CN204129387U - 一种基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于纳米石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，包括驱控信号输入端口、以及石墨烯液晶散光微透镜阵列，石墨烯液晶散光微透镜阵列为m×n元，石墨烯液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、石墨烯电极、第二基片，图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别制作在第一基片和第二基片上，图案化石墨烯电极是由m×n个以微圆环隔离并以微线连接的微圆形石墨烯有序排布构成，从图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别延伸出一根金属电极引线。本实用新型器件寿命长，可靠性高，易与常规光学光电机械结构耦合，环境适应性好等特点。

Description

一种基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片

技术领域

本实用新型属于光学精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片。

背景技术

近些年来，电控液晶微透镜技术发展迅速，在光束的电控汇聚、发散、整形、准直、调焦、摆焦、与光敏阵列和LED阵列耦合甚至集成、构建特殊光功能结构等方面，展现了良好的发展前景。已呈现的典型功能包括：(一)在阵列化液晶微结构上施加电驱控信号，所能执行的光汇聚、光发散或特征相位变换等，可在任意波束状态下展开、凝固或调变；(二)电控液晶微结构的光束变换作用受先验知识或光束处理结果的约束、干预或引导；(三)执行控光操作的微米级厚度电控液晶材料其时间响应常数目前已达到亚毫秒级，实验室级的已快至微秒级，可满足常规的动态控光需求。目前，如何进一步发展控光能力更强，反应更为迅速，可靠性更高、使用寿命更长，成本更低以及环境友好的液晶微透镜技术，已成为新的研发热点。

迄今为止，基于贵金属合金膜电极在微米厚度液晶材料中构建空间电场，驱控液晶执行控光处理的缺陷主要表现在以下方面：(一)基于膜合金材料的电极必须具有足够的厚度来承载用于激励加载在液晶材料上的空间电场的薄层正、负空间电荷区，使液晶分子呈现特定的偶极空间排布形态；(二)厚度较大的膜合金电极在交变电场中呈现较大的面形阻抗，使器件中的图案化面电极对间所激励的微米级深度空间电场存在基于位形的空间不均匀性；(三)膜合金电极具有较强的热效应，长时间的热累积会抑制分布在液晶初始定向结构附近的液晶分子活性，降低电驱控作用下的液晶分子定向排布效能以及相应的电控介电能力，另外也会进一步增大金属电极阻抗，影响器件的电控响应灵敏度；(四)膜合金电极呈现窄带光选通性和谱透射不均匀性；(五)受电场驱动使能态提高的电子会从金属膜电极中溢出，穿透液晶初始定向结构的电子在进入液晶材料后，通过与液晶分子的极性基团中和，降低液晶材料的介电能力；(六)贵金属合金材料价格高，在材料生产和液晶器件制作环节中存在环境污染等。进入新世纪以来，发展具有纳米厚度、高电导、低热效和宽谱适应性的面电极技术，受到广泛关注。

诞生于世纪之交的石墨烯技术近些年得到了快速发展，迄今为止已展现出极为优良的电载体特性，如电子或空穴等载流子在石墨烯中几乎可以自由穿行所展现的超强导电和极低电阻性，一般仅吸收不超过3％的可见光和红外波的超高透光性和超宽谱适应性，在室温下传递电子的速度远快于目前已知的各种导电材料所展现的超高电子迁移率，基于六边形网状连接的纳米厚度单层或多层套叠架构所显示的超强结构稳定性、牢固性、柔韧性、耐腐蚀性和抗强场扰动能力，基于二维网状结构所展现的与目前已知的大多数光学、光电子和微电子材料极佳的结构匹配与耦合性。基于纳米石墨烯膜在电极构建方面所展现的潜在优势，构建基于石墨烯模的电控液晶微透镜技术，在发展先进的光学精密测量与控制技术方面，具有迫切需求。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，其可实现微圆光孔阵图案化光场的电控成形与精细调变，易与其它光学光电机械结构耦合，环境适应性好。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于纳米石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，包括驱控信号输入端口、以及石墨烯液晶散光微透镜阵列，石墨烯液晶散光微透镜阵列为m×n元，其中m、n均为大于1的整数，石墨烯液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、石墨烯电极、第二基片，图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别制作在第一基片和第二基片上，图案化石墨烯电极是由m×n个以微圆环隔离并以微线连接的微圆形石墨烯有序排布构成，从图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别延伸出一根金属电极引线，并接入驱控信号输入端口的两端，驱控信号输入端口用于为图案化石墨烯电极和石墨烯电极提供电压信号。

优选地，光波进入石墨烯液晶散光微透镜阵列后，被离散化成子入射波束阵，各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被发散成微圆环界定的微光孔子波场，并经耦合形成微光孔阵透射波束从芯片输出。

优选地，所述芯片还包括芯片壳体，石墨烯液晶散光微透镜阵列位于芯片壳体内并与其固连，石墨烯液晶散光微透镜阵列的光入射面和光出射面，通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来，驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。

优选地，第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。

优选地，第一基片和第二基片具有相同光学材质。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、能够电控成形与调变微光孔阵光场：本实用新型采用石墨烯电极驱控液晶材料进行阵列化散光，具有将出射波束高效凝固在特定形态或调变到预定形态的优点。

2、波谱范围宽：基于石墨烯材料的宽光谱高透光特性，芯片具有波谱范围宽的优点。

3、控制效能高器件寿命长：由于采用具有超强导电和控电特征的石墨烯模制作电极，排除了电子离子等对液晶材料极化行为的影响，器件具有电控效能高寿命长的优点。

4、智能化：通过调变加载在石墨烯电极上的电驱控信号，对图案化透射光场其波束形态的构建与调变操作，可在先验知识或波场图案特征的约束、干预或引导下展开，具有智能化特征。

5、使用方便：本实用新型的控光芯片主体为封装在芯片壳体内的石墨烯液晶散光微透镜阵列，在光路中配置方便，易与常规光学光电机械结构等匹配耦合。

附图说明

图1是本实用新型基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片的结构示意图；

图2是本实用新型石墨烯液晶散光微透镜阵列的结构示意图；

图3是本实用新型基于石墨烯液晶散光微透镜进行光束变换的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-驱控信号输入端口，2-石墨烯液晶散光微透镜阵列，3-芯片壳体。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片包括驱控信号输入端口、石墨烯液晶散光微透镜阵列2、以及芯片壳体3。

石墨烯液晶散光微透镜阵列2位于芯片壳体3内并与其固连。

石墨烯液晶散光微透镜阵列的光入射面和光出射面，通过芯片壳体3的顶面和底面开窗裸露出来。

驱控信号输入端口1设置在芯片壳体3上，并通过芯片壳体3的侧面开孔裸露在外。

石墨烯液晶散光微透镜阵列为m×n元，其中m、n均为大于1的整数。各液晶散光微透镜中互连的由微圆环隔离的中心微圆形石墨烯以及微圆环外的石墨烯材料被同步加电。

光波进入石墨烯液晶散光微透镜阵列2后，按照微透镜的规模和排布情况被离散化成子入射波束阵，各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被发散成由微圆光环界定的微光孔子波场并经耦合形成微光孔阵透射波束从芯片输出。

如图2所示，本实用新型实施例的石墨烯液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、石墨烯电极、第二基片。

图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别制作在具有相同光学材质的第一基片和第二基片上。

第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成，但应理解定向层材料并不局限于此，也可以是其它可形成纳米级深度和宽度的沟道材料。

图案化石墨烯电极由m×n个以微圆环隔离并以微线联通的微圆形石墨烯有序排布构成。

从图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别延伸出一根金属电极引线，接入驱控信号输入端口1的两端，各元微透镜中的图案化石墨烯电极被同步加电。

如图3所示，本实用新型的基于石墨烯液晶散光微透镜进行光束发散作用，通过加载在图案化石墨烯电极和石墨烯电极间的电压信号V实现，图中也给出了局部发散光场其典型的微圆光孔和发散光束的虚焦长与虚焦斑特征。为增强光束处理能力，在第一基片和第二基片的光入射面和光出射面分别制有同种材质的增透膜。

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型，下面结合图1至图3说明本实用新型实施例的基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片的工作原理。

基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片被置于测试光路中，或被置于由主镜构成的光学系统的焦面处也可弱离焦配置。

将信号线接入驱控信号输入端口，将电压信号输入和加载在电控液晶光发散微透镜阵列上。

光束进入石墨烯液晶散光微透镜阵列后，与液晶分子相互作用后呈阵列化发散态。加载在石墨烯电极上的电压信号在图案化石墨烯电极和石墨烯电极间激励起空间电场，驱控所填充的液晶材料形成具有特定折射率空间分布形态的功能化液晶结构。通过每单元液晶微透镜的光束变换作用所构建的子发散光场，由特定孔径微圆环界定的中心暗斑形微光孔构成。其圆环亮度、孔径以及孔内消光比等，随驱控信号均方幅度或频率的变化而改变。

从相邻微透镜出射的发散光场经耦合形成微光孔阵透射光场并从芯片输出。石墨烯液晶散光微透镜包括液晶材料、液晶定向层、石墨烯电极、金属电极引线、光学基片和增透膜等。液晶材料的上下两表面依次覆盖液晶定向层、石墨烯电极、基片和增透膜。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯电极的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，包括驱控信号输入端口、以及石墨烯液晶散光微透镜阵列，其特征在于，

石墨烯液晶散光微透镜阵列为m×n元，其中m、n均为大于1的整数；

石墨烯液晶散光微透镜阵列采用液晶夹层结构，且下上层之间顺次设置有第一基片、图案化石墨烯电极、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、石墨烯电极、第二基片；

图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别制作在第一基片和第二基片上；

图案化石墨烯电极是由m×n个以微圆环隔离并以微线连接的微圆形石墨烯有序排布构成；

从图案化石墨烯电极和石墨烯电极分别延伸出一根金属电极引线，并接入驱控信号输入端口的两端；

驱控信号输入端口用于为图案化石墨烯电极和石墨烯电极提供电压信号。

2.根据权利要求1所述的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，其特征在于，光波进入石墨烯液晶散光微透镜阵列后，被离散化成子入射波束阵，各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被发散成微圆环界定的微光孔子波场，并经耦合形成微光孔阵透射波束从芯片输出。

3.根据权利要求1所述的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，其特征在于，

所述芯片还包括芯片壳体；

石墨烯液晶散光微透镜阵列位于芯片壳体内并与其固连；

石墨烯液晶散光微透镜阵列的光入射面和光出射面，通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来；

驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。

4.根据权利要求1所述的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，其特征在于，第一液晶定向层和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。

5.根据权利要求1所述的电控液晶光发散微透镜阵列芯片，其特征在于，第一基片和第二基片具有相同光学材质。