基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转

袁方; 谭庆贵; 王光耀; 袁瑞; 胡伟

doi:10.37188/CJLCD.2022-0240

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转

器件物理及器件制备 | 更新时间：2022-10-28

- 基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转
- Fast and large-angle optical beam deflection based on liquid crystal polarization grating
- 液晶与显示 2022年37卷第11期页码：1411-1419
- 作者机构：
  
  1.西安空间无线电技术研究所，陕西西安 710100
  2.空间微波技术国家级重点实验室，陕西西安 710100
  3.南京大学现代工程与应用科学学院，江苏南京 210093
- 作者简介：
  
  [ "袁方（1971—），男，陕西宝鸡人，硕士，高级工程师，1997年于西安交通大学获得硕士学位，主要从事卫星高速数传技术方面的研究。E-mail： 13359241002@163.com" ]
  [ "胡伟（1981—），男，山东日照人，博士，教授，2009年于吉林大学获得博士学位，主要从事液晶光子学方面的研究。E-mail： huwei@nju.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  空间微波技术重点实验室装发重点实验室基金重点项目(6142411195411)
- DOI：10.37188/CJLCD.2022-0240
  中图分类号： O753⁺.2
- 收稿日期：2022-07-11，
  
  修回日期：2022-07-23，
  
  纸质出版日期：2022-11-05
- 稿件说明：
移动端阅览
袁方, 谭庆贵, 王光耀, 等. 基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转[J]. 液晶与显示, 2022,37(11):1411-1419.

YUAN Fang, TAN Qing-gui, WANG Guang-yao, et al. Fast and large-angle optical beam deflection based on liquid crystal polarization grating[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(11): 1411-1419.
袁方, 谭庆贵, 王光耀, 等. 基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转[J]. 液晶与显示, 2022,37(11):1411-1419. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0240.

YUAN Fang, TAN Qing-gui, WANG Guang-yao, et al. Fast and large-angle optical beam deflection based on liquid crystal polarization grating[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(11): 1411-1419. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0240.

摘要

基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转技术在航空航天、激光通信、车载雷达、光信息处理、生物医药和军事对抗等领域具有重要应用前景，并得到了极大的关注。液晶聚合物偏振光栅可以实现高效率、大角度的光束偏转，并且制备工艺简单、成本低，逐渐被应用到非机械式光束偏转系统中。本文采用两种偏振全息光路分别实现大周期和小周期的液晶聚合物偏振光栅的制备，获得的液晶聚合物偏振光栅最高衍射效率达到99.3%。级联两个液晶聚合物偏振光栅，再层叠液晶聚合物\铁电液晶\液晶聚合物波片组，实现了更大角度范围的偏转，验证了70 μs的4通道光束快速扫描。

Abstract

Beam steering is widely used in aerospace， laser communication， vehicle-mounted ridar， optical information processing， biomedicine and military confrontation. Non-mechanical beam steering has received intensive attention. Liquid-crystal-polymer-based polarization grating can realize high-efficient， large-angle beam steering with merits of simple and low-cost fabrication， and thus has been gradually adopted in non-mechanical beam steering. In this paper， two circularly polarized holographic optical paths are used to fabricate the liquid-crystal-polymer-based polarization grating of different pitches， respectively. The measured diffraction efficiency reaches over 99.3%. Multiple liquid-crystal-polymer-based gratings are cascaded and then stacked with liquid crystal polymer/ferroelectric liquid crystal/liquid crystal polymer waveplates to achieve fast response （70 μs） and large angle 4-channel beam deflections.

关键词

Keywords

references

ZOU Y C ， ZHOU P ， SI L ， et al . Theoretical study on beam steering efficiency of liquid crystal optical phased array ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2011 ， 48 （ 6 ）： 061402 . doi: 10.3788/lop48.061402 http://dx.doi.org/10.3788/lop48.061402

XIAO F ， KONG L J ， CHEN J . Beam-steering efficiency optimization method based on a rapid-search algorithm for liquid crystal optical phased array ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 16 ）： 4585 - 4590 . doi: 10.1364/ao.56.004585 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.004585

CHEN J ， CUI G L ， KONG L J ， et al . Grating lobes analysis based on blazed grating theory for liquid crystal optical-phased array ［J］. Optical Engineering ， 2013 ， 52 （ 9 ）： 097102 . doi: 10.1117/1.oe.52.9.097102 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.52.9.097102

陈黎，杜鹏，颜宏，等 . 光学相控阵在光束偏转中的应用分析及进展［J］. 激光与红外， 2013 ， 43 （ 4 ）： 351 - 355 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.001

CHEN L ， DU P ， YAN H ， et al . Progress and applied analysis of the optical phased array in beam steering ［J］. Laser & Infrared ， 2013 ， 43 （ 4 ）： 351 - 355 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.001 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2013.04.001

叶坤涛，董太源，贺文熙，等 . 基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现［J］. 光谱学与光谱分析， 2014 ， 34 （ 10 ）： 2858 - 2862 . doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2014)10-2858-05 http://dx.doi.org/10.3964/j.issn.1000-0593(2014)10-2858-05

YE K T ， DONG T Y ， HE W X ， et al . Design and implementation of a long wavelength near infraRed spectrometer based on MEMS scanning mirror ［J］. Spectroscopy and Spectral Analysis ， 2014 ， 34 （ 10 ）： 2858 - 2862 . （in Chinese） . doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2014)10-2858-05 http://dx.doi.org/10.3964/j.issn.1000-0593(2014)10-2858-05

LU Y Q ， LI Y . Planar liquid crystal polarization optics for near-eye displays ［J］. Light： Science & Applications ， 2021 ， 10 （ 1 ）： 122 . doi: 10.1038/s41377-021-00567-w http://dx.doi.org/10.1038/s41377-021-00567-w

LI Y L ， LI N N ， WANG D ， et al . Tunable liquid crystal grating based holographic 3D display system with wide viewing angle and large size ［J］. Light： Science & Applications ， 2022 ， 11 （ 1 ）： 188 . doi: 10.1038/s41377-022-00880-y http://dx.doi.org/10.1038/s41377-022-00880-y

XIONG J H ， WU S T . Planar liquid crystal polarization optics for augmented reality and virtual reality： from fundamentals to applications ［J］. eLight ， 2021 ， 1 （ 1 ）： 3 . doi: 10.1186/s43593-021-00003-x http://dx.doi.org/10.1186/s43593-021-00003-x

BLANCHE P A . Holography， and the future of 3D display ［J］. Light： Advanced Manufacturing ， 2021 ， 2 （ 4 ）： 446 - 459 . doi: 10.37188/lam.2021.028 http://dx.doi.org/10.37188/lam.2021.028

ATTIA M ， JONATHAN J M C . Anisotropic gratings recorded from two circularly polarized coherent waves ［J］. Optics Communications ， 1983 ， 47 （ 2 ）： 85 - 90 . doi: 10.1016/0030-4018(83)90092-5 http://dx.doi.org/10.1016/0030-4018(83)90092-5

TODOROV T ， TOMOVA N ， NIKOLOVA L . High-sensitivity material with reversible photo-induced anisotropy ［J］. Optics Communications ， 1983 ， 47 （ 2 ）： 123 - 126 . doi: 10.1016/0030-4018(83)90099-8 http://dx.doi.org/10.1016/0030-4018(83)90099-8

NIKOLOVA L ， TODOROV T . Diffraction efficiency and selectivity of polarization holographic recording ［J］. Optica Acta： International Journal of Optics ， 1984 ， 31 （ 5 ）： 579 - 588 . doi: 10.1080/713821547 http://dx.doi.org/10.1080/713821547

EAKIN J N ， XIE Y H ， PELCOVITS R A ， et al . Zero voltage Freedericksz transition in periodically aligned liquid crystals ［J］. Applied Physics Letters ， 2004 ， 85 （ 10 ）： 1671 - 1673 . doi: 10.1063/1.1789578 http://dx.doi.org/10.1063/1.1789578

PROVENZANO C ， PAGLIUSI P ， CIPPARRONE G . Highly efficient liquid crystal based diffraction grating induced by polarization holograms at the aligning surfaces ［J］. Applied Physics Letters ， 2006 ， 89 （ 12 ）： 121105 . doi: 10.1063/1.2355456 http://dx.doi.org/10.1063/1.2355456

PROVENZANO C ， CIPPARRONE G ， MAZZULLA A . Photopolarimeter based on two gratings recorded in thin organic films ［J］. Applied Optics ， 2006 ， 45 （ 17 ）： 3929 - 3934 . doi: 10.1364/ao.45.003929 http://dx.doi.org/10.1364/ao.45.003929

徐林，史俊锋，陈园园，等 . 一种可制造大口径液晶偏振光栅器件的曝光装置及方法：中国， 107966885A ［P］. 2018-04-27 .

XU L ， SHI J F ， CHEN Y Y ， et al . Exposure device and method capable of manufacturing large-aperture liquid crystal polarization grating device ： China ， 107966885A ［P］. 2018-04-27 .

GUO Q ， XU L ， SUN J T ， et al . Fast switching beam steering based on ferroelectric liquid crystal phase shutter and polarisation grating ［J］. Liquid Crystals ， 2019 ， 46 （ 9 ）： 1383 - 1388 . doi: 10.1080/02678292.2019.1573327 http://dx.doi.org/10.1080/02678292.2019.1573327

李松振 . 液晶偏振光栅的设计及其光偏转特性研究［D］. 长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）， 2019 .

LI S Z . Design of liquid crystal polarization grating and study of its beam deflection characteristics ［D］. Changchun ： University of Chinese Academy of Sciences （Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences）， 2019 . （in Chinese）

赵志伟 . 大偏转角液晶偏振光栅的研究［D］. 长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）， 2020 .

ZHAO Z W . Study on liquid crystal polarization grating with large deflection angle ［D］. Changchun ： University of Chinese Academy of Sciences （Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences）， 2020 . （in Chinese）

YUAN R ， LIU Y ， TAN Q G ， et al . An all-liquid-crystal strategy for fast orbital angular momentum encoding and optical vortex steering ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ， 2022 ， 28 （ 5 ）： 6000106 . doi: 10.1109/jstqe.2021.3136360 http://dx.doi.org/10.1109/jstqe.2021.3136360

CHIGRINOV V ， PIKIN S ， VEREVOCHNIKOV A ， et al . Diffusion model of photoaligning in azo-dye layers ［J］. Physical Review E ， 2004 ， 69 （ 6 ）： 061713 . doi: 10.1103/physreve.69.061713 http://dx.doi.org/10.1103/physreve.69.061713

王华才，曹瀚，于宏冠，等 . 基于光取向液晶叉型光栅的涡旋光产生器［J］. 量子电子学报， 2022 ， 39 （ 1 ）： 120 - 126 . doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.01.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-5461.2022.01.008

WANG H C ， CAO H ， YU H G ， et al . Optical vortex generator based on photopatterned liquid crystal fork gratings ［J］. Chinese Journal of Quantum Electronics ， 2022 ， 39 （ 1 ）： 120 - 126 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2022.01.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-5461.2022.01.008

曹慧敏，吴赛博，王靖阁，等 . 光取向液晶微结构及其光子元件［J］. 液晶与显示， 2021 ， 36 （ 7 ）： 921 - 938 . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0004 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0004

CAO H M ， WU S B ， WANG J G ， et al . Photoalignment enabled liquid crystal microstructures for optics and photonics ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 7 ）： 921 - 938 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0004 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0004

KIM J . Liquid crystal geometric phase holograms for efficient beam steering and imaging spectropolarimetry ［D］. Raleigh ： North Carolina State University ， 2011 .

ONES R C . A new calculus for the treatment of optical systems. IV . ［J］. Journal of the Optical Society of America ， 1942 ， 32 （ 8 ）： 486 - 493 . doi: 10.1364/josa.32.000486 http://dx.doi.org/10.1364/josa.32.000486

LI S Z ， ZHAO Z W ， WANG C M ， et al . Electrically tunable photo-aligned two-dimensional liquid crystal polarisation grating ［J］. Liquid Crystals ， 2018 ， 46 （ 8 ）： 1175 - 1182 . doi: 10.1080/02678292.2018.1543781 http://dx.doi.org/10.1080/02678292.2018.1543781

BOMZON Z ， BIENER G ， KLEINER V ， et al . Space-variant Pancharatnam-Berry phase optical elements with computer-generated subwavelength gratings ［J］. Optics Letters ， 2002 ， 27 （ 13 ）： 1141 - 1143 . doi: 10.1364/ol.27.001141 http://dx.doi.org/10.1364/ol.27.001141

TERVO J ， TURUNEN J . Paraxial-domain diffractive elements with 100% efficiency based on polarization gratings ［J］. Optics Letters ， 2000 ， 25 （ 11 ）： 785 - 786 . doi: 10.1364/ol.25.000785 http://dx.doi.org/10.1364/ol.25.000785

TAN L ， HO J Y ， KWOK H S . Extended Jones matrix method for oblique incidence study of polarization gratings ［J］. Applied Physics Letters ， 2012 ， 101 （ 5 ）： 051107 . doi: 10.1063/1.4742146 http://dx.doi.org/10.1063/1.4742146

唐明劼 . 基于液晶聚合物薄膜实现集成与可重构的光路系统［D］. 南京：南京大学， 2018 .

TANG M J . Integrated and reconfigurable optical paths based on stacking optical functional films ［D］. Nanjing ： Nanjing University ， 2018 . （in Chinese）

YEH P ， GU C . Optics of Liquid Crystal Displays ［M］. New York ： John Wiley & Sons ， 1999 .

POZHIDAEV E ， MINCHENKO M ， MOLKIN V ， et al . High frequency low voltage shock-free ferroelectric liquid crystal： a new electro-optical mode with electrically suppressed helix ［C］// Proceedings of the 31st International Display Research Conference 2011 . Arcachon ： SID ， 2011 .

SRIVASTAVA A K ， HU W ， CHIGRINOV V G ， et al . Fast switchable grating based on orthogonal photo alignments of ferroelectric liquid crystals ［J］. Applied Physics Letters ， 2012 ： 101 （ 3 ）： 031112 . doi: 10.1063/1.4737642 http://dx.doi.org/10.1063/1.4737642

HOY C ， STOCKLEY J ， SHANE J ， et al . Non-mechanical beam steering with polarization gratings： a review ［J］. Crystals ， 2021 ， 11 （ 4 ）： 361 . doi: 10.3390/cryst11040361 http://dx.doi.org/10.3390/cryst11040361

姜会林，安岩，张雅琳，等 . 空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析［J］. 飞行器测控学报， 2015 ， 34 （ 3 ）： 207 - 217 . doi: 10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11 http://dx.doi.org/10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11

JIANG H L ， AN Y ， ZHANG Y L ， et al . Analysis of the status quo， development trend and key technologies of space laser communication ［J］. Journal of Spacecraft TT & C Technology ， 2015 ， 34 （ 3 ）： 207 - 217 . （in Chinese） . doi: 10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11 http://dx.doi.org/10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11

VAUGHAN J M . Coherent laser spectroscopy and doppler lidar sensing in the atmosphere ［J］. Physica Scripta ， 1998 ， 1998（ T78 ）： 73 - 76 . doi: 10.1238/physica.topical.078a00073 http://dx.doi.org/10.1238/physica.topical.078a00073

李淑军，姜会林，朱京平，等 . 偏振成像探测技术发展现状及关键技术［J］. 中国光学， 2013 ， 6 （ 6 ）： 803 - 809 . doi: 10.3788/co.20130606.0803 http://dx.doi.org/10.3788/co.20130606.0803

LI S J ， JIANG H L ， ZHU J P ， et al . Development status and key technologies of polarization imaging detection ［J］. Chinese Optics ， 2013 ， 6 （ 6 ）： 803 - 809 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20130606.0803 http://dx.doi.org/10.3788/co.20130606.0803

浏览量

836

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

液晶与显示封面｜基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转

基于液晶聚合物的功能性涂层

偏振光调控液晶聚合物驱动器

超快响应液晶技术研究进展与展望

基于聚合物分散液晶的频率可重构贴片天线