CN113093447A - 一种快速响应的中红外液晶光学相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，应用于电子器件领域，针对现有技术实现相控阵器件的快速响应，最直接的方法就是降低液晶盒的盒厚，但直接降低盒厚，无法同时满足器件能够实现2π的相移量的技术问题；本发明采用两个平行的高反射率的光学增反膜层构成法布里‑珀罗腔中的平行平板，利用法布里‑珀罗腔(FP腔)效应，实现两平行平板间的多光束干涉，能够保证相控阵器件有2π的相移量；采用本发明的结构实现了降低中红外液晶光学相控阵器件的盒厚提高响应速度，快速响应的效果。

Description

一种快速响应的中红外液晶光学相控阵
技术领域
本发明属于电子器件领域，特别涉及一种中红外液晶光学相控技术。
背景技术
液晶光学相控阵作为激光雷达扫描系统的重要组成部分，具有分辨率高、准确度高、电控可编程的优点。中红外是重要的大气窗口，同时也是军用红外探测器的主要工作区域。中红外液晶光学相控阵的波束扫描作为最先进的非机械波束扫描机制，采用中红外液晶作为其功能材料，将相控波束扫描技术拓展到3～5微米的中红外波段，能够解决中红外激光雷达快速波位切换、高精度指向等问题。
中红外液晶光学相控阵采用高透过率玻璃基底，高透过率导电薄膜和低吸收的液晶材料，将相控阵的工作频谱范围拓展到3～5微米，实现对中红外波段工作激光的非机械式扫描。目前，中红外液晶光学相控阵的响应时间在百毫秒量级，在实际激光雷达探测系统中，其适用范围很大程度受到其较慢响应能力的限制。如何实现具备快速响应能力的中红外液晶光学相控阵，是目前研究者共同的追求。实现相控阵器件的快速响应，最直接的方法就是降低液晶盒的盒厚，但直接降低盒厚，无法同时满足器件能够实现2π的相移量。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，从器件设计角度出发，降低器件盒厚以提高液晶的响应速度，同时利用法布里-珀罗腔(FP腔)效应实现2π的相移量，满足整体相控阵的相关性能。
本发明采用的技术方案为：一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其结构从上往下包括：第一中波透明玻璃基底层、第一中波透明导电膜层、第一高反射率的光学增反膜层、第一取向层、第二取向层、第二高反射率的光学增反膜层、第二中波透明导电膜层、第二中波透明玻璃基底层；第一高反射率的光学增反膜层与第二高反射率的光学增反膜层构成法布里-珀罗腔中的平行平板。
中红外激光垂直入射液晶光学相控阵器件，能够在FP腔内多次反射，每次反射都会产生一个附加相移量，附加相移的叠加就能够保证整个中红外液晶光学相控阵器件有2π的相移。
液晶分子层位于第一取向层和第二取向层之间，液晶分子层的内部喷洒相同高度的间隔子进行支撑；第一基板与第二基板边缘通过边框胶进行密封封装。
所述液晶分子层的内部喷洒相同高度的间隔子进行支撑。
所述间隔子的大小根据快速响应的条件确定。
本发明的有益效果：采用两层平行的高反射率的光学增反膜层构成法布里-珀罗腔中的平行平板，基于法布里-珀罗腔(FP腔)效应，当中红外激光垂直入射液晶光学相控阵器件，能够在FP腔内多次反射，每次反射都会产生一个附加相移量，附加相移的叠加就能够保证整个中红外液晶光学相控阵器件有2π的相移；采用本发明的相控阵设计降低了中红外液晶光学相控阵器件的盒厚，提高了响应速度，达到快速响应的目的；同时高反射率的光学增反膜构成的法布里-珀罗腔(FP腔)能够保证相控阵器件有2π的相移量，能够对透射激光进行控制。
附图说明
图1为本发明的快速响应中红外液晶光学相控阵器件装置结构图；
图2为本发明中红外液晶光学相控阵器件形成法布里-珀罗腔(FP腔)的干涉原理图；
图3为本发明盒厚为5微米的相控阵器件的透射光相位角与液晶折射率之间的关系曲线图；
其中，图3(a)为光学增反膜的反射率R＝50％,80％,90％,95％和99％的仿真图，图3(b)为光学增反膜的反射率R＝90％,99％,和99.99％的仿真图；
图4为本发明盒厚为5微米的相控阵器件的透射率与液晶折射率之间的关系曲线图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，首先对以下技术用语进行解释：
F-P谐振腔，全名是法布里-珀罗谐振腔(Fabry–Pérot cavity)，也即平面平行腔(plane-parallel cavity(resonator))，是光学谐振腔的一种，传统意义上的F-P腔是由两片具有一定反射率的平行平板构成的，即平面平行腔。
如图1为快速响应的中红外液晶光学相控阵器件结构，该器件包括中波透明玻璃基底1、中波透明导电薄膜层2、高反射率光学增反膜3、聚酰亚胺取向层4、中红外液晶分子层5和间隔子6。
所述的液晶光学相控阵结构从上往下包括第一中波透明玻璃基底层、第一中波透明导电膜层、第一高反射率的光学增反膜层、第一取向层、第二取向层、第二高反射率的光学增反膜层、第二中波透明导电膜层、第二中波透明玻璃基底层。
所述的液晶分子层位于第一取向层和第二取向层之间，液晶分子层的内部喷洒相同高度的间隔子进行支撑；第一基板与第二基板边缘通过边框胶进行密封封装。
所述第一和第二高反射率的光学增反膜构成法布里-珀罗腔(FP腔)中的平行平板。中红外激光垂直入射液晶光学相控阵器件，能够在FP腔内多次反射，每次反射都会产生一个附加相移量φ，其中
Figure BDA0003030451440000031
附加相移的叠加就能够保证整个中红外液晶光学相控阵器件有2π的相移。
所述间隔子的大小是由快速响应的条件决定的。一般来说，间隔子大小为5微米的中红外液晶光学相控阵的响应时间可以达到6ms。
利用法布里-珀罗腔(FP腔)效应保证中红外液晶光学相控阵器件在实现快速响应的同时具有2π的相位调制深度。根据实验和仿真的条件，设置中红外液晶光学相控阵的盒厚为5微米。下面结合附图进一步说明利用法布里-珀罗腔(FP腔)效应实现快速响应，同时保证器件有2π相位调制深度的工作原理。
设中红外液晶光学相控阵器件的盒厚为d，中红外激光器的波长为3.9微米，中红外液晶材料的折射率为n，中红外激光的振幅为A0，中红外激光的光强为I0，光学增反膜的反射率为R。当光学增反膜的反射率R达到90％以上，两光学增反膜构成法布里-珀罗腔(FP腔)中的平行平板，可以实现多光束干涉。中红外激光在腔内发生多次反射，相邻两束光由光程差所引起的相位差可以为法布里-珀罗腔(FP腔)提供附加相移量，附加相移量为
Figure BDA0003030451440000032
其中，中红外激光垂直入射器件，故cosβ＝1，此时
Figure BDA0003030451440000033
N次反射透射的激光的复振幅可以写为：
Figure BDA0003030451440000035
则合成波的复振幅：
Figure BDA0003030451440000034
合成波的输出光强为：
It＝At·(At)* (4)
其中，At表示透射光的复振幅；(At)*表示透射光复振幅的共轭；
因此，可以得到中红外液晶光学相控阵器件的透射率为：
Figure BDA0003030451440000041
对合成波的输出光强I取幅角得到相位调制量：
Figure BDA0003030451440000042
由上述公式(1)-(6)可以得到中红外液晶光学相控阵对激光的相位调制量
Figure BDA0003030451440000043
与中红外液晶光学相控阵器件折射率n之间的关系；根据透射率的公式得到中波红外液晶光学相控阵器件的透射率T与器件折射率n之间的关系。以此为依据进行仿真，如图3所示为不同反射率条件下的相位角与中红外液晶折射率之间的关系结果，图3(a)的仿真条件为光学增反膜的反射率R＝50％,80％,90％,95％和99％，图3(b)的仿真条件为光学增反膜的反射率R＝90％,99％,和99.99％；如图4所示为不同反射率条件下的透射率与中红外液晶折射率之间的关系结果,仿真条件为光学增反膜的反射率R＝50％,80％,90％,95％和99％。设定的中红外液晶光学相控阵的盒厚为5微米，当光学增反膜层的反射率为99％的情况下，根据上述公式(1)-(6)可以得到，液晶折射率n从1.58变化到1.9(即△n＝0.32)，器件利用法布里-珀罗腔(FP腔)实现1.62π的相移。在此结构参数下，需要叠加2个中红外液晶光学相控阵器件，才能实现3.24π的相移量，满足对激光调制的功能需求。
当光学增反膜层的反射率为99.99％的情况下，液晶折射率n从1.58变化到1.9(即△n＝0.32)，如图3(b)所示，器件利用法布里-珀罗腔(FP腔)效应就可以实现2π的相移，从而降低了材料成本和工艺难度。
所述中红外液晶光学相控阵器件的盒厚是由快速响应的条件决定的。中红外液晶光学相控阵的响应时间为：
上升时间：
Figure BDA0003030451440000044
下降时间：
Figure BDA0003030451440000045
其中，η是粘度；k为弹性系数；d为中红外液晶光学相控阵器件的盒厚；ε为介质各向异性；V为外加电压。
中红外液晶光学相控阵的上升时间ton与相控阵器件的盒厚d成平方正比；下降时间toff与相控阵器件的盒厚d成平方正比。为了达到快速响应的目的，需要减薄液晶盒的厚度。
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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，至少包括两个平行的高反射率的光学增反膜层，这两个高反射率的光学增反膜层构成法布里-珀罗腔中的平行平板。
2.根据权利要求1所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，所述两个平行的高反射率的光学增反膜层之间包括两个取向层，两个取向层之间为液晶分子层。
3.根据权利要求2所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，所述液晶分子层的内部喷洒相同高度的间隔子进行支撑。
4.根据权利要求3所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，所述间隔子的大小根据快速响应的条件确定。
5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，还包括：所述两个平行的高反射率的光学增反膜层外的中波透明导电层。
6.根据权利要求5任意一项权利要求所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，两个中波透明导电层外为中波透明玻璃基底层。
7.根据权利要求6任意一项权利要求所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，所述两个中波透明玻璃基底层边缘通过边框胶进行密封封装。
8.根据权利要求7任意一项权利要求所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，当两个高反射率的光学增反膜层的反射率大于或等于90％，中红外激光垂直入射液晶光学相控阵器件，在法布里-珀罗腔内实现多光束干涉。
9.根据权利要求8任意一项权利要求所述的一种快速响应的中红外液晶光学相控阵，其特征在于，当两个高反射率的光学增反膜层的反射率为99.99％的情况下，液晶分子层折射率从1.58变化到1.9，实现2π的相移。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6842217B1 (en) * 2001-08-23 2005-01-11 Cambridge Research And Instrumentation, Inc. Fabry-perot etalons and tunable filters made using liquid crystal devices as tuning material
CN101520565A (zh) * 2009-01-09 2009-09-02 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种快速响应液晶光开关及制备方法
CN107394318A (zh) * 2017-07-14 2017-11-24 合肥工业大学 一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元
CN109298406A (zh) * 2018-11-19 2019-02-01 长春理工大学 基于液晶相控阵的激光雷达系统
CN111208662A (zh) * 2020-03-06 2020-05-29 电子科技大学 一种液晶光学相控阵驱动的数据处理方法
CN111430894A (zh) * 2020-04-01 2020-07-17 电子科技大学 共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6842217B1 (en) * 2001-08-23 2005-01-11 Cambridge Research And Instrumentation, Inc. Fabry-perot etalons and tunable filters made using liquid crystal devices as tuning material
CN101520565A (zh) * 2009-01-09 2009-09-02 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种快速响应液晶光开关及制备方法
CN107394318A (zh) * 2017-07-14 2017-11-24 合肥工业大学 一种用于反射式可调移相器的液晶移相单元
CN109298406A (zh) * 2018-11-19 2019-02-01 长春理工大学 基于液晶相控阵的激光雷达系统
CN111208662A (zh) * 2020-03-06 2020-05-29 电子科技大学 一种液晶光学相控阵驱动的数据处理方法
CN111430894A (zh) * 2020-04-01 2020-07-17 电子科技大学 共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置

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