晶盒和宽带四分之一波片，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光。
7.一种液晶偏振光栅薄膜级联器件的衍射角度调控方法，其特征在于，该液晶偏振光栅薄膜级联器件包括N级级联器件，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光，这样的圆偏振光在经第一级级联器件后将发生衍射，前一级级联器件的衍射光束将成为后一级级联器件的入射光束，继续进行衍射，N级级联可控2N个衍射角度。
8.根据权利要求7所述的一种液晶偏振光栅薄膜级联器件的衍射角度调控方法，其特征在于，可控衍射角度只能分布于光栅方程限制下的衍射级次角度上。
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