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基于可调剪切干涉曝光方法的大口径液晶偏振光栅制备

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液晶与显示 2024年第5期39卷 602-609页

作者：沈浩段佳陈一波乔冉李大鹏曾建成沈志学赵祥杰张大勇中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

为了解决传统偏振全息干涉方法受限于过长的光路难以制备长周期的大口径液晶偏振光栅的问题,提出了基于液晶偏振光栅模板的可调剪切干涉曝光方法,并通过理论分析了制备偏振光栅的周期随模板方位角及沿光轴轴向位置的变化。利用小口径高... 详细信息

为了解决传统偏振全息干涉方法受限于过长的光路难以制备长周期的大口径液晶偏振光栅的问题,提出了基于液晶偏振光栅模板的可调剪切干涉曝光方法,并通过理论分析了制备偏振光栅的周期随模板方位角及沿光轴轴向位置的变化。利用小口径高效液晶偏振光栅作为模板搭建可调剪切干涉曝光光路,并基于此制备了数十微米周期的200 mm口径液晶偏振光栅,平均衍射效率达到99%以上,平均周期约为59.86μm,周期分布不均匀性约为0.07%。实验结果表明,调剪切干涉曝光方法能够制备大口径的长周期偏振光栅,周期和效率分布均匀,还具备周期易于调节、结构紧凑和抗振动干扰强等优势。

关键词：液晶偏振光栅长周期可调剪切干涉曝光大口径

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基于液晶偏振光栅的长波红外偏振成像研究

航空学报 2024年

作者：钟子迪郭琦涂智军赵慧洁王森博北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京控制工程研究所空间光电测量与感知实验室北京航空航天大学空天光学-微波一体化精准智能感知工业和信息化部重点实验室北京航空航天大学人工智能研究院北京航空航天大学北航青岛研究院

采用新型偏振分光元件——液晶偏振光栅，设计了长波红外偏振成像方案，实现了长波红外液晶偏振光栅的制备，并对该方案进行了实验验证。分析了基于液晶偏振光栅的偏振成像光路中有效成像视场角与所用光栅周期的关系，计算得出在实验光... 详细信息

采用新型偏振分光元件——液晶偏振光栅，设计了长波红外偏振成像方案，实现了长波红外液晶偏振光栅的制备，并对该方案进行了实验验证。分析了基于液晶偏振光栅的偏振成像光路中有效成像视场角与所用光栅周期的关系，计算得出在实验光路参数下最大视场角对应的最佳光栅周期；使用Mueller矩阵推导了光路中偏振态的转化，根据偏振态转换矩阵设计了分时偏振成像方案，并针对误差传递控制对成像方案参数进行优化。基于液晶光控取向技术制备液晶波片，使用所制备波片测量了液晶在8.6-12μm波段的双折射率和7.5-12μm波段的透过率；基于测得的液晶材料特性和计算所得最佳光栅周期，选取光栅参数并制备液晶偏振光栅，测量了所制备长波红外液晶偏振光栅在8.6-12μm波段的衍射效率，在10μm附近达到90%以上的衍射效率；使用制备的长波液晶偏振光栅搭建偏振成像光路，按设计方案进行分时偏振成像，对所得图像进行预处理，解算偏振信息并与预设数值比较，实现了小于1°的偏振角测量误差。

关键词：液晶偏振光栅偏振分光偏振成像长波红外成像红外偏振成像

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液晶偏振光栅斜入射下光束偏转技术研究

液晶偏振光栅斜入射下光束偏转技术研究

作者：郑青泉西安工业大学

学位级别：硕士

液晶偏振光栅是一种基于几何相位的衍射光学元件,具有体积小、重量轻、可编程控制等特点,在激光雷达、空间光通信、自动驾驶等领域有着广泛的应用,其通过电控方式改变液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态,实现非机械式光束偏转,克... 详细信息

液晶偏振光栅是一种基于几何相位的衍射光学元件,具有体积小、重量轻、可编程控制等特点,在激光雷达、空间光通信、自动驾驶等领域有着广泛的应用,其通过电控方式改变液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态,实现非机械式光束偏转,克服了传统机械式光束偏转系统体积大、功耗高、控制系统复杂的缺点。然而,单片液晶偏振光栅只能偏转三个角度,为实现多角度与大视场的光束偏转,需要将多片液晶偏振光栅级联使用。但是级联技术会导致光束倾斜入射到后面的液晶偏振光栅,此外,在实际工程应用中,系统装调不匹配会造成入射光倾斜入射到级联系统,这两种情况都会造成液晶偏振光栅工作电压改变与衍射效率下降。因此,本文开展了液晶偏振光栅斜入射下光束偏转技术的研究。论文主要工作如下:研究了液晶偏振光栅光束偏转机理与衍射特性,首先探究了液晶的各向异性和连续弹性体形变理论,明晰了光的偏振及其表示方法;然后从制备原理出发,研究了液晶偏振光栅的基本结构,探索了液晶偏振光栅的光束偏转机理;最后研究了液晶偏振光栅的电光特性,结合琼斯矩阵推导出垂直入射下液晶偏振光栅相位延迟量与衍射效率的关系,分析了垂直入射下液晶偏振光栅的衍射特性,为斜入射下液晶偏振光栅光束偏转技术研究提供理论支撑。研究了斜入射下液晶偏振光栅光束偏转特性,分析了液晶盒厚度、双折射率和菲涅尔损耗对液晶偏振光栅衍射效率的影响,提出了一种液晶偏振光栅斜入射下衍射效率分析方法。该方法在液晶连续体弹性形变理论基础上,采用差分迭代法求解了驱动电压与液晶分子倾斜角的关系,推导了不同斜入射角度下液晶偏振光栅的相位延迟量,利用扩展琼斯矩阵表征了不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率,结合矢量衍射理论,得到了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的数学表达式。搭建斜入射下液晶偏振光栅衍射效率测试实验平台,对所提方法进行了验证。结果表明:通过该方法可定量求解出不同斜入射角度下液晶偏振光栅最优衍射效率与最优工作电压。开展了级联式液晶偏振光栅设计与斜入射下系统性能研究,探索了二进制、二进制和值及类二进制级联方案,对三种方案的液晶器件个数、系统透过率、最大偏转角进行了对比分析,设计了基于类二进制的光束偏转系统,实现了最大偏转角度为10.05°,角度分辨率为0.67°的光束偏转;研发了级联系统的多路可编程驱动器与控制软件,提出了一种级联液晶偏振光栅斜入射下光束偏转特性分析方法,利用该方法分析了入射光束倾斜与级联系统内部的斜入射对系统衍射效率和工作电压的影响。通过实验对两种斜入射情况进行了验证。结果表明:当光束垂直入射时,由于级联内部结构造成的斜入射,导致级联系统在不同偏转角度下,出射光束的衍射效率也不相同,并且随着光束偏转角度的增大,液晶偏振光栅的工作电压逐渐增加,在光束偏转10.05°时,系统斜入射角度为4.69°,工作电压增加了0.1V,通过修正工作电压衍射效率提高了3%;当光束倾斜10°入射到级联系统时,工作电压变化了0.2V,系统衍射效率降低了17.4%,通过修正工作电压衍射效率提高了5%。

关键词：液晶偏振光栅斜入射光束偏转技术衍射效率扩展琼斯矩阵

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斜入射下液晶偏振光栅衍射特性研究

红外与激光工程 2022年第7期51卷 346-354页

作者：郑青泉王春阳王子硕王增康丁西安工业大学兵器科学与技术学院陕西西安710021 长春理工大学电子信息工程学院吉林长春130022

为了表征光束倾斜入射下液晶偏振光栅的衍射特性,提出了液晶偏振光栅斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型建模方法。该方法利用吉布斯自由能方程,求解液晶分子指向矢,得到驱动电压与液晶分子倾斜角的表达式,推导出斜入射角度与相位... 详细信息

为了表征光束倾斜入射下液晶偏振光栅的衍射特性,提出了液晶偏振光栅斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型建模方法。该方法利用吉布斯自由能方程,求解液晶分子指向矢,得到驱动电压与液晶分子倾斜角的表达式,推导出斜入射角度与相位延迟量之间的关系,结合扩展琼斯矩阵表征不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率,通过矢量衍射理论,建立了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型。该模型不仅可以定量求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅衍射效率,而且能够实现衍射效率最优时驱动电压的标定。通过仿真分析和实验对该模型的有效性进行了验证,结果表明:光束入射角度从0°倾斜到10°时,最优驱动电压由2.2 V降低到2.0 V,液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到78%;光束入射角度从0°倾斜到-10°时,最优驱动电压由2.2 V升高到2.4 V,液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到74%。

关键词：液晶偏振光栅指向矢扩展琼斯矩阵斜入射衍射效率

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正交级联液晶偏振光栅角度偏转模型

光子学报 2021年第11期50卷 261-270页

作者：刘壮王启东王超史浩东长春理工大学空间光电技术研究所长春130022 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033

目前正交级联液晶偏振光栅使用过程中的偏转角度均被认为是其角分辨率的整数倍,实际使用过程中,正交级联液晶偏振光栅的偏转角度与设计角度存在一定偏差。针对该问题,给出了正交级联液晶偏振光栅偏转角度计算模型。首先根据单片液晶偏... 详细信息

目前正交级联液晶偏振光栅使用过程中的偏转角度均被认为是其角分辨率的整数倍,实际使用过程中,正交级联液晶偏振光栅的偏转角度与设计角度存在一定偏差。针对该问题,给出了正交级联液晶偏振光栅偏转角度计算模型。首先根据单片液晶偏振光栅角度偏转理论,推导出级联液晶偏振光栅偏转角度公式,然后进一步推导出二维正交级联液晶偏振光栅角度偏转模型,分析了二维正交级联液晶偏振光栅角度偏转范围与角间隔之间关系,分别计算出满足一定角度范围的角间隔,满足一定角度间隔的角度范围以及同时满足角度范围、角度间隔的设计角间隔。最后分别利用光学设计软件建立了精度为0.001°的软件模型并构建测量精度为0.1°的实物测试系统,证明了角度偏转模型的准确性。

关键词：衍射光学液晶偏振光栅正交级联角度范围角度间隔

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正交级联液晶偏振光栅的收发分离结构设计

红外与激光工程 2021年第11期50卷 228-235页

作者：刘壮王启东史浩东王超秦欢长春理工大学空间光电技术研究所吉林长春130022 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室吉林长春130033 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转,在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景,其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光,如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题,文中根据1/4波片、1/2波片... 详细信息

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转,在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景,其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光,如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题,文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化,验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构,构建了测试系统,最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。

关键词：光学设计液晶偏振光栅正交级联偏振态透过率

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基于液晶偏振光栅的纳米位移测量实验

物理实验 2023年第7期43卷 56-61页

作者：朱梓雯图英楠左一冉司一童张皓祎章恩韬刘通航天工程大学航天信息学院北京101400 航天工程大学宇航科学与技术系北京101400

利用光的偏振特性设计了基于液晶偏振光栅的纳米位移测量实验方案.利用液晶偏振光栅的特性,将两平行放置偏振光栅的横向相对位移转换为入射线偏振光的偏振方向旋转,通过马吕斯定律得到偏振方向转角,计算出的微小位移达到nm量级.

关键词：微小位移偏振液晶偏振光栅马吕斯定律

基于液晶偏振光栅的非机械式光束偏转技术研究

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基于液晶偏振光栅的非机械式光束偏转技术研究

作者：曹汉长春理工大学

学位级别：硕士

光束偏转技术是空间激光通信中最为核心的技术之一。传统的机械式光束偏转系统存在功耗高、体积大、机械惯性等问题,不能满足空间激光通信系统目前所需求的低功耗、高精度、高效率等条件。以液晶偏振光栅为基础的液晶光束偏转系统的出现... 详细信息

光束偏转技术是空间激光通信中最为核心的技术之一。传统的机械式光束偏转系统存在功耗高、体积大、机械惯性等问题,不能满足空间激光通信系统目前所需求的低功耗、高精度、高效率等条件。以液晶偏振光栅为基础的液晶光束偏转系统的出现,成为解决以上各种问题的一条新出路,更符合现阶段空间激光通信系统的需求。液晶偏振光栅是液晶分子取向沿基板平面周期性排布,可在光栅周期内通过电控使液晶分子指向发生旋转的光栅器件。该光栅理论的偏转效率可达到100%,制备流程相对简单,器件的成型率较高,然而目前国内对于液晶偏振光栅的相关研究罕有报道,需要投入更多的精力来填补该领域的技术空白。本文探究了液晶光控取向技术的优势,并基于光控取向技术,设计出包含TFTTNLCD写入单元和偶氮染料SD1取向转印读出单元组合的液晶光阀系统,实现了对液晶光阀读出单元的高对比度强度调制。制备出了达到90.2%的±1级衍射效率,通过控制液晶单元盒厚,将施加0电压下0级衍射效率控制在5%左右。本论文定量化地研究了施加电压对衍射效率的影响,利用此方式,可以通过调制入射光的偏振态和施加电压大小,对液晶偏振光栅3个级别的衍射达到理论上的控制程度。探明零级衍射光的偏振方向,并定性的研究了非零级衍射光的偏振。通过对非零级衍射光偏振特性的研究,我们也发现,使用外加电压不仅可以控制各级衍射光的强度,同时也可以控制各级偏振光的偏振,为液晶偏振光栅进一步的研究奠定了基础。

关键词：空间激光通信非机械式光束偏转液晶偏振光栅光控取向

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物性参数对液晶偏振光栅特性的影响

液晶与显示 2020年第12期35卷 1222-1233页

作者：陈雨诺罗炜程鄢宏杰陈鹭剑厦门大学电子科学与技术学院福建厦门361005 厦门城市职业学院福建厦门361008

随着现代社会对数据存储容量和信息处理速度要求的不断提高,更加小型化、集成化的平面光学器件受到了广泛的关注。作为一种典型的可以进行几何相位调制的液晶器件,液晶偏振光栅具有衍射效率高、偏转角度大、响应时间短等优势,已经展现... 详细信息

随着现代社会对数据存储容量和信息处理速度要求的不断提高,更加小型化、集成化的平面光学器件受到了广泛的关注。作为一种典型的可以进行几何相位调制的液晶器件,液晶偏振光栅具有衍射效率高、偏转角度大、响应时间短等优势,已经展现出了非常大的应用潜力。然而,目前液晶偏振光栅在设计制备过程中还存在许多与电光性能相关的问题,限制其走向实际应用。实现液晶偏振光栅衍射特性的调控需要满足一些先决条件。本文通过选取合适液晶偏振光栅的弹性连续体模型,主要研究改变液晶材料的物性参数如弹性常数、介电常数等在强、弱两种锚定条件下对临界盒厚和阈值电压的影响。并给出了针对不同应用要求的液晶偏振光栅的制备过程中,关于液晶材料物性参数选择的理论参考依据。

关键词：液晶偏振光栅锚定条件弹性连续体模型物性参数