CN112946966A - 一种大角度液晶光学相控阵扫描组件 - Google Patents

一种大角度液晶光学相控阵扫描组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，包括激光器、四分之一波片、光波导、胆甾相液晶器件和液晶光学相控阵；激光器出射的激光经过四分之一波片后耦合进入光波导，沿光波导传播；所述光波导呈弧形结构，光波导的内侧设有金属反射层，外侧设有ITO膜层；ITO膜层的外侧设有多个胆甾相液晶器件，胆甾相液晶器件的外侧依次设有ITO电极、四分之一波片和液晶光学相控阵；胆甾相液晶器件用于作为激光透射或者反射的选择开关。本发明通过胆甾相液晶单元器件的选择，波导中的激光将反射或者透射至液晶光学相控阵，实现了控制扫描；采用多个胆甾相液晶单元器件以及多个液晶光学相控阵，能够实现大角度扫描。

Description

一种大角度液晶光学相控阵扫描组件
技术领域
本发明属于液晶光学相控阵技术、液晶光电子器件技术领域，特别涉及一种大角度液晶光学相控阵扫描组件。
背景技术
光束偏转扫描技术广泛应用于激光通信、目标追踪等领域。目前国内外激光扫描的控制方法大体分机械式和非机械式两种，机械式偏转依靠机械装置改变光轴的方向来实现光束偏转，其响应慢，扫描时有机械惯性，器件体积大，造价费用高等缺点；非机械式光束偏转技术随着研究的不断深入和制作工艺的成熟，液晶光学相控阵(LCOPA)技术成为研究热点，LCOPA具有无惯性，扫描精度高和低SWaP(大小，重量和功耗)等优势，是光束偏转中重要的研究方向。
液晶光学相控阵技术克服了机械式偏转技术很多缺点，但液晶光学相控阵技术也面临着波束扫描范围窄的问题(约±3°)，主要受液晶盒的阵列尺寸，相位调制深度和当前工艺技术的影响。目前大角度扫描方式都是采用级联技术，器件级联带来成本消耗大，光束经过级联层数多导致插损大。而由于工业应用的推动，液晶器件的制造工艺非常成熟，因此实现光束偏转范围大以及制造成本低是该领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过胆甾相液晶单元器件的选择，波导中的激光将反射或者透射至液晶光学相控阵，实现控制扫描，并采用多个胆甾相液晶单元器件以及多个液晶光学相控阵实现了大角度扫描的大角度液晶光学相控阵扫描组件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，包括激光器、四分之一波片、光波导、胆甾相液晶器件和液晶光学相控阵；激光器出射的激光经过四分之一波片后耦合进入光波导，沿光波导传播；所述光波导呈弧形结构，光波导的内侧设有金属反射层，外侧设有ITO膜层；ITO膜层的外侧设有多个胆甾相液晶器件，胆甾相液晶器件的外侧依次设有ITO电极、四分之一波片和液晶光学相控阵；胆甾相液晶器件用于作为激光透射或者反射的选择开关。
进一步地，位于胆甾相液晶器件与液晶光学相控阵之间的四分之一波片的光轴与相邻的液晶光学相控阵的光轴方向一致。
进一步地，所述胆甾相液晶器件在未加电状态时，其螺距和激光波长的关系为：
Figure BDA0002930925130000021
λ为激光的波长，
Figure BDA0002930925130000022
为与螺旋轴相垂直平面内的平均折射率，θi为激光的入射角，θs为激光的的反射角，p为胆甾相液晶的螺距；
胆甾相液晶器件的旋向与激光旋向一致。
进一步地，所述胆甾相液晶器件包括两层电极，其中，上层电极为公共极，与ITO膜层相邻；下层电极为离散的导电区域，与四分之一波片相邻；
通过在上下两层电极上记载电压来改变胆甾相液晶器件的反射和透射性能：当胆甾相液晶器件的上下两层电极不加电时，胆甾相液晶器件的旋向与光波导中激光旋向一致，胆甾相液晶器件将对入射激光进行反射；当胆甾相液晶器件的上下两层电极加电时，胆甾相液晶器件的螺距完全被解开，液晶织构完全变成场致向列相，反射率为零，布拉格反射效应消失，入射激光被透射。
进一步地，所述液晶光学相控阵、与液晶光学相控阵相邻的四分之一波片和ITO电极均位于胆甾相液晶器件下层电极的中心部位，所述ITO电极的宽度大于一个激光的反射周期L且小于两个激光的反射周期2L。
本发明的有益效果是：本发明的胆甾相液晶螺距设计使其反射波长与波导中的激光波长一致，需要激光透射时，给胆甾相液晶加一定电压，使其解螺旋完全变成场致向列相，胆甾相液晶不再具有布拉格反射效应，反射率为零，波导中的激光从而实现透射，激光透射后进入液晶光学相控阵器件被控制精度扫描。本发明通过胆甾相液晶单元器件的选择，波导中的激光将反射或者透射至液晶光学相控阵，实现了控制扫描；采用多个胆甾相液晶单元器件以及多个液晶光学相控阵，能够实现大角度扫描，解决了现有技术单个液晶光学相控阵视场范围比较窄，现有级联技术成本高，插损大等问题。
附图说明
图1为本发明的大角度液晶光学相控阵扫描组件的结构示意图一；
图2为本发明中大角度液晶光学相控阵扫描组件的示意图二；
图3为本发明的液晶光学相控阵示意图；
附图标记说明：1-激光器，2-金属反射层，3-光波导，4-ITO膜层，5-胆甾相液晶器件，6-ITO电极，7-液晶光学相控阵，8-四分之一波片，9-石英玻璃，10-ITO膜层，11-ITO电极，12-PI取向层，13-间隔子，14-液晶。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，包括激光器1、四分之一波片、光波导3、胆甾相液晶器件5和液晶光学相控阵7；激光器1出射的激光经过四分之一波片后耦合进入光波导3，沿光波导传播；所述光波导3呈弧形结构，光波导3的内侧设有金属反射层2，外侧设有ITO膜层4；ITO膜层4的外侧设有多个胆甾相液晶器件5，胆甾相液晶器件5的外侧依次设有ITO电极6、四分之一波片和液晶光学相控阵7；胆甾相液晶器件5用于作为激光透射或者反射的选择开关。
进一步地，位于胆甾相液晶器件与液晶光学相控阵之间的四分之一波片的光轴与相邻的液晶光学相控阵的光轴方向一致。
进一步地，所述胆甾相液晶器件5在未加电状态时，其螺距和激光波长的关系为：
Figure BDA0002930925130000031
λ为激光的波长，
Figure BDA0002930925130000032
为与螺旋轴相垂直平面内的平均折射率，θi为激光的入射角，θs为激光的的反射角，p为胆甾相液晶的螺距；
胆甾相液晶器件的旋向与激光旋向一致。
进一步地，所述胆甾相液晶器件5包括两层电极，其中，上层电极为公共极，与ITO膜层4相邻；下层电极为离散的导电区域，与四分之一波片相邻；
通过在上下两层电极上记载电压来改变胆甾相液晶器件5的反射和透射性能：当胆甾相液晶器件的上下两层电极不加电时，胆甾相液晶器件的旋向与光波导中激光旋向一致，胆甾相液晶器件将对入射激光进行反射；当胆甾相液晶器件的上下两层电极加电时，胆甾相液晶器件的螺距完全被解开，液晶织构完全变成场致向列相，反射率为零，布拉格反射效应消失，入射激光被透射。
如2为本发明的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件的图1方框部分的微观放大图。所述液晶光学相控阵7、与液晶光学相控阵相邻的四分之一波片和ITO电极6均位于胆甾相液晶器件5下层电极的中心部位，所述ITO电极6的宽度大于一个激光的反射周期L且小于两个激光的反射周期2L，确保该处有反射或透射一束激光束。
如图3所示，本发明中使用的液晶光学相控阵器件的结构，包括石英玻璃9，掺铟氧化锡膜层(ITO)10以及刻有图形的ITO电极11，PI取向层12，间隔子13，液晶14；所述的液晶光学相控阵器件结构为已知技术，本发明在此不做详细阐述。
从激光器1出射的激光经过四分之一波片8，形成左旋(或右旋)圆偏振光，耦合进入光波导3，光波导3弧形内侧边缘镀有金属反射膜2。所述光波导3外侧的胆甾相液晶器件5的旋向与光波导3中激光的旋向一致，耦合进入波导的激光在波导中来回反射，并向前传播。
所述胆甾相液晶器件5作为光开关的控制开关，例如，无需激光从第一个液晶光学相控阵方向出射光时，该胆甾相液晶的电极不加电，胆甾相液晶器件的旋向与光波导中激光旋向一致，胆甾相液晶器件将该方向的激光进行反射；需要激光从第二个液晶光学相控阵方向出射时，在该胆甾相液晶施加一定的电压，使该方向的胆甾相液晶螺距完全被解开，液晶织构完全变成场致向列相，反射率为零，布拉格反射效应消失，波导中的激光被透射，该方向透射的激光进入ITO电极，然后透过四分之一波片进入光学相控阵。光学相控阵上方的四分之一波片将圆偏振光转换为线偏振光，线偏振光进入液晶光学相控阵器件7，进而被控制扫描，液晶光学相控阵7用于精度扫描。
单个液晶光学相控阵能控制光束偏转一定的范围角度b，N个液晶光学相控阵拼接在一共能控制的角度范围为a＝b×N，能够实现大角度液晶光学相控阵扫描。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，其特征在于，包括激光器(1)、四分之一波片、光波导(3)、胆甾相液晶器件(5)和液晶光学相控阵(7)；激光器(1)出射的激光经过四分之一波片后耦合进入光波导(3)，沿光波导传播；所述光波导(3)呈弧形结构，光波导(3)的内侧设有金属反射层(2)，外侧设有ITO膜层(4)；ITO膜层(4)的外侧设有多个胆甾相液晶器件(5)，胆甾相液晶器件(5)的外侧依次设有ITO电极(6)、四分之一波片和液晶光学相控阵(7)；胆甾相液晶器件(5)用于作为激光透射或者反射的选择开关。
2.根据权利要求1所述的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，其特征在于，位于胆甾相液晶器件与液晶光学相控阵之间的四分之一波片的光轴与相邻的液晶光学相控阵的光轴方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，其特征在于，所述胆甾相液晶器件(5)在未加电状态时，其螺距和激光波长的关系为：
Figure FDA0002930925120000011
λ为激光的波长，
Figure FDA0002930925120000012
为与螺旋轴相垂直平面内的平均折射率，θi为激光的入射角，θs为激光的的反射角，p为胆甾相液晶的螺距；
胆甾相液晶器件的旋向与激光旋向一致。
4.根据权利要求1所述的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，其特征在于，所述胆甾相液晶器件(5)包括两层电极，其中，上层电极为公共极，与ITO膜层(4)相邻；下层电极为离散的导电区域，与四分之一波片相邻；
通过在上下两层电极上记载电压来改变胆甾相液晶器件(5)的反射和透射性能：当胆甾相液晶器件的上下两层电极不加电时，胆甾相液晶器件的旋向与光波导中激光旋向一致，胆甾相液晶器件将对入射激光进行反射；当胆甾相液晶器件的上下两层电极加电时，胆甾相液晶器件的螺距完全被解开，液晶织构完全变成场致向列相，反射率为零，布拉格反射效应消失，入射激光被透射。
5.根据权利要求4所述的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，其特征在于，所述液晶光学相控阵(7)、与液晶光学相控阵相邻的四分之一波片和ITO电极(6)均位于胆甾相液晶器件(5)下层电极的中心部位。
6.根据权利要求1所述的一种大角度液晶光学相控阵扫描组件，其特征在于，所述ITO电极(6)的宽度大于一个激光的反射周期L且小于两个激光的反射周期2L。
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