CN114063362A - 一种二维液晶激光偏转器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维液晶激光偏转器，包括依次叠加的多层器件，每层器件依次包括上基板、液晶分子层和下基板；所述上基板从上到下依次包括上基板玻璃、上ITO导电层和上取向层，下基板从上到下依次包括下取向层、下ITO导电层和下基板玻璃；所述液晶分子层位于上基板与下基板之间，液晶分子层内部喷洒间隔子进行支撑；上基板与下基板边缘通过框胶进行密封分装，并对位贴合固化。本发明可以通过改变子区域在x,y方向上的宽度d_x、d_y，改变液晶分子层的厚度以及加载电压的大小来调节出射光在x,y方向的偏转角度θ_x、θ_y以实现光束的二维空间扫描，具有偏转精度高、响应速度快、驱动控制简单、结构简单的优点。

Description

一种二维液晶激光偏转器

技术领域

本发明属于液晶光电子器件技术、液晶光学相控阵空间扫描技术领域，具体公开了一种二维液晶激光偏转器。

背景技术

随着激光技术中的激光雷达、空间光通信等研究领域的迅速发展，而激光控制技术是这些领域的核心技术，对光束扫描装置的体积、重量、功耗、响应速度、偏转精度等都有这极为苛刻的要求。现有的激光控制技术可以分为两类：一类是使用机械转动的光学部件的机械式方案，另一类是使用电光或声光调制器件的非机械式方案。目前，液晶光学相控阵是非机械式光束控制技术的主流方案，其核心原理和微波相控阵基本类似，与传统的机械扫描技术相比具有体积小、重量轻、高精度、随机角度偏转、可编程多光束控制、响应快的特点，这些优势使得液晶光学相控阵在相关应用中发挥了独特的技术优势。由于液晶材料本身的限制，导致衍射效率、扫描范围、偏转精度、响应速度等性能不够理想，尤其是应用在二维扫描的情况下，需要进一步的提高扫描性能。由于液晶相控阵用于光束扫描时，响应速度、偏转效率和偏转精度是该项技术的三大关键性能指标，为了满足军用民用等各方面的需求，提高这三大指标一直是研究液晶相控阵技术的重点和难点。

目前，已有的二维光学相控阵的控制十分复杂且存在偏转精度、响应速度较低等缺点。比如：统的M×N个阵元的二维光学相控阵就需要M×N个独立的控制单元；传统周期性闪耀光栅模型进行二维光束偏转仅可实现有限的偏转角度；目前以发明的一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，但旋转角度会影响二维偏转精度等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以通过改变子区域在x,y方向上的宽度、改变液晶层的厚度以及加载电压的大小来调节出射光在x,y方向的偏转角度θ_x、θ_y以实现光束的二维空间扫描，偏转精度高、响应速度快、结构简单的的二维液晶激光偏转器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种二维液晶激光偏转器，包括依次叠加的多层器件，每层器件依次包括上基板、液晶分子层和下基板；

所述上基板从上到下依次包括上基板玻璃、上ITO导电层和上取向层，下基板从上到下依次包括下取向层、下ITO导电层和下基板玻璃；

所述液晶分子层位于上基板与下基板之间，液晶分子层内部喷洒间隔子进行支撑；

上基板与下基板边缘通过框胶进行密封分装，并对位贴合固化。

进一步地，每层器件结构之间通过紫外胶进行逐层对位贴合。

进一步地，二维液晶激光偏转器由三层器件组成，每层器件均为矩形结构，每层器件分为四个矩形子区域ψ₁、ψ₂、ψ₃、ψ₄，其中，第一层和第三层四个子区域大小不同，第二层四个子区域大小相同；

以二维液晶激光偏转器底面的一个顶点为原点，该顶点的三条边分别为x、y、z轴，建立坐标系，z方向包括3个器件结构层；记第二层器件四个子区域的长度和宽度分别为2d_x和2d_y；将第二层器件的四个区域的交点向x反方向平移d_x、y正方向平移d_y得到第一层器件四个子区域的交点；将第二层器件的四个子区域的交点向在x正方向平移d_x、y反方向平移d_y得到第三层器件四个子区域的交点；

四个子区域之间的相位关系满足如下关系式：

进一步地，每层器件的四个子区域加载不同的电压，三个ψ₁子区域、ψ₂子区域、ψ₃子区域和ψ₄子区域均加载相同的电压。

本发明的有益效果是：本发明可以通过改变子区域在x,y方向上的宽度d_x、d_y，改变液晶分子层的厚度以及加载电压的大小来调节出射光在x,y方向的偏转角度θ_x、θ_y以实现光束的二维空间扫描，具有偏转精度高、响应速度快、驱动控制简单、结构简单的优点。

附图说明

图1为本发明单层器件结构示意图；

图2为本发明整体结构模型图；

图3为本发明整体结构的俯视图；

图4为本发明液晶分子折射率椭球模型图。

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，本发明的一种二维液晶激光偏转器，包括依次叠加的多层器件，每层器件依次包括上基板、液晶分子层和下基板；

所述上基板从上到下依次包括上基板玻璃、上ITO导电层和上取向层，下基板从上到下依次包括下取向层、下ITO导电层和下基板玻璃；

所述液晶分子层位于上基板与下基板之间，液晶分子层内部喷洒间隔子进行支撑，间隔子的直径决定了液晶分子层的厚度；

上基板与下基板边缘通过框胶进行密封分装，并对位贴合固化。

每层器件结构之间通过紫外胶进行逐层对位贴合。

本发明的工作原理为：二维液晶激光偏转器由三层器件组成，每层器件均为矩形结构，每层器件分为四个矩形子区域ψ₁、ψ₂、ψ₃、ψ₄，其中，第一层和第三层四个子区域大小不同，第二层四个子区域大小相同；

以二维液晶激光偏转器底面的一个顶点为原点，该顶点的三条边分别为x、y、z轴，建立如图2所示的坐标系，z方向包括3个器件结构层；设期望光束发生在x、y方向上偏转，入射光沿着z方向入射。所述二维液晶激光偏转器由三层器件组成，如图2所示，每个器件结构层内液晶分子层的厚度为Lμm。记第二层器件四个子区域的长度和宽度分别为2d_x和2d_y；将第二层器件的四个区域的交点向x反方向平移d_x、y正方向平移d_y得到第一层器件四个子区域的交点；将第二层器件的四个子区域的交点向在x正方向平移d_x、y反方向平移d_y得到第三层器件四个子区域的交点，如图3所示。本实施例中，第一层器件四个子区域的交点坐标为(d_x,3d_y)，第二层器件四个子区域的交点坐标为(2d_x,2d_y)，第三层器件四个子区域的交点坐标为(3d_x,d_y)，三层器件叠加后形成如图3所示的16个大小相同的子区域，每个子区域x方向宽度为d_x，y方向宽度为d_y。

当对二维液晶激光偏振器施加电压时，由于液晶介电常数和折射率的各向异性，外加电场使得液晶分子的指向矢发生偏转，改变了液晶对非寻常光(e光)的折射率，从而改变了液晶的双折射率，入射光束通过液晶后的光程差因此发生变化。采用精密电路调节加载在液晶分子上的电压值，产生一个固定的相位差，激光通过二维液晶激光偏转器后在x、y方向上发生微小角度偏转从而实现二维空间扫描。

根据液晶弹性体理论，液晶分子偏转角度与驱动电压满足非线性光系，根据液晶的电控双折射效应，液晶是单轴晶体，其光轴在液晶分子长轴方向，液晶的折射率椭球是一个分子长轴为旋转轴的椭球，如图4所示，

代表了液晶分子指向矢的方向，θ代表了指向矢的倾角，

代表了指向矢的扭曲角。规定光轴为z轴，当液晶分子的指向矢沿z轴方向时，n_x＝n_o,n_z＝n_e(其中n_o代表o光的折射率)。当液晶分子指向矢垂直于z轴方向时(例如沿y轴)，此时n_x＝n_o,n_z＝n_e(n_e代表e光折射率)。当指向矢不是上述两种情况时，指向矢与折射率椭球交点的坐标为：

代入折射率椭球

得：

式中n_⊥＝n_x＝n_y，n_//＝n_z。

光经过第一层器件四个子区域之后的相位调制量分别为：

式中

λ为入射光的波长，n_e1、n_e2、n_e3、n_e4分别为第一个、第二个、第三个、第四个子区域的液晶的非寻常光(e光)的折射率分布，L为液晶盒盒厚(单位：μm)。

并且四个子区域之间的相位关系满足如下关系式：

第二层与第三层器件四个子区域加载的相位与第一层相同，每层四个子区域相位都满足上面的关系式。最后三层器件叠加形成图3所示的16个相位分布。

通过二维液晶激光偏转器后，x方向相邻两个子区域对应的相位延迟量变化差值为：

因为每层加载相同的相位，此处的

不分层且

同理，y方向相邻两个子区域对应的相位延迟量变化差值为：

对应的出射光在x方向和y方向的偏转角度θ_x、θ_y的变化公式为：

因此可以通过改变子区域在x,y方向上的宽度d_x、d_y，改变液晶分子层的厚度以及加载电压的大小来调节出射光在x,y方向的偏转角度θ_x、θ_y以实现光束的二维空间扫描。

每层器件的四个子区域加载不同的电压，三个ψ₁子区域、ψ₂子区域、ψ₃子区域和ψ₄子区域均加载相同的电压。本发明的二维液晶激光偏转器制备过程为：

(1)制备偏转器电极结构。采用标准的半导体光刻工艺方法，在ITO(氧化铟锡)基板玻璃上按照图3所示的结构图，制备对应的电极图形，电极缝隙为b。

(2)制备单层器件。采用向列相型液晶器件的标准工艺方法和参数工艺参数，包括：旋涂PI(聚酰亚胺)并固化、取向、贴合、灌晶。

(3)贴合液晶偏转器件。利用紫外胶将制备的三个器件进行逐层对位贴合。

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 (4)

1.一种二维液晶激光偏转器，其特征在于，包括依次叠加的多层器件，每层器件依次包括上基板、液晶分子层和下基板；

所述上基板从上到下依次包括上基板玻璃、上ITO导电层和上取向层，下基板从上到下依次包括下取向层、下ITO导电层和下基板玻璃；

所述液晶分子层位于上基板与下基板之间，液晶分子层内部喷洒间隔子进行支撑；

上基板与下基板边缘通过框胶进行密封分装，并对位贴合固化。

2.根据权利要求1所述的一种二维液晶激光偏转器，其特征在于，每层器件结构之间通过紫外胶进行逐层对位贴合。

3.根据权利要求1所述的一种二维液晶激光偏转器，其特征在于，二维液晶激光偏转器由三层器件组成，每层器件均为矩形结构，每层器件分为四个矩形子区域ψ₁、ψ₂、ψ₃、ψ₄，其中，第一层和第三层四个子区域大小不同，第二层四个子区域大小相同；

以二维液晶激光偏转器底面的一个顶点为原点，该顶点的三条边分别为x、y、z轴，建立坐标系，z方向包括3个器件结构层；记第二层器件四个子区域的长度和宽度分别为2d_x和2d_y；将第二层器件的四个区域的交点向x反方向平移d_x、y正方向平移d_y得到第一层器件四个子区域的交点；将第二层器件的四个子区域的交点向在x正方向平移d_x、y反方向平移d_y得到第三层器件四个子区域的交点；

四个子区域之间的相位关系满足如下关系式：

4.根据权利要求3所述的一种二维液晶激光偏转器，其特征在于，每层器件的四个子区域加载不同的电压，三个ψ₁子区域、ψ₂子区域、ψ₃子区域和ψ₄子区域均加载相同的电压。

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