Study on liquid crystal polarization grating with large deflection angle

大偏转角液晶偏振光栅

的研究

研究背景与意义

光束偏转技术是指改变光束指向或者调整成像视轴的技术，在激光雷达遥感监测、天文观测、激光通信、及虚拟现实系统、增强现实系统中有着极其广泛的应用。

光束偏转技术依据物理原理不同可分为：机械式光束偏转技术、微机电系统式光偏转技术、非机械式光束偏转技术。

机械式光束偏转系统中的关键器件是机械旋转元件，体积与重量都较大，机械转动的惯性很容易引起整个系统的振动，已经不是光束偏转技术的最好选择。

液晶相控阵在非机械式光偏转领域有着非常广泛的工程应用价值，液晶光学相控阵具有指向精度高、扫描速度快、可随机指向等特点。液晶相控阵在一些大偏转角度光束偏转领域的应用，通常需要结合其他光束偏转系统来实现。

工作原理

液晶偏振光栅是一种基于几何相位引入连续渐变倾斜相位分布、实现光束偏转的器件。 

图1 光束经过液晶光栅后的出射情况图

光束经过液晶光栅后的出射情况如图1所示。光束经过液晶偏振光栅后会偏离原来的入射方向，且光束的偏转方向与入射光束偏振态相关。左旋圆偏振光入射，出射光束为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光入射，出射光束为左旋圆偏振光，入射光束为线偏振光时，线偏振光可以分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

所以会有两个偏转方向的出射光束，对于椭圆偏振的入射光束来说，同样会有两个偏转方向的出射光束，只不过两个出射光束的光强不相等。

对比超表面几何相位元件，液晶几何相位元件制备方法更加简单，衍射效率更高，可以适用于可见光波段与红外波段，同时液晶几何相位元件还可以实现电控。

大偏转角的液晶偏振光栅的结构设计

01.

具有大偏转角反射式液晶偏振光栅

的结构设计与实现

当圆偏振光入射到图2中两种排列结构的液晶偏振光栅时，仅在出射光场的出射方向上存在区别，当一束左旋圆偏振光沿z轴入射到图2中的光栅时，衍射光束一个沿x轴正半轴方向偏转，-一个沿x轴负半轴方向偏转，1级衍射光均为右旋圆偏振光。

图 2  液晶偏振光栅结构示意图

图3 光束经过光栅-波片-反射镜后光束出射示意图

可以考虑将光栅与反射镜配合使用，将透射式光栅结构改成反射式结构，利用反射镜将衍射光束反射回偏振光栅，希望通过光栅发生二次衍射，使得光束的偏转角度扩大一倍这样整体结构会更加紧凑。光栅对光束的偏振态具有调制作用而且反射镜同样会改变入射光的偏振态，在实验中发现光束经过光栅-反射镜结构时光束的出射情况如图3所示 。

因此光束在经过波片-反射镜-波片可以表示为：

02.

复合型波片液晶偏振光栅的制备

为了提高在液晶偏振光栅级联应用时透过率，提出了一种基于波片-被动式光栅的复合型结构，如图4所示。复合式波片光栅是指用两个基板来实现液晶波片及液晶偏振光栅，利用被动式液晶偏振光栅与另外一个基板来制备液晶盒，两个基板都带有 ITO 薄膜，然后来加电驱动液晶波片实现波片与液晶偏振光栅的使用。

在级联使用液晶偏振时，一组液晶偏振光栅与液晶波片至少有 3 个基板(若为主动式液晶偏振光栅则存在 4 个基板)，因此这种新型结构可以有效减少基板的数量，提高光强透过率。

图4  复合型波片液晶偏振光栅结构示意图

结论与展望 

01.

研究结论

1.选择本研究中光控取向膜材料的方法为：以光控取向膜中光反应完毕为基准测出所需的曝光时间，再以曝光时间内光反应总量为基准判断取向膜的锚定能力；选择曝光时间短的、锚定能力足以制备出液晶偏振光栅的材料为合适的材料。

2.两圆偏振光束的截面光强呈高斯分布，使叠加光场边缘处的两相干光有光强差异，造成叠加光场的椭偏化。因而要严格控制叠加光场中的两相干光光强比在 1.2～1.0 之间。

3.制备周期小于 5μm光栅时两相干光主光线分开距离加大，使制备出的光栅有效面积大幅减小，解决的对策是加长小孔光阑后的透镜焦距，使相干光束光强分布的高斯曲线扁平化。

通过本论文的研究，有效挖掘了液晶偏振光栅在激光雷达、激光通信等工程领域中的应用潜力，加速了工业化进程。

02.

研究展望

如图5所示针对液晶偏振光栅的制备光路(萨尼亚克式)始终存两光束主光线在曝光位置处存在分离，会导致有效重叠面积不足的问题，可以尝试应用双光束重合干涉式光路进行液晶偏振光栅制备。

如图6所示，此时不存在两光束的主光线分离，而且能最大程度上应用光束口径，无需对反射镜、PBS 尺寸的有更严格的要求，需要注意的是，在利用此光路进行被动式偏振光栅的制备时，由于两束光中为一束光直接入射到光控取向膜，一束光为先经过基板在经过光控取向膜，两束光的光强会存在不相等，此问题可以通过在光路中加入一个空基板来解决。

图5  双光束重合干涉式光栅制备光路

图6  双光束重合干涉式光栅制备光路中夹角控制方法

参考文献

[1]Hu Hongbin,Hu Lifa,Peng Zenghui,Mu QuanQuan,Zhang Xingyun,Liu Chao,Xuan Li.

Advanced single-frame overdriving for liquid-crystals.[J]. Pubmed,2012,37(16).

[2]Wang C,Peng Z,Liu Y,Li S,Zhao Z,Chen W,WangQ,MuQ.coherence method used to achieve beam steering with high precision and stability.[J]. Pubmed,2019,27(5).

[3]Wang C,Peng Z,Liu Y,Li S,Zhao Z,,Two-dimensional symmetrical radial sub-aperture coherence and the local precision defect elimination method for high-precision beam steering.[J]. Pubmed,2019,27(13).

[4]周书芃.消色差旋转双棱镜光束指向控制技术[D].中国科学院研究生院(光电技术研究所),2016.

[5]范大鹏,周远,鲁亚飞,黑墨,熊飞湍,李凯.旋转双棱镜光束指向控制技术综述[J].中国光学,2013,6

编辑：史晓宇

校对：蒋天齐 唐文文 李洪虎 张德福