[发明专利]液晶光栅及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其是涉及一种抑制边缘电场的液晶光栅。

背景技术

液晶光栅(liquid crystal grating)与传统的机械器件相比具有体积小、驱动电压低、功耗小、分辨率高、衍射特性改变方便等各种优点，可以广泛地用于衍射光学、光谱测量、光束偏转控制、光信息处理、光计算、光通信领域等各个领域。

液晶相位光栅的基本器件结构如图1所示：在上玻璃基板16和下玻璃基板11之间填充着具有介电常数各向异性的向列相液晶14，形成一个液晶盒。在下玻璃基板11上制有透明的寻址电极12和液晶取向膜13a，在上玻璃基板16上制有透明的接地电极15和液晶取向膜13b。

由于液晶具有光学各向异性和介电各向异性，因此液晶光栅在外电场的作用下，其光学特性可被调节。若对使液晶分子均匀排列的液晶盒施加周期性的电场，就会引起液晶分子周期性地重新排列，从而使液晶层的折射率发生周期性的变化。此时入射光在透过液晶层时,产生光程长度的周期性变化，形成相位光栅。液晶光栅中折射率产生连续变化，即按正弦规律对入射光进行相位调制，正弦相位可以通过使光栅的光学厚度(几何厚度或折射率)呈正弦型变化来实现。对于正弦相位光栅，可以通过调节相位调制度来控制各级主极大的强度，从而实现能量在不同级次上的重新分配。

对于液晶光栅在衍射光学方面的各种应用都需要获得大的衍射角(偏转角)。而衍射角由液晶光栅常数，即由寻址电极的间距决定。这就需要分辨率高的光刻掩膜去刻蚀间距更小的电极。

如图2所示，在液晶光栅中，当寻址电极21的间距p与上下基板的间距(液晶盒厚d)大小相当的场合，在寻址电极21的边缘，电场就会泄露到非寻址区域22。这种边缘电场的存在，使得寻址区域21与非寻址区域22的电场不再是分立的，而是连成一体。非寻址区域的液晶会受到边缘电场的影响而发生不应有的偏转，这种现象被称为边缘场效应。它会导致液晶光栅的相位调制能力严重下降，进而使入射光的衍射效率显著降低。同时，因为液晶光栅以透射式为主，为了获得较大的相位调制深度，在液晶材料特性一定的前提下需要较大的液晶盒厚。如果要减少液晶盒厚，就要选择具有高折射率差的液晶材料，这样边缘场效应的出现就不可避免。

边缘场效应的存在，使得在寻址区域的液晶分子31发生偏转的同时，非寻址区域的液晶分子32发生了不应有的偏转，如图3所示。而这会导致相位调制曲线的展宽与相位调制深度的减小，如图4所示。最终反映在衍射效率上的降低，如图5所示，正负一级的衍射效率不到10％，而零级的衍射效率超过80％，表明大部分的入射光都无法进行有效的偏转。

为了克服现有液晶光栅的边缘场效应，本发明提出一种新型的液晶光栅结构，能够有效地抑制边缘电场。基于本发明提出的方案，可以有效地抑制非寻址区域的边缘电场，从而为实现高分辨率、大偏转角液晶光栅器件的制作创造了条件。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术的一种或多种不足，本发明提出了一种液晶光栅及其制造方法，其解决高分辨率、大偏转角液晶光栅器件的边缘场效应。

本发明提出了一种液晶光栅，其包括：上基板，其上设透明导电薄膜；下基板，其上依次光刻形成条状下接地电极层，在所述下接地电极上沉积第一电介质层，在所述电介质层上形成与所述下接地电极平行交错的寻址电极，在所述寻址电极上再次沉积第二电介质层，再在所述第二沉积电介质层形成与下接地电极重叠的条状上接地电极；液晶，夹设在所述上基板和所述下基板之间。

优选地，所述第一、二电介质层为透明的绝缘电介质，绝缘性好且透明度高。

优选地，所述上接地电极、所述寻址电极或所述下接地电极都为透明的ITO电极，以便使入射光透过。

优选地，对所述寻址电极施加寻址电压，所述下接地电极、所述上接地电极和所述上玻璃基板的所述透明导电薄膜层接地。

其中，下接地电极与上接地电极图案一致并且上下重叠，上下接地电极与寻址电极位置错开排列。在液晶光栅工作时，下接地电极与上接地电极都接地电压，寻址电极施加寻址电压。上下接地电极施加了稳定的电压后，由于耦合电容的存在会与寻址电极之间形成横向电场，从而抵制寻址电极与上玻璃基板上接地电位的透明导电薄膜层之间位于非寻址区域的边缘电场。

其中，上玻璃基板上接地电位的透明导电薄膜层作为第三层接地电极，也是寻址电极的参考电压电极。在液晶光栅工作时，与寻址电极间形成电压差，产生电场，驱使液晶分子偏转。

优选地，所述上、下基板为镀有ITO导电薄膜的玻璃基板。