[发明专利]一种液晶偏振光栅周期调控方法

说明书

一种液晶偏振光栅周期调控方法，提供了一种基于单次曝光制备方案的周期调控方法。首先，通过改变曝光光路中偏振调制元件的楔角以及摆放角度实现对曝光光束偏振分布的有效控制。进一步的，通过改变基板倾角实现液晶偏振光栅周期的调控。所述方法在于通过改变曝光光路结构参数包括棱镜楔角、曝光光束入射角、基板倾角，实现曝光过程中对液晶偏振光栅的周期精确调控。该方法的优点在于可调光栅周期范围大，调节灵活性高，曝光稳定性高，制备流程简单且成本低。为基于偏振调控的液晶偏振光栅单次曝光制备方案提供优化。

技术领域

本发明涉及的单次曝光制备液晶偏振光栅的周期调控方法，是一种可实现对液晶偏振光栅周期进行灵活调控的新型方法。本发明属于光学元器件的制造技术领域，特别涉及一种通过改变曝光光路结构参数以实现调控液晶偏振光栅周期的方法。

背景技术

液晶偏振光栅作为一种新型的衍射光学元件，将偏振分离和光束偏转功能结合在一层液晶薄膜中，附着在透明基底上。液晶偏振光栅根据入射光的偏振态，可在±1级次之间调控衍射光的偏振态及能量分布。当液晶膜层厚度满足半波条件时，可实现极高的衍射效率。

在实际应用中，不同应用场景对光栅衍射角有不同的需求。由衍射光栅方程可知，液晶偏振光栅衍射角的大小由光栅周期决定。液晶偏振光栅中液晶分子的指向矢在一维方向上呈正弦式周期排列，指向矢每变化180°为一个光栅周期，在偏光显微镜下对应两个亮暗条纹，如图1所示。

在制备过程中，光敏材料被曝光光束照射后，根据曝光光束的偏振态进行取向，进而凭借其特性诱导液晶分子定向排列，最终实现液晶偏振光栅的结构。光栅周期大小是在曝光过程中被确定，因此，较大的周期制备范围及精准的周期调控能力成为液晶偏振光栅曝光方法追求两个关键指标。

目前较为常见的曝光方法为双光束干涉法。双光束干涉曝光法常用于制备周期范围在微米级及亚微米级的小周期偏振光栅。双光束干涉法需要较小的干涉角以及较长的曝光距离实现大周期光栅的制备，因此，存在制备几十微米甚至上百微米的大周期液晶偏振光栅困难的问题。此外，在制备不同周期的偏振光栅时，双光束干涉法对光路参数精确度以及环境的稳定度要求较高。基于双折射元件的曝光法可以通过改变棱镜楔角、基板倾角、棱镜入射角等光路结构参数来调控光栅的周期大小，能够在简单的光路中实现周期达几十微米至上百微米偏振光栅的制备；除此之外，相比于其他曝光方法，该方法可调光栅周期范围大，调节灵活性高，曝光稳定性高，制备流程简单且成本低。

发明内容

本发明的技术方案是：一种液晶偏振光栅周期调控方法，基于双折射棱镜的单次曝光光路，通过调整曝光光路中的偏振调制元件实现对曝光光束偏振分布的有效控制，通过改变基板倾角实现偏振光栅周期的灵活调控。

本发明的具体实现方法为：按照图2所示光路图搭建曝光光路。建立三维直角坐标系，以曝光光束前传播方向为Z轴，设定双折射棱镜处于初始摆放位置时，其与光轴方向平行的直角面垂直于Z轴，此时，定义棱镜光轴方向为Y轴，与Y-Z平面垂直的方向为X轴。

该曝光光路特征在于：包括

激光器：作为光源为光路提供曝光光束；

偏振片：将曝光光束调制成偏振方向与棱镜光轴夹角为45°的线偏振光；

扩束镜：用于扩束并准直曝光光束；

置于旋转台1上的双折射棱镜：使入射棱镜的曝光光束产生双折射，进而产生具有一定夹角的o光与e光；

四分之一波片：将出射棱镜的曝光光束调制成偏振方向沿光轴方向连续变化的线偏振光；

置于旋转台2上的基板：用于承载经旋涂光敏材料溶液后所形成的光控取向层。

所述的单次曝光光路，由激光器发出的曝光光束传播过程中依次经过：偏振片、扩束镜、置于旋转台1上的双折射棱镜、四分之一波片，被调制为沿Y轴方向连续变化的线偏振光照射到置于旋转台2上的基板诱导光敏材料取向；