CN114415427B - 一种液晶偏振光栅制备光路及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液晶偏振光栅制备光路及制备方法，制备光路依次包括激光器(1)、扩束镜(2)、准直透镜(3)、起偏器(4)、液晶偏振光栅模板(5)、两个焦距f的透镜(6)和需要制备的液晶偏振光栅器件(8)，以及位于两个透镜(6)之间的频域滤波板(7)。本发明在已有液晶偏振光栅模板的基础下，利用类似复制方法将其指向矢周期分布转换成光控取向光源的光束偏振态周期分布，照射需要制备的液晶偏振光栅，可制备一系列角度液晶偏振光栅，制备器件灵活可变。

Description

一种液晶偏振光栅制备光路及制备方法
技术领域
本发明属于非机械式光束偏转技术领域，特别涉及一种液晶偏振光栅制备光路及制备方法。
背景技术
在主光电系统中，光束偏转范围是一个光电系统性能评价重要因素之一，基于多片液晶偏振光栅和液晶光学相控阵级联组件实现大角度高效率光束偏转是其方法之一。非机械式光束偏转系统具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、无惯性影响等优势，在星际激光通信、天基目标探测等领域具有重要的应用前景。
液晶偏振光栅是一种能够是实现大角度光束偏转的元件。目前液晶偏振光栅的制备主流方法主要有偏振全息法、激光直写法、DMD微缩投影系统三种方法，其中偏振全息法相对简单，但制备口径和偏转角度有限；激光直写法和DMD微缩投影系统方法制备过程繁琐、耗时长、对制备工艺要求高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在已有液晶偏振光栅模板的基础下，利用类似复制方法将其指向矢周期分布转换成光控取向光源的光束偏振态周期分布，照射需要制备的液晶偏振光栅，可制备一系列角度液晶偏振光栅，制备器件灵活可变的液晶偏振光栅制备光路，并提供一种液晶偏振光栅的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种液晶偏振光栅制备光路，依次包括激光器、扩束镜、准直透镜、起偏器、液晶偏振光栅模板、两个焦距f的透镜和需要制备的液晶偏振光栅器件，以及位于两个透镜之间的频域滤波板。
进一步地，所述激光器出射的激光经过扩束镜扩束和准直透镜准直后，通过起偏器变成线偏振光；线偏振光的激光偏振态用归一化琼斯矢量表示为：
Figure BDA0003520389580000011
其中θ为激光偏振方向与水平面的夹角。
进一步地，液晶偏振光栅模板内的液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶的指向矢在一个周期内连续变化，满足关系式为：
Figure BDA0003520389580000012
式子中
Figure BDA0003520389580000013
Figure BDA0003520389580000014
表示在x位置处液晶分子的指向矢方向，Λ表示液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢方向周期。
进一步地，所述液晶偏振光栅模板位于第一个透镜的前焦面的位置，透过液晶偏振光栅模板后的激光偏振态
Figure BDA0003520389580000021
为：
Figure BDA0003520389580000022
式中
Figure BDA0003520389580000023
和
Figure BDA0003520389580000024
是坐标系旋转矩阵，
Figure BDA0003520389580000025
Figure BDA0003520389580000026
是液晶偏振光栅模板器件的琼斯矩阵，Γ为入射光的相位延迟。
进一步地，所述频域滤波板位于4f系统频域处，用于将光束通过模板器件后的零级或二级光束遮挡，正负一级光束通过。
进一步地，所述液晶偏振光栅模板为主动型液晶偏振光栅或被动式液晶偏振光栅；
主动型液晶偏振光栅从上到下依次包括第一玻璃基板、第一透明导电薄膜、第一已取向的光控取向层、液晶层、第二已取向的光控取向层、第二透明导电薄膜和第二玻璃基板；
被动式液晶偏振光栅从上到下依次包括液晶层、第三已取向的光控取向层和第三玻璃基板。
进一步地，所述需要制备的液晶偏振光栅器件从上到下依次包括第四玻璃基板、第三透明导电薄膜、第四光控取向层、空气层、第五光控取向层、第四透明导电薄膜和第五玻璃基板；
需要制备的液晶偏振光栅器件的光控取向周期长度是液晶偏振光栅模板的二分之一。
本发明的另一个目的是提供一种液晶偏振光栅制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制备主动型或被动型液晶偏振光栅作为液晶偏振光栅模板，主动型液晶偏振光栅加电调整为光控取向光源波长的半波条件的液晶偏振光栅；被动式液晶偏振光栅对光控取向光源波长的相位延迟量接近半波条件；
步骤二、制备需要制备的液晶偏振光栅器件：在镀有透明导电膜的玻璃基板上旋涂光控取向剂，固化使其成膜后，用隔垫物和边框胶将两片旋涂光控取向剂的玻璃基板压制成盒；制成后为未取向需要制备的液晶偏振光栅器件盒；
步骤三、搭建曝光光路：激光器发出的激光经过扩束镜和准直透镜后，经过起偏器，成为线偏振光，激光的偏振方向与液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢周期分布的方向一致；再通过液晶偏振光栅模板后，此时的激光偏振态成线偏振周期分布，是液晶偏振光栅模板偏振光栅周期的一半，液晶偏振光栅模板位于4f系统的第一个透镜的前焦面上；
步骤四、将需要制备的液晶偏振光栅器件放置于4f系统的第二个透镜的后焦面上，经过4f系统后激光照射到需要制备的液晶偏振光栅器件上；需要制备的液晶偏振光栅器件的光控取向层将照射的激光偏振态记录；需要制备的液晶偏振光栅器件压制成盒后取向，上下基板的取向态一致；完成需要制备器件的光控取向；
步骤五、对已取向的液晶偏振光栅液晶盒灌注液晶，液晶偏振光栅制备完成。
本发明的另一种液晶偏振光栅制备方法，包括以下步骤：
步骤一、制备主动型或被动型液晶偏振光栅作为液晶偏振光栅模板，主动型液晶偏振光栅加电调整为光控取向光源波长的半波条件的液晶偏振光栅；被动式液晶偏振光栅对光控取向光源波长的相位延迟量接近半波条件；
步骤二、搭建曝光光路：激光器发出的激光经过扩束镜和准直透镜后，经过起偏器，成为线偏振光，激光的偏振方向与液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢周期分布的方向一致；再通过液晶偏振光栅模板，此时的激光偏振态成线偏振周期分布，是液晶偏振光栅模板偏振光栅周期的一半，液晶偏振光栅模板位于4f系统的第一个透镜的前焦面上；
步骤三、在镀有透明导电膜的玻璃基板上旋涂光控取向剂，固化使其成膜后，将该玻璃基板放置4f光路第二个透镜的后焦面上，使光控取向激光经过液晶偏振光栅模板器件后通过4f系统成像到第二个透镜的后焦面，照射到需要制备的玻璃基板上，玻璃基板上的光控取向层记录激光的偏振态周期，完成需要制备器件的光控取向；
步骤四、按照步骤三的方法制备另一片玻璃基板，得到两片相同的玻璃基板；
步骤五、将完成光控取向的两片玻璃基板用隔垫物和边框胶压制成盒，灌注液晶后即为需要制备的液晶偏振光栅器件。
本发明的有益效果是：本发明能够突破现有液晶偏振光栅的最大偏转角度，在已有液晶偏振光栅模板的基础下，利用类似复制方法将其指向矢周期分布转换成光控取向光源的光束偏振态周期分布，照射需要制备的液晶偏振光栅，可制备一系列角度液晶偏振光栅，能够改善光路的复杂性以及降低受外界干扰程度，制备器件灵活可变。在已制备一个液晶偏振光栅模板的基础下，可制备角度θn＝2nθ0的液晶光栅器件，该液晶偏振光栅制备方法简单可靠、成本低、方便灵活，是一种理想的制备方案。
附图说明
图1为本发明的液晶偏振光栅制备光路的结构示意图；
图2为本发明液晶偏振光栅模板的结构图；
图3为本发明中需要制备的液晶偏振光栅器件结构图；
图4为本发明液晶指向矢方向说明图；
图5为本发明液晶偏振光栅模板的光栅图；
图6为本发明制备完成的液晶偏振光栅器件的光栅图；
附图标记说明：1-激光器，2-扩束镜，3-准直透镜，4-起偏器，5-液晶偏振光栅模板，6-透镜，7-频域滤波板，8-需要制备的液晶偏振光栅器件。
具体实施方式
本发明提出一种新的液晶偏振光栅制备方法，在已制备一个液晶偏振光栅模板的基础下，利用类似复制方法将其指向矢周期分布转换成光控取向光源的光束偏振态周期分布，照射需要制备的液晶偏振光栅，可制备一系列角度液晶偏振光栅，制备的角度θn＝2nθ0，θ0为初始液晶偏振光栅模板角度，n＝1,2…。该液晶偏振光栅制备方法简单可靠、成本低、方便灵活，是一种理想的制备方案。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种液晶偏振光栅制备光路，依次包括激光器1、扩束镜2、准直透镜3、起偏器4、液晶偏振光栅模板5、两个焦距f的透镜6和需要制备的液晶偏振光栅器件8，以及位于两个透镜6之间的频域滤波板7。
进一步地，所述激光器1出射的激光经过扩束镜2扩束和准直透镜3准直后，通过起偏器4变成线偏振光；线偏振光的激光偏振态用归一化琼斯矢量表示为：
Figure BDA0003520389580000041
其中θ为激光偏振方向与水平面的夹角。
液晶偏振光栅模板5内的液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶的指向矢在一个周期内连续变化，满足关系式为：
Figure BDA0003520389580000042
式子中
Figure BDA0003520389580000043
Figure BDA0003520389580000044
表示在x位置处液晶分子的指向矢方向，Λ表示液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢方向周期。
所述液晶偏振光栅模板5位于第一个透镜6的前焦面的位置，透过液晶偏振光栅模板5后的激光偏振态
Figure BDA0003520389580000045
为：
Figure BDA0003520389580000046
式中
Figure BDA0003520389580000047
和
Figure BDA0003520389580000048
是坐标系旋转矩阵，
Figure BDA0003520389580000049
Figure BDA00035203895800000410
是液晶偏振光栅模板器件的琼斯矩阵，Γ为入射光的相位延迟。
所述频域滤波板7位于4f系统频域处，用于将光束通过模板器件后的零级或二级光束遮挡，正负一级光束通过。零级光束产生的原因是：主动型液晶偏振光栅模板加电对取向光源波长的相位延迟量没有完美达到半波条件，被动型液晶偏振光栅模板相位延迟量不是取向光源波长的半波条件。二级光束产生的原因是：由于制备器件或其它原因导致的。
所述液晶偏振光栅模板5为主动型液晶偏振光栅或被动式液晶偏振光栅；如图2所示。主动式或被动式液晶偏振光栅器件结构为已知技术，本发明在此不作详细阐述。液晶偏振光栅模板5的制作可用现有液晶偏振光栅的制备方法制作，如偏振全息法、激光直写法、DMD微缩投影系统等方法，液晶偏振光栅模板也可以是其它器件，比如液晶透镜，Q-plate等，同样可以用此类似复制偏振态的方法制备，用于简化制备过程的复杂性和降低此类器件的制备难度。
如图2(a)所示，主动型液晶偏振光栅从上到下依次包括第一玻璃基板、第一透明导电薄膜、第一已取向的光控取向层、液晶层、第二已取向的光控取向层、第二透明导电薄膜和第二玻璃基板；第一玻璃基板和第二玻璃基板完全相同，图中表示为9；第一透明导电薄膜和第二透明导电薄膜结构相同，图中表示为10；第一已取向的光控取向层和第二已取向的光控取向层结构完全相同，图中表示为11；如图2(b)所示，被动式液晶偏振光栅从上到下依次包括液晶层13、第三已取向的光控取向层14和第三玻璃基板15。主动式器件可加电调整为相应波长的液晶偏振光栅；被动式器件的相位延迟量尽量与光控取向光源波长的半波条件π接近，比如选用0.8π或者0.9π或者1.1π的器件，如果选用π的模板器件，取向光源的利用率就最高；被动式器件的对取向光源波长的相位移相量不能是2π，4π，6π，…
已通过现有方法形成有周期分布的取向的液晶偏振光栅模板5，能够完成目标波长λt的偏转相应的目标角θt，取向方向分布周期为Λ，则
Figure BDA0003520389580000051
如图3所示，所述需要制备的液晶偏振光栅器件8从上到下依次包括第四玻璃基板、第三透明导电薄膜、第四光控取向层、空气层19、第五光控取向层、第四透明导电薄膜和第五玻璃基板；第四玻璃基板和第五玻璃基板结构相同，图中表示为16；第三透明导电薄膜和第四透明导电薄膜结构相同，图中表示为17；第四光控取向层和第五光控取向层结构相同，图中表示为18。
光控取向层：与特定波长偏振态敏感，能够记录激光的偏振态，进而使液晶沿光控取向层规则排列；空气层内有隔垫物(间隔子)支撑上下基板，需要制备的液晶偏振光栅器件8取向前空气层含有隔垫物和空气，完成取向后向空气层内灌注液晶，空气层包含隔垫物和液晶，转化为液晶层。
透过液晶偏振光栅模板5后的激光通过4f系统成像到位于第二个透镜后焦面上的需要制备的液晶偏振光栅器件8上，需要制备的液晶偏振光栅器件内的光控取向层记录照射激光的偏振态。需要制备的液晶偏振光栅8器件的光控取向周期长度是液晶偏振光栅模板5的二分之一，进而将液晶偏振光栅模板5的取向周期长度压缩的复制到需要制备的液晶偏振光栅8上。对已经光控取向完成的液晶偏振光栅盒灌注液晶取代空气层，液晶偏振光栅制备完成。
对于液晶偏振光栅的偏转光束功能，液晶偏振光栅模板5的偏转角
Figure BDA0003520389580000061
对于同一波长λ的激光入射需要制备的液晶偏振光栅器件8的偏转角
Figure BDA0003520389580000062
偏转角度θ1约为模板偏转角度θ0的两倍。
如图4所示，20为液晶偏振光栅模板5液晶分子指向矢的分布周期示意图，21为激光透过液晶偏振光栅模板5后照射到需要制备的液晶偏振光栅器件8光控取向层上的激光偏振态呈周期分布的示意图。
实施例1
一种液晶偏振光栅制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按已有方法制备相应周期的主动型或被动型液晶偏振光栅作为液晶偏振光栅模板，包括偏振全息法、激光直写法和DMD微缩投影系统等方法；主动型液晶偏振光栅加电调整为光控取向光源波长的半波条件的液晶偏振光栅；被动式液晶偏振光栅对光控取向光源波长的相位延迟量接近半波条件，越接近半波条件的相位延迟，光控取向光源的利用率越高；
步骤二、制备需要制备的液晶偏振光栅器件：在镀有透明导电膜的玻璃基板上旋涂光控取向剂，固化使其成膜后，用隔垫物(间隔子)和边框胶将两片旋涂光控取向剂的玻璃基板压制成盒；制成后为未取向需要制备的液晶偏振光栅器件盒；
步骤三、搭建曝光光路：激光器发出的激光经过扩束镜和准直透镜后，经过起偏器，成为线偏振光，激光的偏振方向与液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢周期分布的方向一致；再通过液晶偏振光栅模板后，此时的激光偏振态成线偏振周期分布，是液晶偏振光栅模板偏振光栅周期的一半，液晶偏振光栅模板位于4f系统的第一个透镜的前焦面上；
步骤四、将需要制备的液晶偏振光栅器件放置于4f系统的第二个透镜的后焦面上，经过4f系统后激光照射到需要制备的液晶偏振光栅器件上；需要制备的液晶偏振光栅器件的光控取向层将照射的激光偏振态记录；需要制备的液晶偏振光栅器件压制成盒后取向，上下基板的取向态一致；完成需要制备器件的光控取向；
步骤五、对已取向的液晶偏振光栅液晶盒灌注液晶，液晶偏振光栅制备完成。
实施例2
一种液晶偏振光栅制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按已有方法制备相应周期的主动型或被动型液晶偏振光栅作为液晶偏振光栅模板，包括偏振全息法、激光直写法和DMD微缩投影系统等方法；主动型液晶偏振光栅加电调整为光控取向光源波长的半波条件的液晶偏振光栅；被动式液晶偏振光栅对光控取向光源波长的相位延迟量接近半波条件，越接近半波条件的相位延迟，光控取向光源的利用率越高；
步骤二、搭建曝光光路：激光器发出的激光经过扩束镜和准直透镜后，经过起偏器，成为线偏振光，激光的偏振方向与液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢周期分布的方向一致；再通过液晶偏振光栅模板，此时的激光偏振态成线偏振周期分布，是液晶偏振光栅模板偏振光栅周期的一半，液晶偏振光栅模板位于4f系统的第一个透镜的前焦面上；
步骤三、在镀有透明导电膜的玻璃基板上旋涂光控取向剂，固化使其成膜后，将该玻璃基板放置4f光路第二个透镜的后焦面上，使光控取向激光经过液晶偏振光栅模板器件后通过4f系统成像到第二个透镜的后焦面，照射到需要制备的玻璃基板上，玻璃基板上的光控取向层记录激光的偏振态周期，完成需要制备器件的光控取向；
步骤四、按照步骤三的方法制备另一片玻璃基板，得到两片相同的玻璃基板；
步骤五、将完成光控取向的两片玻璃基板用隔垫物(间隔子)和边框胶压制成盒，灌注液晶后即为需要制备的液晶偏振光栅器件。
一个液晶偏振光栅模板的偏转角θ0，可用此方法制备一个偏转角为θ1＝2θ0的液晶偏振光栅，依次制备偏转角为θ2＝2θ1的偏振光栅，可制备θn＝2nθ0的偏转角度的液晶偏振光栅。
本实验利用此方法制备了液晶偏振光栅，模板器件选用被动型液晶偏振光栅，其平均测量周期长度为20.65um，相位延迟量对1064nm波长的光束是半波条件。光控取向光源选用375nm，制备器件的平均测量周期长度为10.29um。光控取向层选用SD1材料。图5为液晶偏振光栅模板，图6为制备的液晶偏振光栅器件。实验结果和理论结果一致。
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 (8)

1.一种液晶偏振光栅制备光路，其特征在于，依次包括激光器(1)、扩束镜(2)、准直透镜(3)、起偏器(4)、液晶偏振光栅模板(5)、两个焦距f的透镜(6)和需要制备的液晶偏振光栅器件(8)，以及位于两个透镜(6)之间的频域滤波板(7)；透过液晶偏振光栅模板(5)后的激光通过4f系统成像到位于第二个透镜后焦面上的需要制备的液晶偏振光栅器件(8)上，需要制备的液晶偏振光栅器件内的光控取向层记录照射激光的偏振态；需要制备的液晶偏振光栅器件（8）的光控取向周期长度是液晶偏振光栅模板(5)的二分之一，进而将液晶偏振光栅模板(5)的取向周期长度压缩的复制到需要制备的液晶偏振光栅器件(8)上；
液晶偏振光栅模板(5)内的液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶的指向矢在一个周期内连续变化；
液晶偏振光栅模板(5)位于第一个透镜(6)的前焦面的位置；
所述频域滤波板(7)位于4f系统频域处，用于将光束通过模板器件后的零级或二级光束遮挡，正负一级光束通过。
2.根据权利要求1所述的一种液晶偏振光栅制备光路，其特征在于，所述激光器(1)出射的激光经过扩束镜(2)扩束和准直透镜(3)准直后，通过起偏器(4)变成线偏振光；线偏振光的激光偏振态用归一化琼斯矢量表示为：其中θ为激光偏振方向与水平面的夹角。
3.根据权利要求2所述的一种液晶偏振光栅制备光路，其特征在于，液晶偏振光栅模板(5)内的液晶分子满足关系式为：
式子中 表示在x位置处液晶分子的指向矢方向，Λ表示液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢方向周期。
4.根据权利要求3所述的一种液晶偏振光栅制备光路，其特征在于，透过液晶偏振光栅模板(5)后的激光偏振态为：
式中和是坐标系旋转矩阵， 是液晶偏振光栅模板器件的琼斯矩阵，Γ为入射光的相位延迟。
5.根据权利要求1所述的一种液晶偏振光栅制备光路，其特征在于，所述液晶偏振光栅模板(5)为主动型液晶偏振光栅或被动式液晶偏振光栅；
主动型液晶偏振光栅从上到下依次包括第一玻璃基板、第一透明导电薄膜、第一已取向的光控取向层、液晶层、第二已取向的光控取向层、第二透明导电薄膜和第二玻璃基板；
被动式液晶偏振光栅从上到下依次包括液晶层、第三已取向的光控取向层和第三玻璃基板。
6.根据权利要求1所述的一种液晶偏振光栅制备光路，其特征在于，所述需要制备的液晶偏振光栅器件(8)从上到下依次包括第四玻璃基板、第三透明导电薄膜、第四光控取向层、空气层、第五光控取向层、第四透明导电薄膜和第五玻璃基板。
7.如权利要求1～6任意一项所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备主动型或被动型液晶偏振光栅作为液晶偏振光栅模板；
步骤二、制备需要制备的液晶偏振光栅器件：在镀有透明导电膜的玻璃基板上旋涂光控取向剂，固化使其成膜后，用隔垫物和边框胶将两片旋涂光控取向剂的玻璃基板压制成盒；制成后为未取向需要制备的液晶偏振光栅器件盒；
步骤三、搭建曝光光路：激光器发出的激光经过扩束镜和准直透镜后，经过起偏器，成为线偏振光，激光的偏振方向与液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢周期分布的方向一致；再通过液晶偏振光栅模板后，此时的激光偏振态成线偏振周期分布，是液晶偏振光栅模板偏振光栅周期的一半，液晶偏振光栅模板位于4f系统的第一个透镜的前焦面上；
步骤四、将需要制备的液晶偏振光栅器件放置于4f系统的第二个透镜的后焦面上，经过4f系统后激光照射到需要制备的液晶偏振光栅器件上；需要制备的液晶偏振光栅器件的光控取向层将照射的激光偏振态记录；需要制备的液晶偏振光栅器件压制成盒后取向，上下基板的取向态一致；完成需要制备器件的光控取向；
步骤五、对已取向的液晶偏振光栅液晶盒灌注液晶，液晶偏振光栅制备完成。
8.如权利要求1～6任意一项所述的一种液晶偏振光栅制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备主动型或被动型液晶偏振光栅作为液晶偏振光栅模板；
步骤二、搭建曝光光路：激光器发出的激光经过扩束镜和准直透镜后，经过起偏器，成为线偏振光，激光的偏振方向与液晶偏振光栅模板液晶分子指向矢周期分布的方向一致；再通过液晶偏振光栅模板，此时的激光偏振态成线偏振周期分布，是液晶偏振光栅模板偏振光栅周期的一半，液晶偏振光栅模板位于4f系统的第一个透镜的前焦面上；
步骤三、在镀有透明导电膜的玻璃基板上旋涂光控取向剂，固化使其成膜后，将该玻璃基板放置4f光路第二个透镜的后焦面上，使光控取向激光经过液晶偏振光栅模板器件后通过4f系统成像到第二个透镜的后焦面，照射到需要制备的玻璃基板上，玻璃基板上的光控取向层记录激光的偏振态周期，完成需要制备器件的光控取向；
步骤四、按照步骤三的方法制备另一片玻璃基板，得到两片相同的玻璃基板；
步骤五、将完成光控取向的两片玻璃基板用隔垫物和边框胶压制成盒，灌注液晶后即为需要制备的液晶偏振光栅器件。
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