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大偏转角液晶偏振光栅的研究

【摘要】:液晶偏振光栅是由液晶分子排列成180°扇柱形的周期性纳米结构器件,能够对入射光束施加某一截面直径方向上的连续变化位相使光束发生一级衍射而偏转,当光波长确定时,光栅周期越小,光束偏转角越大。理论预言光束可以100%出射在+1级或-1级衍射级次上,且偏转角范围可达到±40°。相比于其他非机械式光偏转技术,具有体积小、重量轻、偏振选择性的特点,在激光通信、遥感监测、VR与AR穿戴设备等领域中有着应用潜力巨大。目前的问题是液晶偏振光栅的周期难于做到小于2微米,故对于可见光波段的光束偏转角一般难于超过15°,而很多应用场合要求光束偏转范围要超过20°,另外对于1550nm常用光通讯波长,小周期液晶偏振光栅的偏转光束能量效率又太低,致使应用受限,而具体工艺国际上尚未报导,其光场衍射特性也不清楚。本论文针对以上问题展开了研究。对取向液晶的光控取向膜材料进行性能比对,以光控取向膜中光反应基本完毕为基准,得到最佳曝光时间,再以光反应总量为基准判断取向膜的锚定能力。发现OPA51国产材料相对一直使用的ROP进口材料来说曝光时间可以从18分钟减少到7分钟,并在液晶偏振光栅制备实验中证实OPA51光控取向膜具有足够的锚定能,确定作为本实验室今后使用的光控取向膜。针对制备光路中两相干圆偏振光束的光主光线是分开的、且光束截面光强呈高斯分布,使叠加光场边缘处的两相干光有光强差异,造成叠加光场的线偏振态椭偏化,使边缘处光栅条纹对比度下降。计算了两束相干光在非等光强下叠加光场的椭偏化程度,并且设计实验分析了在椭圆偏振光曝光下液晶分子取向度的下降得出两相干光的光强比值大于1.2时液晶的取向度明显下降,造成液晶偏振光栅的条纹对比度明显下降。因此应该严格限定两相干光的光强比在1.2~1.0之间,避免因为叠加光场椭偏化造成的液晶偏振光栅质量下降。另外,制备周期小于5μm光栅时两相干光主光线分开距离加大,使制备出的光栅有效面积大幅减小,提出解决的对策:将制备光路中小孔光阑后的透镜焦距加长,使相干光束光强分布的高斯曲线扁平化,从而增大叠加光场的有效面积。在制备小周期液晶偏振光栅过程中还发现光控取向膜只能诱导很薄的一层液晶呈扇柱形取向,被诱导取向的液晶层临界厚度(?)主要受光栅周期的约束,光栅周期越小液晶的扇形展曲弹性能越大,能被诱导取向的液晶临界层厚度(?)就越小,且(?)与光栅周期Λ的约束关系还会由于光控取向膜材料不同而不同,对于本研究所用的OPA51光控取向膜,实验测得的液晶层临界厚度(?)≈0.1Λ。然而偏振光栅折束器中的液晶层厚度d还必须满足(?)的条件才能达到最佳衍射效率,受衍射效率约束的液晶层厚度d远大于能被诱导取向的液晶层临界厚度dc。为此提出旋涂多层液晶、逐层光控取向的工艺,利用丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)作为溶剂稀释液晶聚合物,使液晶层旋涂厚度可以减少到100nm,同时多层液晶旋涂后能够保持15mm以上直径的无缺陷光栅面积,制备出2周期、口径14mm×14mm的液晶偏振光栅折束器,使532nm激光的偏转角达到±15°、衍射效率高达98%,达到同类器件的文献报道最好水平。模拟计算表明:当入射光波长与光栅周期的几何长度接近时衍射效率会大幅下滑,如用光通讯中常用的1550nm激光入射2周期的光栅折束器时衍射效率骤降到30%,入射3周期的光栅折束器时衍射效率回升到66%,虽然偏转角达到31°,但这样的能量效率是激光通讯应用中所不能接受的。因此要继续加大出射偏转角,一味减小光栅周期的做法是行不通的,只能采用光栅级联的办法。通常每级联一个光栅都要插入一个半波片,本研究将相邻两个光栅的扇柱旋转方向反向,即可省去每级光栅前插入的半波片,减少界面损耗,减薄折束器的厚度。当光束通过第一级光栅再进入第二级光栅时产生了倾斜入射问题,不仅导致衍射效率大幅下降,且+1级和+1级的效率差距很大,而增大第二级光栅的周期可减轻这个问题。经过优化处理,级联折束器的设计应该是第一级为小周期光栅、第二级为大周期光栅,如第一级采用4.5μm周期光栅、第二级采用8μm周期光栅,对1550nm激光的级联折束器的偏转角可达31°,其+1级和-1级的衍射效率分别为83%和75%,是可以接受的能量效率以及能量差距。通过本论文的研究,有效挖掘了液晶偏振光栅在激光雷达、激光通信等工程领域中的应用潜力,加速了工业化进展。

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