CN117991534A - 一种矢量光场液晶光学相控阵器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矢量光场液晶光学相控阵器件，包括四个单元器件，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件、第一单元铁电液晶偏振控制阵列器件、第二单元液晶光学相控阵器件以及第二单元铁电液晶偏振控制阵列器件，依次层叠而成，每个单元器件包括七层三明治结构，从上向下依次为上玻璃基板层、上公共电极层、上取向层、液晶层、下取向层、下阵列电极层以及下玻璃基板层。本发明解除了器件对入射光偏振态的限制性要求，都可以通过矢量分解，实现X轴和Y轴方向的独立相位调控；先在X轴和Y轴独立相位调控，再在空间上矢量合成，实现了矢量光场的阵列相位调控，拓宽了液晶光学相控阵的调控维度。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域，尤其涉及一种可实现矢量光场调控的液晶光学相控阵器件。
背景技术
在自由空间激光光通信、激光传感和激光雷达等应用中，激光束的高精度捕获、跟踪和瞄准(ATP)技术是一项非常重要的关键技术和难点。传统ATP方案通常采用万向节等机械方式，由于其受体积大、重量重、功耗高和机械磨损等因素的影响，非机械式的ATP技术逐渐受到关注。目前常用的非机械光束对扫描的调节、控制方式主要有微透镜阵列技术、MEMS(微电子机械系统)技术、电浸润微棱镜技术以及液晶光学相控阵技术。其中，液晶光学相控阵技术是目前最接近实用的一种技术方案。
液晶光学相控阵(LCOPA)是一种可编程相位调控器件，它采用具有驱动电压低、相位调制深度大等性能的向列相液晶作为相位调制的电光材料，使器件具有体积小、重量轻、功耗低、易于与微电子控制电路结合等独特优点。
液晶光学相控阵器件的核心单元是液晶盒，在制作过程中液晶盒中的取向层一般都是均匀取向的，且取向方向与相控阵长条形电极的长度方向相垂直。其效果是使液晶分子指向矢在电场作用下能够保持在入射光的偏振平面内进行转动，因此能够实现对入射光场的纯相位调控。
传统的液晶光学相控阵器件不足之处在于两个方面：一是在使用方面限定了入射光的偏振特性，只能是均匀的线偏振光，且线偏振光的偏振面必须与液晶分子指向矢的取向方向及分子转动方向保持在一个平面之内，而不能使用其他偏振方向或者其他偏振态的入射光；二是在功能方面只能实现对特定方向的平面内线偏振产生纯相位调控，而不能实现对其他偏振态的入射光产生平行和垂直两个平面内的独立相位调控，即不能实现矢量光场调控。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可实现矢量光场调控的液晶光学相控阵器件。
技术方案：本发明包括四个单元器件，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件、第一单元铁电液晶偏振控制阵列器件、第二单元液晶光学相控阵器件以及第二单元铁电液晶偏振控制阵列器件，依次层叠而成，每个单元器件包括七层三明治结构，从上向下依次为上玻璃基板层、上公共电极层、上取向层、液晶层、下取向层、下阵列电极层以及下玻璃基板层。
进一步地，所述四个单元器件每两层之间通过光学胶水粘结在一起。
进一步地，所述下阵列电极层为长条形阵列结构，每个长条形电极的宽度和间距都相等，单元器件上、下层叠放置，保持长条形阵列电极沿X轴对齐。
进一步地，所述下阵列电极层的阵列电极通过刻蚀成线条的透明导电薄膜分别连接到四个芯片的阵列输出引脚上，液晶阵列的可编程驱动电压通过芯片的阵列输出。
进一步地，所述第一单元液晶光学相控阵器件的液晶层为向列型液晶材料，且垂直于长条形电极的长度方向，取向方向以阵列电极中长条形单元电极的范围为边界，沿着X轴交替变化。
进一步地，所述第二单元液晶光学相控阵器件的液晶层为向列型液晶材料，且垂直于长条形电极的长度方向，取向方向以阵列电极中长条形单元电极的范围为边界，沿着X轴交替变化。
进一步地，所述第一单元铁电液晶偏振控制器件的液晶层为铁电型液晶材料，取向设置为θ＝22.5°。
进一步地，所述第二单元铁电液晶偏振控制器件的液晶层为铁电型液晶材料，取向设置为θ＝22.5°。
进一步地，所述第一单元液晶光学相控阵器件和第二单元液晶光学相控阵器件的液晶层厚度d相等，且满足Δn·d≥λ，其中，λ为工作波长，Δn为液晶材料双折射率。
进一步地，所述第一单元铁电液晶偏振控制器件和第二单元铁电液晶偏振控制器件的液晶层厚度d相等，且满足Δn·d＝λ/2，其中，λ为工作波长，Δn为液晶材料双折射率。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：解除了器件对入射光偏振态的限制性要求，入射光可以是平行于X轴的线偏振光，或者是平行于Y轴的线偏振光，也可以是偏振方向介于X轴与Y轴之间的线偏振光，甚至可以是更为普遍的椭圆偏振光，都可以通过矢量分解，实现X轴和Y轴方向的独立相位调控；先在X轴和Y轴独立相位调控，再在空间上矢量合成，实现了矢量光场的阵列相位调控，拓宽了液晶光学相控阵的调控维度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为阵列电极结构示意图；
图3为单元液晶光学相控阵器件结构示意图；
图4为铁电液晶偏振开关阵列结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的结构如图1所示，包括四个单元器件依次层叠而成，从上往下依次为第一单元液晶光学相控阵器件(简称LCOPA1)、第一单元铁电液晶偏振控制阵列器件(简称FLCPCA1)、第二单元液晶光学相控阵器件(简称LCOPA2)、第二单元铁电液晶偏振控制阵列器件(简称FLCPCA2)。四个单元器件之间分别通过光学胶水粘结在一起，从上到下各层胶水的标识依次为12、23、34。
四个单元器件各自分别由七层三明治结构所构成。从上向下依次为上玻璃基板层(LCOPA1中为101、FLCPCA1中为201、LCOPA2中为301、FLCPCA2中为401)、上公共电极层(LCOPA1中为102、FLCPCA1中为202、LCOPA2中为302、FLCPCA2中为402)、上取向层(LCOPA1中为103、FLCPCA1中为203、LCOPA2中为303、FLCPCA2中为403)、液晶层(LCOPA1中为104、FLCPCA1中为204、LCOPA2中为304、FLCPCA2中为404)、下取向层(LCOPA1中为105、FLCPCA1中为205、LCOPA2中为305、FLCPCA2中为405)、下阵列电极层(LCOPA1中为106、FLCPCA1中为206、LCOPA2中为306、FLCPCA2中为406)、下玻璃基板层(LCOPA1中为107、FLCPCA1中为207、LCOPA2中为307、FLCPCA2中为407)。
四个单元器件的下电极层(LCOPA1中为106、FLCPCA1中为206、LCOPA2中为306、FLCPCA2中为406)均为长条形阵列结构，阵列单元数目为M，M为正整数，如图2所示。每个长条形电极的宽度和间距都相等，四个单元器件上下层叠放置时，保持长条形阵列电极沿X轴为对齐状态。
LCOPA1中阵列电极106的M条电极从左到右依次编号为A1，A2，...Ai，...AM，i为正整数，且i＝1～M。同理，FLCPCA1中阵列电极206的M条电极从左到右依次编号为B1，B2，...Bi，...BM；LCOPA2中阵列电极306的M条电极从左到右依次编号为C1，C2，...Ci，...CM；FLCPCA2中阵列电极406的M条电极从左到右依次编号为D1，D2，...Di，...DM。
四个单元器件上下层叠放置时，保持长条形阵列电极为对齐状态，即第一条电极A1、B1、C1、D1沿X轴为对齐状态，第二条电极A2、B2、C2、D2沿X轴为对齐状态，第i条电极Ai、Bi、Ci、Di沿X轴为对齐状态(i为正整数，且i＝1～M)，一直到第M条电极AM、BM、CM、DM沿X轴为对齐状态。
四个单元器件的下电极层(LCOPA1中为106、FLCPCA1中为206、LCOPA2中为306、FLCPCA2中为406)的阵列电极通过刻蚀成线条的透明导电薄膜分别连接到四个芯片的阵列输出引脚上，液晶阵列的可编程驱动电压通过芯片的阵列输出而实现。
第一单元液晶光学相控阵器件LCOPA1和第二单元液晶光学相控阵器件LCOPA2的几何结构一样，中间层都是向列型液晶材料(LCOPA1中为104、LCOPA2中为304)。LCOPA1和LCOPA2中，液晶层的取向方向只有两种正交方向，即平行于长条形电极的长度方向(θ＝90°)和垂直于长条形电极的长度方向(θ＝0°)。LCOPA1和LCOPA2中，液晶层的取向方向以阵列电极中长条形单元电极的范围为边界，沿着X轴交替变化。
如图3所示，第一单元液晶光学相控阵器件LCOPA1的液晶取向方向，从左至右沿X轴方向依次为A1电极区域垂直于长条形电极的长度方向(θ＝0°)，A2电极区域平行于长条形电极的长度方向(θ＝90°)，然后依次重复交替变化液晶取向方向。第二单元液晶光学相控阵器件LCOPA2的液晶取向方向，从左至右沿X轴方向依次为A1电极区域平行于长条形电极的长度方向(θ＝90°)，A2电极区域垂直于长条形电极的长度方向(θ＝0°)，然后依次重复交替变化液晶取向方向。
由于第一单元液晶光学相控阵器件LCOPA1和第二单元液晶光学相控阵器件LCOPA2在层叠放置时，需要保持电极是对齐状态，而液晶取向方向和电极位置一一对应。第一单元液晶光学相控阵器件LCOPA1和第二单元液晶光学相控阵器件LCOPA2，在同一个电极编号Ai和Bi的位置上，其液晶取向方向是保持正交状态的，即一个为平行于长条形电极的长度方向(θ＝90°)，另一个为垂直于长条形电极的长度方向(θ＝0°)。
第一单元液晶光学相控阵器件LCOPA1和第二单元液晶光学相控阵器件LCOPA2的液晶层(LCOPA1中为104、LCOPA2中为304)厚度d相等，都是与工作波长λ和液晶材料双折射率Δn相关，且满足关系：Δn·d≥λ。
第一单元铁电液晶偏振控制器件FLCPCA1和第二铁电液晶偏振控制器件FLCPCA2的几何结构一样，中间层都是铁电型液晶材料(FLCPCA1中为204、FLCPCA2中为404)。FLCPCA1和FLCPCA2中，液晶层的取向方向都设置为θ＝22.5°。当给第i个电极施加正电压时，该电极区域内的液晶分子取向方向变为θ＝0°；当给第i个电极施加负电压时，该电极区域内的液晶分子取向方向变为θ＝45°。
第二单元铁电液晶偏振控制器件FLCPCA1和第四铁电液晶偏振控制器件FLCPCA2的液晶层(FLCPCA1中为204、FLCPCA2中为404)厚度d相等，都是与工作波长λ和液晶材料双折射率Δn相关，且满足关系：Δn·d＝λ/2。
两个单元铁电液晶偏振控制器件FLCPCA1和FLCPCA2可以实现对入射线偏振光的偏振方向的快速正交切换，两个单元液晶光学相控阵器件LCOPA1和LCOPA2可以实现平行和垂直两个偏振方向的光矢量的独立相位调控。最终的效果，一是解除了该器件对入射光偏振态的限制性要求，入射光可以是平行于X轴的线偏振光，或者是平行于Y轴的线偏振光，也可以是偏振方向介于X轴与Y轴之间的线偏振光，甚至可以是更为普遍的椭圆偏振光，都可以通过矢量分解，实现X轴和Y轴方向的独立相位调控。二是通过光场矢量的正交分解，实现X轴和Y轴独立相位调控后，再在空间上矢量合成，可以实现矢量光场的阵列相位调控，拓宽了液晶光学相控阵的调控维度。
Claims (10)
1.一种矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：包括四个单元器件，从上向下依次为第一单元液晶光学相控阵器件、第一单元铁电液晶偏振控制阵列器件、第二单元液晶光学相控阵器件以及第二单元铁电液晶偏振控制阵列器件，依次层叠而成，每个单元器件包括七层三明治结构，从上向下依次为上玻璃基板层、上公共电极层、上取向层、液晶层、下取向层、下阵列电极层以及下玻璃基板层。
2.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述四个单元器件每两层之间通过光学胶水粘结在一起。
3.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述下阵列电极层为长条形阵列结构，每个长条形电极的宽度和间距都相等，单元器件上、下层叠放置，保持长条形阵列电极沿X轴对齐。
4.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述下阵列电极层的阵列电极通过刻蚀成线条的透明导电薄膜分别连接到四个芯片的阵列输出引脚上，液晶阵列的可编程驱动电压通过芯片的阵列输出。
5.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述第一单元液晶光学相控阵器件的液晶层为向列型液晶材料，且垂直于长条形电极的长度方向，取向方向以阵列电极中长条形单元电极的范围为边界，沿着X轴交替变化。
6.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述第二单元液晶光学相控阵器件的液晶层为向列型液晶材料，且垂直于长条形电极的长度方向，取向方向以阵列电极中长条形单元电极的范围为边界，沿着X轴交替变化。
7.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述第一单元铁电液晶偏振控制器件的液晶层为铁电型液晶材料，取向设置为θ＝22.5°。
8.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述第二单元铁电液晶偏振控制器件的液晶层为铁电型液晶材料，取向设置为θ＝22.5°。
9.根据权利要求1所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述第一单元液晶光学相控阵器件和第二单元液晶光学相控阵器件的液晶层厚度d相等，且满足Δn·d≥λ，其中，λ为工作波长，Δn为液晶材料双折射率。
10.根据权利要求7所述的矢量光场液晶光学相控阵器件，其特征在于：所述第一单元铁电液晶偏振控制器件和第二单元铁电液晶偏振控制器件的液晶层厚度d相等，且满足Δn·d＝λ/2，其中，λ为工作波长，Δn为液晶材料双折射率。
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