[发明专利]基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法

说明书

本发明公开了一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法，属于非机械式光束调控技术领域，其中宽波段偏振转换器包括：沿入射方向依次分布的玻璃基板、取向膜和对称多层扭曲液晶层；对称多层扭曲液晶层包括M个液晶层的扭曲角大小和厚度特性分别相对于镜面对称轴成镜面对称分布，且互相对称的两个液晶层的扭曲角的方向相反，当M为奇数时，镜面对称轴所在的液晶层的扭曲角为零，其中M≥2。本发明的宽波段偏振转换器能够结合有效快轴方向的图案化控制形成宽带几何相位光学元件，也能单独作为消色差的波片使用，应用前景广阔；本发明的优化方法结合庞加莱球就能够快速得到具体优化参数，相较于数值优化方法更加直观和迅速。

技术领域

本发明属于非机械式光束调控技术领域，特别是涉及一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法。

背景技术

传统上，波片是实现偏振转换的有效手段，通过控制波长和厚度的关系来调控延迟量，进而改变出射偏振态。传统的几何相位元件可以看作是图案化处理的波片组合，通过几何相位全息实现偏振态调制。但是对于一些需要在宽波段范围调控偏振态的光学应用，如近眼显示、增强现实显示等，传统几何相位元件由于存在工作波段窄、视场角小等问题已经无法满足需求。基于多层扭曲结构的聚合物液晶层是其中一种实现宽波段调控偏振态的理想材料。更重要的是，基于多层扭曲液晶层实现的宽波段圆偏振转换器能够很容易地转换成超宽波段几何相位元件。本发明提供的基于对称多层扭曲液晶的宽波段圆偏振转换器就是为超宽带几何相位元件的实现提供更加快捷的设计方法和手段。

发明内容

本发明的目的在于针对输入与输出实现偏振态对称切换的需求，提出一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法，解决目前几何相位元件工作波段窄、视场角小等问题。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器，包括沿入射方向依次分布的玻璃基板、取向膜和对称多层扭曲液晶层；

所述对称多层扭曲液晶层包括4个液晶层，4个液晶层的扭曲角大小和厚度特性分别相对于所述对称多层扭曲液晶层的镜面对称轴成镜面对称分布，且互相对称的两个液晶层的扭曲角的方向相反；

沿入射方向依次分布的4个液晶层的厚度分别记作d₁～d₄，对应的扭曲角分别记作Φ₁～Φ₄，厚度d₁～d₄和扭曲角Φ₁～Φ₄的取值范围如下：

d₁＝d₄∈[0.3171/Δn(λ_mid),0.3941/Δn(λ_mid)]

Φ₁＝-Φ₄∈[29.6,105.7]

d₂＝d₃∈[0.1225/Δn(λ_mid),0.2057/Δn(λ_mid)]

Φ₂＝-Φ₃∈[66.3,86.4]

其中，Δn(λ_mid)为所述宽波段偏振转换器的设计波段[λ₁,λ₂]内的一个中间波长λ_mid对应的双折射率。