[发明专利]一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法。本发明液晶光学相控阵器件，自下至上依次包括：基底、阵列电极层、取向层、液晶层、取向层、导电层、基底；所述阵列电极层的每个电极上以及导电层上设置有亚波长阵列孔结构。本发明巧妙绕开了常规的技术思路，通过在导电层薄膜表面制备亚激光波长的增透阵列结构，实现需求激光波段的高透过性能，从而弥补当前液晶相控阵光束偏转器件在耐受激光功率方面的技术短板。该技术途径不仅可以有效降低激光能量在器件内部形成的热累积，又极大程度地提高了光能利用率，进而提升整个器件的功能性水平。

技术领域

本发明涉及一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法，属于高功率激光应用技术领域。

背景技术

当前，以激光技术为核心的激光雷达、光电对抗、空间光通信等领域已逐渐发展成熟，已成为国家重要的现代科技指标。液晶光学相控阵(LC-OPA)由于其小体积、低功耗、高精度指向、波束捷变、非机械偏转等优势，被广泛应用于激光空间光调制、高功率激光光束偏转等诸多领域。随着应用领域的不断拓展，所需LC-OPA器件的功能特性及其相关技术指标也在不断拔高。其中很重要的一个考量指标就是LC-OPA器件的耐受激光功率。近年来，LC-OPA器件能否耐受高激光功率已成为该领域的研究重点和难点，一旦突破该技术壁垒，高功率的LC-OPA将成为未来科技和军事的主流发展方向。

由于高功率激光相控阵技术在未来多方面科技和军事领域有着巨大的应用前景，因而对于该技术领域，国外一直处于技术封锁阶段，相关的公开和详细报道甚少。2007年3月，美国Raython公司公布其所研制的液晶光学相控阵的耐受功率达到了113W/cm²。2010年，美国空军实验室的国防报告指出，其所研制的液晶光学相控阵的耐受激光功率可达100W/cm²。相较国外，国内由于受到了材料、加工工艺的影响，高功率LC-OPA的相关研究更是少之又少。除了材料方面的努力，2018年，电子科技大学汪相如团队报道了基于硅片反射式的LC-OPA设计，通过耦合器件散热系统优化设计，在1064nm的连续激光加载下，器件的耐受功率达到了272.4W/cm²。然而该设计结构复杂，且器件耐受功率提升幅度也十分有限。

耐受激光功率对LC-OPA器件的功能使用影响极大。以LC-OPA移相器(光束偏转器件)为例，当器件经受高功率激光辐照时，光热效应会导致器件内部温度升高，并呈现一定的不均匀温度场分布。温度不均会导致器件内部液晶分子物理参量的改变，进而影响到液晶分子的预设旋转角度；不仅如此，当热累积温度超过液晶分子本身的清亮点时，液晶器件还会失去光学移相功能。图1为传统的LC-OPA移相器示意图。移相器主要由基板、导电层、取向层和液晶层四部分组成。其中，基板一般为低吸收的高纯熔石英材料；上下两层导电层用于对液晶层内部电场进行控制，导电材料一般选用氧化铟锡(ITO)等透明导电薄膜；取向层用于保证液晶分子拥有初始的指向矢排布，一般选用聚酰亚胺(PI)等聚合物薄膜。通过分析相控阵器件结构特点可以发现，器件在高功率激光作用下产生强吸收的材料主要是具有金属属性的ITO薄膜和具有高分子特性的PI薄膜。图2给出了不同激光功率加载下ITO薄膜和PI薄膜的温升情况，通过对比可以发现，PI耐受高功率激光的能力远高于ITO薄膜，在1000W/cm²的连续激光入射下，PI的温升仅提高了50℃左右，而在相同激光功率密度下，ITO温度可升至400℃以上并导致光热损伤的发生。从而可以判断，LC-OPA抗高功率激光的技术短板主要在于器件中的ITO导电层对连续激光场的透过性能。ITO薄膜的透过率与薄膜的厚度密切相关。不同厚度的ITO薄膜的光学透过率如图3所示，可以看出，即使50nm厚度的ITO薄膜，其在近红外波段的透过率也不足90％。