[发明专利]基于电控液晶双模微透镜的控光芯片

说明书

技术领域

本发明属于光学波束精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种基于电控液晶双模微透镜的控光芯片。

背景技术

近些年来，电控液晶微透镜技术快速发展，已展现出较强的电调焦、电摆焦、电控波前、电调点扩散函数、电控焦深、电选通光孔径、电调感光视场、电切换光汇聚与光发散模态、电调波束发散形态和程度等能效特征。液晶材料的稳定控光态间的时间常数，目前已低至亚毫秒级，实验室级的已低至微秒级。液晶微透镜的控光操作，已可以做到按照特定加电顺序有序展开，以及基于电学阈值以上的加电随意性所具备的智能化控光等。电控液晶微透镜因其仅使用微米级厚度的液晶材料所具有的轻薄特征，可被灵活置入光路中或基于标准微电子工艺构建的现代微光学光电架构中。其特征性的光学性能的电激励和电调变特性，已展现出通过调节电参数来有效维持或变更液晶材料折射率的特定空间分布形态，适应器件的供电波动、环境因素变化、目标特征变动以及需求变更等所意味的，在实现微纳光学自适应调控变换方面的极大发展潜力。目前，如何进一步发展性能更为优良的电控液晶微透镜技术，已受到广泛关注并成为研发热点。

目前主流的电控液晶微透镜架构为：增透膜+基片+图形化合金电极+液晶初始取向层+微米级厚度液晶材料+液晶初始取向层+公共合金电极+基片+增透膜。在可见光近红外谱域所广泛采用的合金电极材料多为氧化铟锡(ITO)。上述典型架构的缺陷主要包括：(一)光波透过率一般在85％左右，对更高透过率要求而言则需额外制作增透膜系；(二)膜合金电极材料存在谱透过率不均匀性，在若干光频处甚至会衰减到最大透过率值的一半以上；(三)合金材料中的载流子如阳离子和电子等，有时会穿透液晶初始取向层渗透进液晶材料中，通过与液晶分子的极性基团中和，使液晶分子丧失电控介电能力，从而显著降低控光效能并显著缩短器件寿命；(四)由于金属材料存在较大电阻，其热效应和较高频率电磁信号驱控下的趋肤效应，将严重影响施加在液晶材料中的空间电场的构建效能，从而显著降低器件控光能力。因此，进一步发展高性能电控液晶微透镜的一个重要着力点是：寻找光学和电学性能更为优良，与液晶材料匹配能力更强的电极材料。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，能执行波束的阵列化光汇聚或光发散变换操作，该操作依双路驱控电压信号展开、凝固或切换，具有光学波束调变能力强，电光性能优越，环境适应性好，易与其它光学光电机械结构匹配等特点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电控液晶双模微透镜的控光芯片，其特征在于，包括面阵电控液晶双模微透镜；所述面阵电控液晶双模微透镜包括液晶材料层，依次设置在所述液晶材料层上表面的第一液晶初始取向层、第一电极层、电绝缘层、第二电极层、第一基片和第一增透膜，以及依次设置在所述液晶材料层下表面的第二液晶初始取向层、公共电极层、第二基片和第二增透膜；所述第一电极层由其上布有m×n元阵列分布的圆孔的一层匀质石墨烯膜构成，其中，m、n均为大于1的整数，所述公共电极层和第二电极层分别由一层与所述第一电极层同质的匀质石墨烯膜构成；所述面阵电控液晶双模微透镜被划分成m×n元阵列分布的单元电控液晶双模微透镜，所述单元电控液晶双模微透镜与所述圆孔一一对应，每个圆孔均位于对应的单元电控液晶双模微透镜的中心，形成单元电控液晶双模微透镜的第一上电极，所有单元电控液晶双模微透镜的第二上电极由所述第二电极层提供，所有单元电控液晶双模微透镜的下电极由所述公共电极层提供。

优选地，入射波束进入所述面阵电控液晶双模微透镜后，面阵电控液晶双模微透镜按照其中单元电控液晶双模微透镜的阵列规模和位置情况，将入射波束进行离散化分割，形成与各单元电控液晶双模微透镜对应的子入射波束各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子相互作用，被执行特定程度的汇聚或发散处理，得到具有聚光点形态的汇聚子出射波束或具有光环形态的发散子出射波束，各子出射波束耦合形成特定形态的出射波束从所述芯片输出；其中，所述公共电极层和第一电极层作为第一电极对，所述公共电极层和第二电极层作为第二电极对，所述第一电极对和所述第二电极对上分别加载第一和第二驱控电压信号V₂；通过调节V₁和V₂的频率或均方幅度，能使各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态或光发散模态，并在各单元电控液晶双模微透镜工作在光汇聚模态时，调变各汇聚子出射波束的焦长和点扩散函数，在各单元电控液晶双模微透镜工作在光发散模态时，调变各发散子出射波束的光环孔径、亮度和孔内消光比。