一种复合零级的液晶波片设计方法技术

一种复合零级液晶波片，该发明专利技术是由一个向列相液晶波片和波片表面镀制一层双折射薄膜构成，可以实现电控相位延迟量从最大值到零以及从零到最大值之间的连续可调，可用于光通信、光信息处理和偏振光谱成像等领域。所述复合零级的液晶波片主要包括向列相液晶盒，以及有效光轴方向与前者光轴垂直的双折射薄膜组成。该器件基于向列相液晶电控双折射原理，通过合理的结构设计和电压驱动，使得双折射薄膜的相位延迟量对液晶波片在高电压条件下的残余相位延迟量进行补偿，实现整个器件的相位延迟量能够从最大延迟量到零以及从零到最大延迟量的连续调谐。迟量的连续调谐。迟量的连续调谐。

【技术实现步骤摘要】
一种复合零级的液晶波片设计方法


[0001]本专利技术涉及的复合零级的液晶波片，是基于向列相液晶的电控双折射效应，通过液晶波片和双折射薄膜匹配设计，使得两者在液晶波片的特定电压作用下完全相位互补，实现对入射光的相位延迟量进行从最大值到零，以及从零到最大值之间的连续调谐。

技术介绍

[0002]波片在光通信、光信息处理和偏振光谱成像等领域有着广泛的应用。液晶分子由于具有电控可调特性，利用液晶材料来设计和制备的波片，可通过电压控制液晶分子的双折射来实现对光的相位延迟量。它具有驱动电压低、功耗小、响应速度快、抗干扰能力强、无机械振动等优点，因而受到了广泛应用。对于其他复合零级的液晶波片，使用的是双层向列相液晶或者单层向列相液晶与晶体波片胶合来实现，前两者都增加了器件的工艺复杂程度，同时引入了元件抗激光损伤能力等光学性能下降的缺点。

技术实现思路

[0003]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提出一种复合零级液晶波片，包括向列相液晶波片和双折射薄膜，液晶波片的光轴方向与双折射薄膜的有效光轴方向相互垂直进行相位补偿，实现相位延迟从最大值到零，以及从零到最大值的连续调谐。利用在向列相液晶波片的玻璃基板表面镀制一层双折射薄膜来进行液晶波片在高电压作用下的残余相位延迟量的补偿，使该液晶波片实现从最大值到零以及从零到最大值之间的连续调谐。
[0004]本专利技术的技术解决方案是：
[0005]一种复合零级液晶波片，其特点在于，包括向列相液晶波片和双折射率薄膜，所述的双折射薄膜的有效光轴方向与所述的向列相液晶波片的光轴方向相互垂直，在外加电场驱动下，利用双折射薄膜的相位延迟会对向列相液晶波片的加电后的残余相位延迟量进行补偿。
[0006]还包括：
[0007]沉积氧化铟锡(ITO)薄膜的玻璃基板：为向列相液晶提供交流驱动电压的平面电极，使向列相液晶分子在不同电压驱动下能够旋转运动。
[0008]液晶配向层：引导液晶在其表面进行有序排列，形成液晶分子的初始位置和状态。
[0009]向列相液晶：液晶盒的厚度由掺杂间隔离子的框胶决定；在两个反向配向的配向膜层的引导下，形成有序排列，使得液晶层相对于入射光通过液晶盒后具有最大的相位延迟量。
[0010]所述的向列相液晶波片是基于液晶的电控双折射原理而制成的。向列相液晶分子呈棒状结构，其具有单轴双折射性特性。当一束线偏振光垂直入射到液晶波片上时(光轴平行于表面)，使入射光的偏振方向与液晶分子光轴夹角为45
°
，可分解为垂直光轴方向和沿光轴方向的振动方向相互垂直的o光和e光，其折射率分别为no和ne，通过液晶时的相位差为δ＝2πΔnd/λ(Δn＝ne
‑
no)。当不加电压时，液晶分子平行排列，双折射Δn最大，相位延
迟量最大。当在液晶盒上加载交流电压后，液晶分子沿电场方向发生转动，相位差也发生变化。因此，通过改变液晶盒上下平面电极之间的电压可连续调节液晶光轴的指向，从而实现入射光相位延迟的连续可调。
[0011]在液晶盒没有镀制双折射薄膜进行相位补偿时，采用如图3所示的测试系统进行相位延迟量的电压调谐特性测试，结果如图4所示。液晶盒上所加足够大电压V2时(譬如20伏特)，由于液晶分子在配向膜的作用下仍然残留一定的相位延迟量。
[0012]在液晶盒表面镀制了有效光轴与液晶盒光轴垂直的双折射薄膜后，该双折射薄膜自身的相位延迟量可以与液晶波片的残余相位延迟量进行补偿，使得液晶盒上加载电压V2时，液晶相位可调延迟器的延迟量变成了零。这样，液晶相位可调延迟器的相位变化就可以在液晶盒阈值电压V1和电压V2之间实现相位延迟量最大值与零之间连续调谐，测试结果如图5所示。
[0013]本专利技术与现有零级向列相液晶波片相比优点在于：本专利技术采用在液晶波片的玻璃基片表面加镀一层双折射薄膜来替代额外的向列相液晶盒或者胶合晶体波片，具有结构简单，而且该双折射薄膜还可以和液晶波片需要的增透膜组合在一起设计，克服了由于复杂设计和制备工艺引入的元件抗激光损伤阈值等光学性能下降的缺点。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的复合零级的液晶波片在未加交流电时的结构示意图；
[0015]图2为本专利技术的复合零级的液晶波片在加载交流电时的结构示意图；
[0016]图3为本专利技术的液晶波片的光轴和双折射薄膜光轴的补偿示意图；
[0017]图4为本专利技术的液晶波片的测试光路示意图；
[0018]图5为本专利技术的无双折射薄膜补偿时液晶波片的相位延迟量的电压响应曲线；
[0019]图6为本专利技术的有双折射薄膜补偿时液晶波片的相位延迟量的电压响应曲线；
[0020]图7为本专利技术的有双折射薄膜与增透膜组合膜系设计的透射曲线；
具体实施方式
[0021]下面结合附图是实施例对本专利技术的技术方案进一步描述，但不应以此限制本专利技术的保护范围。
[0022]请参阅图1，图1为本专利技术的复合零级的液晶波片在未加交流电时的结构示意图，如图所示，包含玻璃基板1、氧化铟锡(ITO)薄膜2，液晶配向膜3，框胶4、液晶5和双折射薄膜6。本实施设计一款用于632.8nm激光，可调谐相位延迟量为0.5波长的复合零级液晶波片。用于调控经过该元件传输的光场的相位。液晶分子在与配向膜的相互作用下，随液晶配向膜的方向排列。均匀排列的向列相液晶分子在光学上表现为单轴双折射特性，其光轴与液晶分子在液晶盒中的配向方向一致。当给液晶分子施加电压后，所有液晶分子长轴会趋向电场方向排布，使得有效双折射逐步减小，及液晶波片所带来的相位延迟量变小。
[0023]采用双折射率Δn(＝ne
‑
no)为0.18的向列相液晶，液晶盒厚为3微米，则最大相位延迟量设计值δ(＝2πdΔn/λ)为0.85个波长。液晶盒的上下玻璃基板上的ITO薄膜为平面电极，ITO薄膜表面的配向膜采用水平配向。
[0024]波片的测试光路如图4所示，将平行配向的液晶盒置于两块正交的偏光镜之间，且
液晶指向矢与两个偏振方向夹角均为45。时，通过改变加在液晶盒上的电压，可以改变液晶的双折射率。于是导致入射光偏振态的变化，从而使一部分光透过检偏器。为了得到相位与电压的依赖关系，设定偏振片相互正交(即起偏器的透过轴为竖直方向，检偏器的透过轴方向为水平方向)，以及液晶波片的慢轴方向为45。这里测试激光采用氦氖激光器，偏振片及功率的工作波长均涵盖632.8nm激光波长。
[0025]在没有镀制双折射薄膜进行相位补偿的液晶波片的测试结果如图5所示，当电压高于液晶盒阈值电压V1时，相位延迟量快速减小；当电压继续加到V2＝15V时，相位延迟量不再明显减小，而是趋于稳定，这就是液晶盒的残余相位延迟量，该样品的残余相位延迟量为10nm。
[0026]在液晶盒上玻璃表面采用倾斜沉积的工艺镀制1000nm，其有效光轴方向8与液晶盒的光轴方向7垂直(如图3所示)，薄膜的双折射率Δn为0.013，则薄膜的相位延迟量为13nm。该相位延迟量大于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合零级液晶波片，其特征在于，包括向列相液晶波片和双折射率薄膜，所述的双折射薄膜的有效光轴方向与所述的向列相液晶波片的光轴方向相互垂直，在外加电场驱动下，利用双折射薄膜的相位延迟会对向列相液晶波片的加电后的残余相位延迟量进行补偿。2.如权利要求1所述的复合零级液晶波片，其特征在于，利用向列相液晶的电控双折射效应，实现入射光的相位延迟量从零到最大值和最大值到零的连续调谐。3.如权利要求1所述的复合零级液晶波片，其特征在于，所述的双折射薄膜通过倾斜沉积无机介质薄膜的方式来实现。4.如权利要求1
‑
3任一所述的复合零级的液晶波片，其特征在于，所述的双折射薄膜的相位延迟量根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，莫之畅，赵元安，刘晓凤，欧少忠，王焜，李大伟，邵宇川，邵建达，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：