CN113138505A - 一种铁电液晶几何相位器件及其制备系统和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁电液晶几何相位器件及其制备系统和制备方法，铁电液晶几何相位器件包括两块相对设置的玻璃基板、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层、以及位于所述玻璃基板之间的铁电液晶层；所述铁电液晶层由具有螺旋结构的铁电液晶分子组成，铁电液晶分子螺旋轴指向方向结构为几何相位器件结构，相对两玻璃基板间距为5μm；所述光控取向层的分子取向由基于空间光调制器的铁电液晶光控取向系统决定，其方向与铁电液晶螺旋轴方向相同，与偏振光偏振方向垂直。本发明具有极高的相应速率且驱动电压需求小。

Description

一种铁电液晶几何相位器件及其制备系统和制备方法
技术领域
本发明涉及几何相位器件技术领域，尤其是一种铁电液晶几何相位器件及其制备系统和制备方法。
背景技术
几何相位器件在光场调控和光学显示方面均有重要应用。传统几何相位器件多采用无源器件，制作工艺复杂且不可调节。基于液晶的几何相位器件具有衍射效率高、光学厚度小、集成度高等优点。
目前，制备液晶几何相位器件大多基于光控取向技术，这种非接触式的取向技术相比于传统的摩擦取向技术，在极大程度上避免了摩擦取向技术当中出现的粉尘、静电等杂质污染问题，并且不受取向层表面形状限制，可适用于曲型等不规则表面的液晶取向，使得液晶分子多畴取向成为可能，大幅度提升液晶几何相位器件的视角和分辨率大小。
当前，新型光控取向系统不断发展，如静态光掩模版法、基于数控微镜阵的动态无掩膜曝光法，而这些方法都需要多次曝光，操作复杂且精准度要求高。与之形成对比的，空间光调制器具有可像素化调控光场的优点，并且使用空间光调制器系统进行光场调控和液晶光控取向时，仅需进行一次曝光即可制备复杂结构的液晶几何相位器件。
在现有液晶几何相位器件中，响应时间仅处于毫秒量级，无法达到工业应用标准。目前，使用蓝相液晶或者胆甾相液晶可以缩短响应时间，但是存在驱动电压高、材料制备处理困难等一系列问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种铁电液晶几何相位器件及其制备系统和制备方法。
本发明保护一种铁电液晶几何相位器件，包括两块相对设置的玻璃基板、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层、以及位于所述玻璃基板之间的铁电液晶层；所述铁电液晶层由铁电液晶分子层组成，每层铁电液晶分子层均由铁电液晶分子排列构成，铁电液晶分子结构为几何相位器件结构，相邻两层液晶分子层的层间距为5μm；所述光控取向层的分子取向由基于空间光调制器的铁电液晶光控取向系统决定，其方向与液晶分子方向相同，与偏振光偏振方向垂直。
优选的，所述玻璃基板为掺锡氧化铟的单面可导电玻璃。
优选的，所述光控取向层为偶氮苯染料光控取向层。
本发明还保护一种上述铁电液晶几何相位器件的制备系统，由激光器光源、扩束系统、起偏系统、光场调控系统、聚焦系统组成；所述激光器光源为450nm蓝光激光，所述扩束系统包括一扩束透镜和一准直透镜，所述起偏系统为一格兰-泰勒棱镜；所述光场调控系统由一半波片、一反射式空间光调制器和一四分之一波片组成，所述半波片和所述四分之一波片的光轴方向分别与起偏方向的夹角为 22.5°和45°；所述聚焦系统为一会聚透镜。
本发明还保护一种基于上述制备系统的铁电液晶几何相位器件制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在两块玻璃基板上预涂光控取向层，然后进行组盒，铁电液晶分子层之间的间隙由5μm间隔件保持；
步骤2，铁电液晶几何相位器件制备系统的组装、调试；
步骤3，将组盒完成的玻璃基板放在像平面上，将所需器件相位图案通过计算机加载至所述空间光调制器中，对玻璃基板进行光照，获得所需器件相位图案后，向盒内部灌入适量变形螺旋铁电液晶。
本发明的有益效果：
1、本发明公开的铁电液晶几何相位器件具有极高的相应速率且驱动电压需求小，这些特点使其在成像、显示、光场调控等应用当中发挥着极其重要的作用；
2、系统配置简单的同时可制备任意复杂铁电液晶光学器件，通过一次性曝光快速制备任意液晶光学器件，无需对液晶进行多次分割操作并对其多次曝光，因而避免了精度要求过高的问题；
3、通过本发明公开的制备系统制备的铁电液晶几何相位器件对入射光偏振态高度敏感，可快速调节出射光偏振态(如几何相位器件中的会聚态和发散态)及光强。
附图说明
图1为铁电液晶几何相位器件(液晶盒)的内部结构图；
图2位铁电液晶几何相位器件的开态响应时间与驱动电压之间的关系曲线图；
图3为铁电液晶几何相位器件制备系统构成及其光路图；
图4为载入空间光调制器的几何相位透镜图案信息及变形螺旋铁电液晶几何相位器件内部显微结构图；
图5为铁电液晶几何相位器件快速可调测试系统及其光路图；
图6(a)为2×2铁电液晶几何相位透镜阵列图；
图6(b)为4×4铁电液晶几何相位透镜阵列图；
图6(c)为2×2铁电液晶液晶几何相位透镜阵列下通过会聚光态圆偏振光光束后光斑变化图；
图6(d)为4×5铁电液晶液晶几何相位透镜阵列下通过会聚光态圆偏振光光束后光斑变化图；
图6(e)为字母L图像通过圆偏振旋性选择系统及铁电液晶几何相位透镜后缩小效果图；
图6(f)为字母L图像通过圆偏振旋性选择系统及铁电液晶几何相位透镜后放大效果图。
附图标记说明：
1、光照；2、玻璃基板；3、光控取向层；4、铁电液晶层；
5、几何相位器件液晶结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种铁电液晶几何相位器件，如图1所示，包括两块相对设置的玻璃基板2、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层3、以及位于所述玻璃基板之间的铁电液晶层4。
从图1可以看出，所述铁电液晶层4由具有螺旋结构的铁电液晶分子组成，铁电液晶螺旋轴指向结构为几何相位器件结构，液晶分子层的间距为5μm。
所述光控取向层的分子取向由基于空间光调制器的铁电液晶光控取向系统决定，其方向与液晶分子或螺旋轴方向相同，与偏振光偏振方向垂直。
本发明公开的铁电液晶几何相位器件具有极高的相应速率且驱动电压需求小。图2为变形螺旋铁电液晶几何相位器件的开态响应时间和驱动电压之间的关系曲线，可以看到，其在2V/μm的电压下可以达到150μs的响应时间。这些特点使其在成像、显示、光场调控等应用当中发挥着极其重要的作用。
优选的，所述玻璃基板为掺锡氧化铟的单面可导电玻璃。
优选的，所述光控取向层为偶氮苯染料光控取向层。
上述铁电液晶几何相位器件的制备系统，如图3所示，由激光器光源、扩束系统、起偏系统、光场调控系统、聚焦系统组成。
所述激光器光源为450nm蓝光激光，所述扩束系统包括一扩束透镜和一准直透镜，所述起偏系统为一格兰-泰勒棱镜；所述光场调控系统由一半波片、一反射式空间光调制器和一四分之一波片组成，所述半波片和所述四分之一波片的光轴方向分别与起偏方向的夹角为22.5°和45°；所述聚焦系统为一会聚透镜。
基于上述制备系统的铁电液晶几何相位器件制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在两块玻璃基板上预涂光控取向层，然后进行组盒，铁电液晶分子层之间的间隙由5μm间隔件保持；
步骤2，铁电液晶几何相位器件制备系统的组装、调试；
步骤3，将组盒完成的玻璃基板放在像平面上，将所需器件相位图案通过计算机加载至所述空间光调制器中，对玻璃基板进行光照，获得所需器件相位图案后，向盒内部灌入适量变形螺旋铁电液晶。
载入空间光调制器的几何相位透镜相位信息图案和制得的变形螺旋铁电液晶几何相位器件内部显微结构如图4所示。
为证明本发明公开的铁电液晶几何相位器件的性能，将其置于图 5所示的测试系统中进行性能测试。所述测试系统包括激光器光源、圆偏振片、铁电液晶几何相位器件和CCD系统。
所述激光器光源为633nm红光光源；所述圆偏振片为左旋或右旋圆偏振片，用于将入射光变为普通圆偏振光，使用所制铁电液晶几何相位器件为例，右旋光作为会聚光场，出射光场为汇聚光斑；左旋光作为发散光场，出射光场为光斑发散。
所述CCD系统为一连接计算机的观测系统，观察光斑变化以验证该器件光学性能，不同光场下光斑变化如图5所示。
图6(a)和(b)分别为2×2和4×4铁电液晶几何相位器件阵列，图6(c)和(d)分别为2×2和4×4铁电液晶液晶几何相位透镜阵列下通过会聚光态圆偏振光光束后光斑变化，图6(e)和(f) 分别为字母L图像通过圆偏振旋性选择系统及铁电液晶几何相位器件后放大缩小效果。
基于一次性全息曝光的铁电液晶几何相位器件制备系统，通过空间光调制器直接加载用于调控光场的各种相位信息图案，可方便快捷地进行光场调控，并对铁电液晶进行连续取向，系统配置简单的同时可制备任意复杂铁电液晶光学器件。通过一次性曝光快速制备任意液晶光学器件，无需对液晶进行多次分割操作并对其多次曝光，因而避免了精度要求过高的问题。
通过本发明公开的制备系统制备的铁电液晶几何相位器件对入射光偏振态高度敏感，可快速调节出射光偏振态(如几何相位透镜中的会聚态和发散态)及光强。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种铁电液晶几何相位器件，其特征在于，包括两块相对设置的玻璃基板、位于所述玻璃基板相对面上的光控取向层、以及位于所述玻璃基板之间的铁电液晶层；
所述铁电液晶层由具有螺旋结构的铁电液晶分子组成，铁电液晶螺旋轴指向结构为几何相位器件结构，液晶分子层的间距为5μm；
所述光控取向层的分子取向由基于空间光调制器的铁电液晶光控取向系统决定，其方向与液晶分子或螺旋轴方向相同，与偏振光偏振方向垂直。
2.根据权利要求1所述的铁电液晶几何相位器件，其特征在于，所述玻璃基板为掺锡氧化铟的单面可导电玻璃。
3.根据权利要求1所述的铁电液晶几何相位器件，其特征在于，所述光控取向层为偶氮苯染料光控取向层。
4.一种权利要求1所述的铁电液晶几何相位器件的制备系统，其特征在于，由激光器光源、扩束系统、起偏系统、光场调控系统、聚焦系统组成；
所述激光器光源为450nm蓝光激光，所述扩束系统包括一扩束透镜和一准直透镜，所述起偏系统为一格兰-泰勒棱镜；所述光场调控系统由一半波片、一反射式空间光调制器和一四分之一波片组成，所述半波片和所述四分之一波片的光轴方向分别与起偏方向的夹角为22.5°和45°；所述聚焦系统为一会聚透镜。
5.基于权利要求4所述制备系统的铁电液晶几何相位器件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在两块玻璃基板上预涂光控取向层，然后进行组盒，铁电液晶分子层之间的间隙由5μm间隔件保持；
步骤2，铁电液晶几何相位器件制备系统的组装、调试；
步骤3，将组盒完成的玻璃基板放在像平面上，将所需器件相位图案通过计算机加载至所述空间光调制器中，对玻璃基板进行光照，获得所需器件相位图案后，向盒内部灌入适量变形螺旋铁电液晶。
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