[发明专利]一种双周期复合液晶偏振光栅

说明书

本发明公布了一种双周期复合液晶偏振光栅结构及其制备方法，属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，主要针对传统液晶偏振光栅因需要将入射光转换成圆偏振光而带来的能量损失严重、结构复杂等问题。该双周期复合液晶偏振光栅是在对偏振态调制类光学元件深入理解的基础上提出的，它对于线偏振入射光具有良好的响应，只需要控制入射线偏振光的偏振方向，就可以使光束以近乎100％的衍射效率偏向+1级和‑1级。相较于之前已经实现的传统液晶偏振光栅在系统控制和装调方面更加简洁、能量利用率等方面有显著提升。

技术领域

本发明属于主动光电系统中的非机械式光束偏转技术领域，具体是指一种双周期复合液晶偏振光栅。

本发明涉及偏振光栅，并且更特别地涉及液晶偏振光栅的设计和相关器件的制作。

背景技术

液晶偏振光栅是一种能够实现大角度光束偏转的新型元件，基于光的偏振态调制和几何相位调制原理，它能够将圆偏振光以近乎100％的衍射效率偏向+1级或者-1级，偏转的方向取决于入射光的偏振态。按照工作方式分类，液晶偏振光栅可以分为有源液晶偏振光栅和无源液晶偏振光栅。有源液晶偏振光栅是指受电压控制的液晶偏振光栅，其一般与半波片组合使用，可以在电压和半波片控制下使光束以近乎100％的衍射效率偏向三个级次(0级和±1级)。无源液晶偏振光栅结构简单，但是需要精确控制液晶层的厚度，自身不能加电控制，光束无法直接透过(没有零级)。要想实像无源液晶偏振光栅的动态光束调控，必须将其与液晶波片结合使用，通过电控液晶波片用以实现对入射光的偏振态进行调制，从而控制入射到无源液晶偏振光栅上面光束偏向+1级或者-1级，实现动态电控光束偏转。

传统的激光都是良好的线偏光，为了实现光束偏转，需要将线偏光转换成圆偏光，这必然带来能量损失；另一方面，如果入射光不是良好的圆偏振光，而是椭圆偏振光，就无法使光束完全偏转到+1级或者-1级，而是存在两个级次。本发明提出的一种双周期复合液晶偏振光栅对于线偏振入射光具有良好的响应，只需要控制线偏振光的偏振方向，就可以使光束以近乎100％的衍射效率偏向+1级和-1级。相较于之前已经实现的液晶偏振光栅在系统控制和装调方面更加简洁、能量利用率等方面有显著提升。

发明内容

本发明的目的在于设计和制作一种双周期复合液晶偏振光栅，解决目前液晶偏振光栅因需要将入射光转换成圆偏振光而带来的能量损失严重、结构复杂等问题。

一种双周期复合液晶偏振光栅，其特征在于：该双周期复合液晶偏振光栅包括两层周期满足二倍关系的液晶层，第一层液晶周期为Λ，厚度为d，第二层液晶周期Λ′＝Λ/2，厚度为d′＝d/2，两层光栅配合调制偏振态，最终实现动态光束偏转的控制。

一种双周期复合液晶偏振光栅，其结构包括如下部分：

光控取向基板：用于旋涂光控取向膜和对液晶分子施加电场，电场方向垂直于基板平面；

光控取向膜：经激光照射后发生光交联反应，诱导液晶分子取向；

液晶：包括向列相液晶和聚合物液晶。

本发明中光控取向基板可以选择导电或者不导电，这取决于要制作的光栅是有源或者无源。

本发明中液晶层被分为两层，第一层周期为Λ，厚度为d；第二层周期Λ′＝Λ/2，厚度为d′＝d/2。

本发明中双周期复合液晶偏振光栅薄膜第一层液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶分子的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：

式中代表x位置处第一层液晶分子的指向矢，Λ是双周期复合液晶偏振光栅第一层的周期。

本发明中双周期复合液晶偏振光栅薄膜第二层液晶分子沿基板平面周期性排布，液晶分子的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：