CN116165825A - 一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器 - Google Patents

一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器 Download PDF

Info

Publication number
CN116165825A
CN116165825A CN202211725135.5A CN202211725135A CN116165825A CN 116165825 A CN116165825 A CN 116165825A CN 202211725135 A CN202211725135 A CN 202211725135A CN 116165825 A CN116165825 A CN 116165825A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
conductive film
substrate
liquid crystal
groove
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211725135.5A
Other languages
English (en)
Inventor
穆全全
毕泽坤
刁志辉
刘永刚
彭增辉
杨程亮
李大禹
王启东
张杏云
鲁兴海
范维方
蔚云慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN202211725135.5A priority Critical patent/CN116165825A/zh
Publication of CN116165825A publication Critical patent/CN116165825A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/13306—Circuit arrangements or driving methods for the control of single liquid crystal cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/133302—Rigid substrates, e.g. inorganic substrates
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/133796—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers having conducting property

Abstract

一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器，属于光束扫描器技术领域。解决了现有光束扫描器驱动电压过高、能量利用率低以及扫描角度小的问题。本发明的光束扫描器，包括第一基板、第一导电薄膜、第一取向层、液晶层、第二取向层、芯层、衬底层、第二导电薄膜、第二基板、第一电压源和第二电压源，第一基板、第一导电薄膜、第一取向层和第二导电薄膜匀厚，第二基板为斜面厚度规则递减或不规则递减的倒梯形体，第二取向层、芯层、衬底层为斜面厚度规则递减或不规则递减的梯形体，液晶层填充在第一取向层和第二取向层之间，第一导电薄膜与第一电压源和第二电压源连接的位置彼此隔离。该光束扫描器驱动电压过低、能量利用率高、扫描角度可调。

Description

一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器
技术领域
本发明属于光束扫描器技术领域，具体涉及一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器。
背景技术
在主动光电系统中，光束偏转的范围、精度、速度以及稳定性等因素往往决定了整个光电系统的性能。光束偏转器是一种用于精密控制光束指向的光学元件，在光通讯、激光扫描雷达等领域有着重要应用。现有实现光束偏转的技术方案主要有机械式和非机械式两种。机械式光束偏转技术利用安装在光路中的反射镜的旋转或折射棱镜的移动来改变光束的方向，是最成熟、最简单的方式，但存在着机械磨损、结构复杂、精密装调困难等问题。非机械式光束偏转技术主要有基于光学相控阵，这种技术虽然没有机械运动，但是存在着扫描范围有限和扫描速度较低的缺点。
近年国际上提出了一种基于液晶包层波导的光束扫描器件，能够同时满足可片上集成、全固态、制备工艺成熟、大角度、连续偏转的光束偏转特点。除此之外，诸多研究结果表明，该器件通过改变基底与芯层材料等手段，可使其应用领域覆盖可见到中红外波段，具有十分良好的应用适应能力。然而，现有技术中，由于采用导电硅基底，该基底既作为耦合输入棱镜，又由于其本身电阻参与分压，为了有足够的电压去驱动液晶，必须要选择电阻较低的硅基底。但电阻较低的硅基底会对光产生较大的吸收，导致了高能量利用率和低驱动电压之间的矛盾。另外，由于采用摩擦取向，引入了毛刺以及磨削，导致薄膜表面不平整产生额外的散射损耗，进一步限制了其能量利用率。现有技术中，器件能量利用率低(最高约50％)以及驱动电压普遍过高(百伏以上)的问题，在实际应用的某些场景中会造成应用难题。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有基于液晶平板波导光束扫描器驱动电压过高、能量利用率低以及扫描角度小的问题，本发明提出了一种基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
本发明的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，包括：
顺次设置的第一基板、第一导电薄膜、第一取向层、液晶层、第二取向层、芯层、衬底层、第二导电薄膜和第二基板，所述第一基板、第一导电薄膜、第一取向层和第二导电薄膜匀厚且上表面和下表面均为平面，第二基板为斜面厚度规则递减或不规则递减的倒梯形体，衬底层为斜面厚度规则递减或不规则递减的梯形体，芯层匀厚且下表面形状与衬底层上表面形状配合，第二取向层匀厚且下表面形状与芯层上表面形状配合，液晶层的上表面和第一取向层下表面配合，液晶层的下表面与第二取向层的上表面配合；
以及第一电压源和第二电压源，第一电压源一端连接第一导电薄膜，另一端连接第二导电薄膜，第二电压源一端连接第一导电薄膜，另一端连接第二导电薄膜，且第一导电薄膜与第一电压源和第二电压源连接的位置彼此隔离。
进一步的，所述第二基板为斜面为平面或弧面的倒梯形体，衬底层为斜面为平面或弧面的梯形体。
进一步的，所述第一基板、第一导电薄膜、第一取向层、液晶层、第二取向层、芯层、衬底层、第二导电薄膜和第二基板的左右两侧对称，且两端对齐。
进一步的，所述第一基板和第二基板均为玻璃基板。
进一步的，所述第一导电薄膜和第二导电薄膜均为ITO导电薄膜。
进一步的，所述衬底层的材料为二氧化硅。
进一步的，所述芯层的材料为氮氧化硅。
进一步的，所述第一取向层和第二取向层的材料均为光控取向剂。
进一步的，所述液晶层的材料为正性液晶材料或负性液晶材料。
进一步的，所述第一导电薄膜与第一取向层接触的表面上设有第一沟槽、第二沟槽、第三沟槽、第四沟槽和第五沟槽，第二沟槽和第五沟槽平行，且槽深等于第一导电薄膜的厚度，长度等于第一导电薄膜的宽度，第一沟槽自第一导电薄膜的左边缘起至第二沟槽止，第三沟槽和第四沟槽位于第二沟槽和第五沟槽之间，第三沟槽自第一导电薄膜的上边缘起至第二沟槽止，第四沟槽自第一导电薄膜的下边缘起至第二沟槽止，且第一沟槽、第三沟槽和第四沟槽均为锯齿形，槽深均等于第一导电薄膜的厚度；第一沟槽和第二沟槽划分出第一薄膜区和第二薄膜区，第二沟槽和第三沟槽划分出第三薄膜区，第二沟槽和第四沟槽划分出第四薄膜区，第三沟槽、第四沟槽和第五沟槽划分出第五薄膜，第五沟槽划分出第六薄膜区。
进一步的，所述第一电压源一端连接第二导电薄膜，另一端连接第一导电薄膜的第一薄膜区和第五薄膜区，或者，另一端连接第一导电薄膜的第二薄膜区和第五薄膜区，第二电压源一端连接第二导电薄膜，另一端连接第一导电薄膜的第六薄膜区。
本发明还提供上述基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器的制备方法，步骤如下：
步骤一、取带有第一导电薄膜的第一基板和第二基板；
步骤二、对第一导电薄膜进行刻蚀或激光打标，加工图案，在第二基板上制备第二导电薄膜；
步骤三、在第二导电薄膜表面制备衬底层，再在衬底层上制备芯层；
步骤四、在第一导电薄膜和芯层上均涂覆光控取向剂，固化，得到第一取向层和第二取向层；
步骤五、将带有第一取向层的第一基板和带有第二取向层的第二基板组装成空液晶盒，并留有注入液晶的注入口，在清亮点以上向空液晶盒注入液晶材料，得到液晶层，液晶分子的初始指向矢方向均一排布，且垂直于第一取向层和第二取向层，冷却至室温，得到基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器。
进一步的，在第一取向层表面和第二取向层表面上喷洒隔垫子来保证空液晶盒厚度。
进一步的，所述衬底层采用以下方法制备：
先在第二导电薄膜的上表面相对的两个边缘上分别垂直固定第一掩模版工装和第二掩模版工装，第一掩模版工装和第二掩模版工装均为截面为L型的板材，第一掩模版工装和第二掩模版工装的一个端面固定在第二导电薄膜上，另一个端面指向衬底层的中心轴；
然后将固定有第一掩模版工装和第二掩模版工装的第二基底固定于样品放置区，镀膜伞绕其中轴线发生旋转，靶材沉积在第二导电薄膜的表面，得到衬底层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，通过在不导电玻璃基底上增镀导电薄膜的方式来避免传统导电基底的巨大分压，解决了原有器件的高驱动电压问题，同时，由于玻璃基底几乎无吸收，提高了器件的能量利用率。此外，采用光控取向方法具有无沾染、无划伤、无静电荷等技术优点避免由于摩擦取向带来的静电、毛削及沟槽引入额外的散射损耗，进一步提高了器件的能量利用率。
本发明的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，通过非匀厚设置的衬底层、芯层、第二基底、第二取向层和液晶层，以及分区设置的第一导电薄膜，实现了输出角度可以随电压连续可调。
本发明的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器的制备方法，适用机器多，一次可加工的样品数量多。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器的结构示意图；
图2为本发明的基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器的第一导电薄膜的结构示意图；
图3为本发明的基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器在第二电压源施加电压状态下的光束偏转分析图；
图4为本发明的基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器的第一掩模版工装和第二掩模版工装固定在第二导电薄膜上的结构示意图；
图5为本发明的基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器用镀膜伞俯视示意图；
图6为本发明的基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器的衬底层的制备方法的示意图；
图中：1、第一基板，2、第一导电薄膜，3、第一取向层，4、液晶层，5、第二取向层，6、芯层，7、衬底层，8、第二导电薄膜，9、第二基板，10、第一电压源，11、第二电压源，12、第一薄膜区，13、第二薄膜区，14、第一沟槽，15、第二沟槽，16、第三薄膜区，17、第四薄膜区，18、第三沟槽，19、第四沟槽，20、第五薄膜区，21、第五沟槽，22、第六薄膜区，23、激光束，241、第一掩模版工装，242、第二掩模版工装，25、镀膜伞，26、样品放置区，27、晶控区，28、靶材，29、第一蒸发轨迹，30、第二蒸发轨迹，31、第三蒸发轨迹，32、第四蒸发轨迹。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1所示，本发明的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，包括顺次设置的第一基板1、第一导电薄膜2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、芯层6、衬底层7、第二导电薄膜8和第二基板9，第一基板1、第一导电薄膜2、第一取向层3和第二导电薄膜8匀厚且上表面和下表面均为平面，第二基板9为斜面厚度规则递减或不规则递减的倒梯形体，衬底层7为斜面厚度规则递减或不规则递减的梯形体，芯层6匀厚且下表面形状与衬底层7上表面形状配合，第二取向层5匀厚且下表面形状与芯层6上表面形状配合，液晶层4的上表面和第一取向层3下表面配合，液晶层4的下表面与第二取向层5的上表面配合；还包括连接第一导电薄膜2和第二导电薄膜8的第一电压源10，以及连接第一导电薄膜2和第二导电薄膜8的第二电压源11，且第一导电薄膜2与第一电压源10和第二电压源11连接的位置彼此隔离。
上述技术方案中，顺次通常为从上至下，但需要说明的是，对于本领域技术人员而言的其他顺次也可以。
上述技术方案中，第一基板1、第一导电薄膜2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、芯层6、衬底层7、第二导电薄膜8和第二基板9左右两侧对称且两端对齐。
上述技术方案中，第一基板1和第二基板9优选为玻璃基板，第二基板9一方面和第一基板1相互配合，使得液晶包层波导结构能够被稳定的固定，另一方面作为耦合棱镜，用于实现自由空间光束向波导中的耦合，第二基板9优选为斜面为平面或弧面的倒梯形体，更优选第二基板9为倒梯形体，以使得光束以水平方向入射。第一基板1匀厚。
上述技术方案中，第一导电薄膜2和第二导电薄膜8优选为ITO导电薄膜。
如图2所示，第一导电薄膜2与第一取向层3接触的表面上设有第一沟槽14、第二沟槽15、第三沟槽18、第四沟槽19和第五沟槽21，第二沟槽15和第五沟槽21平行，且槽深等于第一导电薄膜2的厚度，长度等于第一导电薄膜2的宽度，即第二沟槽15和第五沟槽21在竖直和垂直于纸面的方向上贯穿第一导电薄膜2，第一沟槽14自第一导电薄膜2的左边缘起至第二沟槽15止，第三沟槽18和第四沟槽19位于第二沟槽15和第五沟槽21之间，第三沟槽18自第一导电薄膜2的上边缘起至第二沟槽15止，第四沟槽19自第一导电薄膜2的下边缘起至第二沟槽15止，且第一沟槽14、第三沟槽18和第四沟槽19均为锯齿形，槽深均等于第一导电薄膜2的厚度。第一沟槽14和第二沟槽15划分出第一薄膜区12和第二薄膜区13，第二沟槽15和第三沟槽18划分出第三薄膜区16，第二沟槽15和第四沟槽19划分出第四薄膜区17，第三沟槽18、第四沟槽19和第五沟槽21划分出第五薄膜20，第五沟槽21划分出第六薄膜区22。该第一导电薄膜2以三个偏转界面作为一个偏转单元，并让后续的级联偏转单元随光线偏转角度来设置，这样一来，在偏转角度一定的情况下，器件尺寸更小。第一导电薄膜2和第二导电薄膜8均匀厚。
上述技术方案中，衬底层7优选为斜面为平面或弧面的梯形体，更优选衬底层7为梯形体，衬底层7固定在第二导电薄膜8的上表面。衬底层7的材料优选为二氧化硅。
上述技术方案中，芯层6匀厚，且形状与衬底层7上表面的形状配合，芯层6的下表面固定在衬底层7的上表面。上述技术方案中，芯层6的材料优选为氮氧化硅。
上述技术方案中，第一取向层3和第二取向层5的材料均优选为光控取向剂。第二取向层5匀厚，形状与芯层6形状配合，第二取向层5的下表面固定在芯层6的上表面上。第一取向层3的上表面固定在第一导电薄膜2的下表面。第一取向层3和第二取向层5的主要作用为控制液晶层4的液晶分子的取向状态。本发明采用光控取向的方式避免了传统摩擦取向方式带来的毛刺以及磨削导致的由表面不平整引入额外的散射损耗，提高了器件的光束能量利用率。
上述技术方案中，液晶层4填充在第一取向层3和第二取向层5组成的液晶盒内，液晶层4的上表面为平面，和第一取向层3配合，下表面与第二取向层5的上表面配合，即两侧为斜面。液晶层4的材料可以为正性液晶材料也可以为负性液晶材料。对于光束扫描器，主要有两种初始取向方向，第一种为液晶分子沿着图2中第一导电薄膜2的宽度方向，第二种为液晶分子初始沿着图2中第一导电薄膜2的长度方向。两种取向方式的区别在于：第一种取向方式可以对横电和横磁两种偏振态的光束进行偏折，第二种取向方式仅能对横磁偏振态的光束进行偏折。
上述技术方案中，芯层6的折射率要大于液晶层4和衬底层7的折射率，以满足存在稳定传输的导模，第二基板9的折射率要大于波导中导模的有效折射率。激光束23被束缚在芯层6并以全反射的形式进行传输。
上述技术方案中，第一电压源10一端连接第二导电薄膜8，另一端连接第一导电薄膜2的第一薄膜区12和第五薄膜区20，或者，另一端连接第一导电薄膜2的第二薄膜区13和第五薄膜区20，第二电压源11一端连接第二导电薄膜8，另一端连接第一导电薄膜2的第六薄膜区22。当第一电压源10连接第二导电薄膜8和第一导电薄膜2的第一薄膜区12和第五薄膜区20并施加电压时，该区域下的液晶层4处于电场中，从而该区域下的液晶分子在电场作用下重新排列，改变了波导传输光束感受到液晶层4的折射率，进而改变了芯层6中传输导模的有效折射率。而在第一导电薄膜2的第二薄膜区13、第三薄膜区16、第四薄膜区域17下的液晶层4的液晶分子排布状态不发生变化，因此，根据斯涅耳折射定律，激光束23在经过上述界面时会产生折射。同理，当第一电压源10连接第二导电薄膜8和第一导电薄膜2的第二薄膜区13和第五薄膜区20并施加电压时，该区域下的液晶层4处于电场中，从而该区域下的液晶分子在电场作用下重新排列，改变了液晶层4的折射率，进而改变了芯层6中传输导模的有效折射率。而在第一导电薄膜2的第一薄膜区12、第三薄膜区16、第四薄膜区域17下液晶层4的液晶分子排布状态不发生变化，因此，根据斯涅耳折射定律，激光束23在经过上述界面时会产生与第一导电薄膜2的第二薄膜区13和第五薄膜区20加电的情况完全相反的偏转方向。第一沟槽14、第三沟槽18及第四沟槽19因为呈锯齿状，有助于激光束23在每一个斜边处发生偏折，从而极大增加了该液晶光波导的扫描角度。当第一电压源10输出周期性电压时，发生偏转的激光光束在水平方向上来回扫描，如此实现了光束在水平方向的扫描。
本发明中，水平入射的激光束23经过第二基板9左侧被耦合进入波导芯层6并以全反射的方式稳定传输。在棱镜耦合中，当衬底层7过厚时，自由空间的光束无法通过棱镜耦合进入波导，当衬底层7过薄时，虽然自由空间的激光束23比较容易耦合进入波导，但同时存在波导内部光束向第二基板9反向耦合输出的现象，因此衬底层7与常规匀厚薄膜不同，其在左侧厚度由0逐渐增加到一定厚度值并保持一段距离，之后从该厚度值逐渐减少到0。左侧逐渐增加的厚度是为了在厚度较薄处耦合进入较多的激光束23能量，同时为了防止激光束23反向耦合输出到第二基板9中，包层厚度逐渐变厚直至波导中激光束23向第二基板9耦合输出的光束可以忽略。同理，在右侧衬底层7厚度逐渐变薄，可以实现激光束23由波导内部向第二基板9的耦合输出，实现束缚激光束23向自由空间激光束23的转变。
如图3所示，随着包层厚度的减少，芯层6传输的激光束23逐渐泄露到第二基板9中实现从波导束缚模式到自由空间光束的耦合输出。激光束23在第二基板9内部沿特定的角度进行传输，当激光束23传输到第二基板9上的斜面时，根据斯涅耳折射定律可知光束进一步发生偏转，如此，即可实现激光束23的耦合输出。当第二电压源11连接第二导电薄膜8和第一导电薄膜2的第六薄膜区22并施加电压时，该区域下的液晶层4处于电场中，从而该区域下的液晶分子在电场作用下重新排列，改变了液晶层4的折射率，进而改变了芯层6中传输导模的有效折射率，根据棱镜耦合原理可知，激光束23的输出角度满足如下关系：
θ＝Arcsin(Neff/Nprism)
其中，Neff代表导模有效折射率，Nprism代表第二基板9的折射率。因此，通过改变波导有效折射率实现了激光束23在垂直方向的输出角度，使得激光束23能够在垂直方向上以不同的角度出射。当第一电压源10和第二电压源11输出周期性电压时，发生偏转的激光束23在水平和垂直方向上来回扫描，如此实现了光束的二维扫描。由于基于折射的原理，因此，输出角度可以随电压连续可调。
本发明中，第二导电薄膜8作为公共电极，避免了传统导电基底的分压，器件的驱动电压显著降低，与普通的液晶盒驱动电压相当。同时，由于高折射率第二基板9对入射光束几乎不产生吸收，进一步提高了能量利用率。
本发明的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器的制备方法如下：
步骤一、准备带有第一导电薄膜2的第一基板1和第二基板9，对第一导电薄膜2进行刻蚀或激光打标，得到预期设计的图案，并在第二基板9通过溅射方法制备第二导电薄膜8，表面处理干净，备用；
步骤二、在第二导电薄膜8表面通过热蒸发的方式蒸镀衬底层7，再通过溅射的方式制备芯层6；
步骤三、之后在第一导电薄膜2和芯层6上涂覆光控取向剂，热固化或光固化，固化条件为本领域技术人员公知技术，得到第一取向层2和第二取向层5；
步骤四、将带有第一取向层2的第一基板1和带有第二取向层5的第二基板9组装成空液晶盒，组装方式通常为胶水固定，并留有注入液晶的注入口，第一取向层2和第二取向层5之间设有隔垫物，通常在第一取向层2表面和第二取向层5表面上喷洒隔垫子来保证液晶盒厚度；在清亮点以上向空液晶盒注入液晶材料，得到液晶层4，冷却至室温，完成基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器制备。
如图4所示，本发明为了实现梯形体结构的衬底层7的制备，采用了偏移的阴影掩模方法，与光刻工艺中精确复刻掩模形状的方法不同，第一掩模版工装241和第二掩模版工装242并不是紧贴在第二基板9的表面，而是与第二基板9位置相对保持固定并存在高度差，即第一掩模版工装241和第二掩模版工装242均为截面为L型的板材，垂直固定在第二导电薄膜8的上表面相对的两个边缘上。如图5所示，衬底层7制备时采用的工装包括镀膜伞25、样品放置区26、晶控区27和靶材28。其中晶控区27用于监控镀膜厚度，样品放置区26用于固定第二基板9，镀膜伞25在镀膜过程中围绕其中轴线发生旋转，保证膜厚分布的均匀性。如图6所示，为了更好地说明梯形体的形成，以热蒸镀为例，在高真空下，采用电阻式蒸发原理，利用大电流在蒸发舟上加热所蒸镀材料，使其在高温下熔化蒸发，从而在样品上沉积所需要的薄膜。通过调节所加电流的大小，可以方便的控制镀膜材料的蒸发速率。在蒸发过程中，镀膜伞25绕其中轴线进行自转进而带动第二基板9、第一掩模版工装241和第二掩模版工装242进行旋转。对于初始状态在中轴线左侧的样品，由于第一掩模版工装241和第二掩模版工装242的存在，只有蒸发轨迹在第一蒸发轨迹29(第一掩模版工装241的上边缘)和第二蒸发轨迹30(第二掩模版工装242的上边缘)的靶材28才能够沉积成膜，因此第二基板9在中轴线左侧时，在靠近第二掩模版工装242一侧存在膜层。由于镀膜伞25绕其中轴线旋转，当样品到中轴线右侧时，第一掩模版工装241和第二掩模版工装242位置发生了互换，此时，只有蒸发轨迹在第四蒸发轨迹31(第二掩模版工装242的上边缘)和第三蒸发轨迹30(第一掩模版工装241上边缘)的之间的靶材28才能够沉积成膜，因此第二基板9在中轴线右侧时，在靠近第一掩模版工装241一侧存在膜层。在第二基板9的旋转过程中，第二基板9表面中心的一部分区域能够在整个镀膜过程中始终能够沉积成膜，这一区域便对应于厚度保持不变的区域，在该区域的两侧，呈现出递减的分布，最终得到了衬底层7的梯形体的斜面。采用该方法，只需设置合理的掩模版参数即可实现所需的衬底层7的分布。除此之外，由于样品放置区26的每一个位置均可以放置一样品，所以采用该方法可以一次制备多个样品，缩减了加工时长及降低了加工成本。
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对本发明的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，包括：
顺次设置的第一基板(1)、第一导电薄膜(2)、第一取向层(3)、液晶层(4)、第二取向层(5)、芯层(6)、衬底层(7)、第二导电薄膜(8)和第二基板(9)，所述第一基板(1)、第一导电薄膜(2)、第一取向层(3)和第二导电薄膜(8)匀厚且上表面和下表面均为平面，第二基板(9)为斜面厚度规则递减或不规则递减的倒梯形体，衬底层(7)为斜面厚度规则递减或不规则递减的梯形体，芯层(6)匀厚且下表面形状与衬底层(7)上表面形状配合，第二取向层(5)匀厚且下表面形状与芯层(6)上表面形状配合，液晶层(4)的上表面和第一取向层(3)下表面配合，液晶层(4)的下表面与第二取向层(5)的上表面配合；
以及第一电压源(10)和第二电压源(11)，第一电压源(10)一端连接第一导电薄膜(2)，另一端连接第二导电薄膜(8)，第二电压源(11)一端连接第一导电薄膜(2)，另一端连接第二导电薄膜(8)，且第一导电薄膜(2)与第一电压源(10)和第二电压源(11)连接的位置彼此隔离。
2.根据权利要求1所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，所述第二基板(9)为斜面为平面或弧面的倒梯形体，衬底层(7)为斜面为平面或弧面的梯形体。
3.根据权利要求1所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，所述第一基板(1)、第一导电薄膜(2)、第一取向层(3)、液晶层(4)、第二取向层(5)、芯层(6)、衬底层(7)、第二导电薄膜(8)和第二基板(9)的左右两侧对称，且两端对齐。
4.根据权利要求1所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，所述第一基板(1)和第二基板(9)均为玻璃基板；
所述第一导电薄膜(2)和第二导电薄膜(8)均为ITO导电薄膜；
所述衬底层(7)的材料为二氧化硅；
所述芯层(6)的材料为氮氧化硅；
所述第一取向层(3)和第二取向层(5)的材料均为光控取向剂。
5.根据权利要求1所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，所述第一导电薄膜(2)与第一取向层(3)接触的表面上设有第一沟槽(14)、第二沟槽(15)、第三沟槽(18)、第四沟槽(19)和第五沟槽(21)，第二沟槽(15)和第五沟槽(21)平行，且槽深等于第一导电薄膜(2)的厚度，长度等于第一导电薄膜(2)的宽度，第一沟槽(14)自第一导电薄膜(2)的左边缘起至第二沟槽(15)止，第三沟槽(18)和第四沟槽(19)位于第二沟槽(15)和第五沟槽(21)之间，第三沟槽(18)自第一导电薄膜(2)的后边缘起至第二沟槽(15)止，第四沟槽(19)自第一导电薄膜(2)的前边缘起至第二沟槽(15)止，且第一沟槽(14)、第三沟槽(18)和第四沟槽(19)均为锯齿形，槽深均等于第一导电薄膜(2)的厚度；第一沟槽(14)和第二沟槽(15)划分出第一薄膜区(12)和第二薄膜区(13)，第二沟槽(15)和第三沟槽(18)划分出第三薄膜区(16)，第二沟槽(15)和第四沟槽(19)划分出第四薄膜区(17)，第三沟槽(18)、第四沟槽(19)和第五沟槽(21)划分出第五薄膜(20)，第五沟槽(21)划分出第六薄膜区(22)。
6.根据权利要求5所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，所述第一电压源(10)一端连接第二导电薄膜(8)，另一端连接第一导电薄膜(2)的第一薄膜区(12)和第五薄膜区(20)，或者，另一端连接第一导电薄膜(2)的第二薄膜区(13)和第五薄膜区(20)；
所述第二电压源(11)一端连接第二导电薄膜(8)，另一端连接第一导电薄膜(2)的第六薄膜区(22)。
7.根据权利要求1所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器，其特征在于，所述顺次设置为从上之下依次设置。
8.权利要求1-7任何一项所述的基于液晶波导的低驱动电压光束扫描器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、取带有第一导电薄膜(2)的第一基板(1)和第二基板(9)；
步骤二、对第一导电薄膜(2)进行刻蚀或激光打标，加工图案，在第二基板(9)上制备第二导电薄膜(8)；
步骤三、在第二导电薄膜(8)表面制备衬底层(7)，再在衬底层(7)上制备芯层(6)；
步骤四、在第一导电薄膜(2)和芯层(6)上均涂覆光控取向剂，固化，得到第一取向层(2)和第二取向层(5)；
步骤五、将带有第一取向层(2)的第一基板(1)和带有第二取向层(5)的第二基板(9)组装成空液晶盒，并留有注入液晶的注入口，在清亮点以上向空液晶盒注入液晶材料，得到液晶层(4)，液晶分子的初始指向矢方向均一排布，且垂直于第一取向层(3)和第二取向层(5)，冷却至室温，得到基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器。
9.根据权利要求8所述的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器的制备方法，其特征在于，在第一取向层(2)表面和第二取向层(5)表面上喷洒隔垫子来保证空液晶盒厚度。
10.根据权利要求8所述的基于液晶包层平板波导的主动式偏振转换器的制备方法，其特征在于，所述衬底层(7)采用以下方法制备：
先在第二导电薄膜(8)的上表面相对的两个边缘上分别垂直固定第一掩模版工装(241)和第二掩模版工装(242)，第一掩模版工装(241)和第二掩模版工装(242)均为截面为L型的板材，第一掩模版工装(241)和第二掩模版工装(242)的一个端面固定在第二导电薄膜(8)上，另一个端面指向衬底层(7)的中心轴；
然后将固定有第一掩模版工装(241)和第二掩模版工装(242)的第二基底(9)固定于样品放置区(26)，镀膜伞(25)绕其中轴线发生旋转，靶材(28)沉积在第二导电薄膜(8)的表面，得到衬底层(7)。
CN202211725135.5A 2022-12-30 2022-12-30 一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器 Pending CN116165825A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211725135.5A CN116165825A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211725135.5A CN116165825A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116165825A true CN116165825A (zh) 2023-05-26

Family

ID=86412542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211725135.5A Pending CN116165825A (zh) 2022-12-30 2022-12-30 一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116165825A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1217539C (zh) 一种光学系统和光学调制装置
CA2341424C (en) Beam deflector and scanner
US4729641A (en) Functional optical element having a non-flat planar interface with variable-index medium
US7260286B2 (en) Optical fiber coupling having liquid crystal adaptive coupler
US11686993B2 (en) Liquid crystal phase shifter array, driving method thereof, and laser scanner
KR20020010685A (ko) 고효율 가변 반사 이미지 디스플레이에 있어서 내부전반사의 전기영동과 고굴절률 및 상변화 제어를 이용하는반사 이미지 디스플레이장치 및 그 방법
CN109031811A (zh) 一种焦距和相位延迟量可变的液晶光学器件
CN104749665A (zh) 基于介质材料的平面透镜单元、平面透镜及制备方法
CN101576697A (zh) 电光开关阵列数字光扫描器
US7961996B2 (en) Coupling device for use in optical waveguides
CN108445562A (zh) 一种基于微纳结构阵列的透射式平面分光器
CN1916668A (zh) 一种电控调维微透镜阵列制作方法
CN109375426A (zh) 一种单侧取向有源液晶偏振光栅结构及其制备方法
CN109445037A (zh) 一种基于阵列光波导和mems微镜的1×n端口光开关
CN110618565A (zh) 液晶波导光调节器件以及液晶波导光调节系统
CN116165825A (zh) 一种基于液晶包层平板波导的低驱动电压光束扫描器
US11852303B2 (en) Lighting device
CN206757247U (zh) 一种光能利用率高的背光结构
CN112946966B (zh) 一种大角度液晶光学相控阵扫描组件
US20220308393A1 (en) Back Light Unit Structure, Display Panel and Display Apparatus
CN111290181B (zh) 自动寻址激光扫描电极结构、控制方法以及制造方法
CN208224650U (zh) 光波导及幅度调制器
CN1449128A (zh) 利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器
CN110515245A (zh) 一种激光扫描液晶器件的制作方法及一种液晶器件
CN112180479B (zh) 一种分布式光波导单元透镜

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination