基于液晶偏振光栅的大角度光束偏转技术研究
发布时间：2021-01-18 14:05
目前的激光雷达系统,通常采用机械光束偏转技术,它能够实现大视场、高功率光束扫描。但存在体积庞大、系统复杂、扫描速度慢、不可随机指向等缺点。近年来,随着微光学器件基础研究的不断发展和制备工艺的日益精进,以液晶相控阵为代表的非机械式光束偏转技术成为光束控制领域的研究热点。但由于液晶相控阵器件存在光学回程区,其偏转范围和效率都受到限制。而液晶偏振光栅是一种超薄的衍射光学元件,在理想情况下可以达到近100%的衍射效率且最大偏转角也达到了实用水平。为此本文开展了基于液晶偏振光栅的大角度光束偏转技术研究,主要研究内容如下:（1）基于光传输矩阵理论,系统研究液晶偏振光栅的结构对衍射特性的影响机制。并利用时域有限差分工具对液晶偏振光栅的光束偏转原理进行了仿真模拟,结果表明,时域有限差分仿真与方程的解析表达式结果有良好的一致性。理想情况下单级次衍射效率可达到99.6%。其次对单片液晶偏振光栅进行测试并验证光束偏转性能。结果表明0级光无法消除,通过给液晶偏振光栅施加2V电压,0级光完全消除,进而很大程度上提高了±1级的衍射效率,衍射效率基本稳定在95%左右。（2）针对单片液晶偏振光栅很难实现多角度及大视场...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BNS生产的LCPG
只?诰酆衔镆壕??窆庹さ拇蠼嵌确腔?倒馐??转系统，在1064nm处实现了分辨率为2.6°，视场为80°，透过率为66%-70%的粗偏控制[30]。2015年，Kim等人提出一种基于聚合物液晶偏振光栅的超二进制粗偏设计方法，在1550nm波长下实现了分辨率为8°，视场为65°，透过率为84%-87%的粗偏控制，证明通过优化基板和电极材料可以提高透过率[31]。2016年，Steven等人研制出新型液晶偏振光栅器件，利用多层液晶偏振光栅级联的方式实现了角度分辨率为3.2°、扫描视场为64°×64°的二维光束离散扫描，衍射效率高于80%[32]。图1.2粗偏组件图在国内，2010年，哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所的张健等人提出可以用液晶偏振光栅来取代液晶数字光束偏转器实现高衍射效率的光束粗偏控制[7]；2011年，国防科技大学的邹永超等人肯定了液晶偏振光栅在光束偏转领域具有广阔的应用前景[2]。2013年国防科技大学的师宇斌等人提到了用液晶偏振光栅级联来实现光束的扫描具有较好的研究价值[4]。2017年上海交通大学的黄帅佳利用聚合物网络液晶制作的半波片与被动液晶偏振光栅组合在633nm波长下实现了±4°的光束偏转[33]。2019年长春光学精密机械与物理研究所的李松振等人提出了一种基于液晶空间光调制器和液晶偏振光栅串联的光束偏转系统，在730nm波长下实现了±20°范围内的高精度二维光束偏转，光束的偏转效率在42%以上[27]。综上现状概述，液晶偏振光栅应用前景广阔，国外的研究主要集中在北卡罗来纳州立大学和BNS公司，他们致力于研究大口径、超广角的光束偏转控制系统，并取得了一定的进展。由于激光雷达、空间光通信、激光武器等领域对光束偏转系统有超高要求，还需对非机械光束偏转系统进行深入的研究。国内对液晶偏振光栅的光束偏?
13利用图2.6所示的平面-周期性边界条件，诱导向列相液晶按此方式排列取向。进而制备出主动液晶偏振光栅，图2.7为主动液晶偏振光栅的侧视几何图，包括了玻璃基板、导电层、取向层和液晶分子。玻璃基板上涂覆ITO电极，用于对液晶分子施加电场，电场方向垂直于基板平面；光控取向层用于使液晶分子沿平行于基板方向取向；液晶层沿光控取向方向规则排列。玻璃基板玻璃基板ITO电极光控取向层ITO电极光控取向层图2.7LCPG侧视几何图图2.8为液晶偏振光栅的实物图，图中显示了液晶偏振光栅在灯光照射下的衍射图样。图2.9为液晶偏振光栅在偏光显微镜下观察到的光栅形貌，为明暗相间的条纹。图2.8液晶偏振光栅实物图图2.9液晶偏振光栅形貌图2.4本章小结本章简述了液晶分子的介电各向异性和光学各向异性，即通过外场的调控，改变了光的相位，可以实现对光强、偏振等光学特性的调制。介绍了计算偏振光通过光学元件后的光强几种表示方法，为本文中理论推导或实验分析奠定基础，并从液晶偏振光栅的制备的原理出发，研究液晶偏振光栅的结构。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于液晶光学相控阵的光束扫描研究进展[J]. 胡婕,杜升平,郭弘扬. 激光与光电子学进展. 2019(11)
[2]斯托克斯矢量和穆勒矩阵在偏振光中的应用研究[J]. 何启浩. 西南民族大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]非等光强正交圆偏振光对液晶偏振光栅衍射特性的影响[J]. 刘春杰,彭增辉,李松振,王启东,刘永刚. 液晶与显示. 2018(02)
[4]光学相控阵技术研究进展[J]. 颜跃武,安俊明,张家顺,王亮亮,尹小杰,吴远大,王玥. 激光与光电子学进展. 2018(02)
[5]矢量光束和空间偏振转化器件的矩阵分析[J]. 李辰,辛璟焘,刘义东. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2013(09)
[6]光束扫描技术研究新进展[J]. 师宇斌,司磊,马阎星. 激光与光电子学进展. 2013(08)
[7]基于液晶材料的光束偏转技术研究进展[J]. 邹永超,司磊,陶汝茂,周朴,马浩统. 激光技术. 2011(03)
[8]液晶光束偏转技术[J]. 张健,方运,吴丽莹,徐林. 中国激光. 2010(02)
[9]部分偏振光的表示方法[J]. 王晓,石顺祥,马琳. 电子科技. 2009(06)
[10]多通道串行DAC芯片Max529在程控增益电路中的应用[J]. 刘洋,赵书俊,赵媛媛. 现代电子技术. 2004(23)
博士论文
[1]液晶偏振光栅的设计及其光偏转特性研究[D]. 李松振.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
[2]应用于空间光通信的液晶光束偏转技术研究[D]. 杜升平.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[3]大气激光通信中圆偏振调制技术研究[D]. 杨鹏.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[4]用于液晶光学特性模拟的时域电磁计算方法研究[D]. 方运.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于液晶几何相位器件产生完美高阶庞加莱球光束[D]. 徐然.南京大学 2019
[2]激光偏转技术的理论和实验研究[D]. 林楠.华东理工大学 2019
[3]太赫兹成像理论及时域有限差分法在其中的应用[D]. 严子杨.南京邮电大学 2018
[4]主动式液晶偏振光栅的制备研究[D]. 刘春杰.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) 2018
[5]大口径液晶光学相控阵实现方法研究[D]. 卓儒盛.电子科技大学 2018
[6]基于硅基液晶的激光束智能控制技术[D]. 杨赫.长春理工大学 2018
[7]聚合物网络液晶器件及其光线偏转应用[D]. 黄帅佳.上海交通大学 2017
[8]基于FDTD的吸收边界条件研究[D]. 王西蒙.天津大学 2017
[9]基于时域有限差分法的数字全息技术研究[D]. 郑烁.哈尔滨工业大学 2016
[10]时域有限差分法在液晶中的应用[D]. 窦虎.河北工业大学 2015
本文编号：2985079
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
BNS生产的LCPG
只?诰酆衔镆壕??窆庹さ拇蠼嵌确腔?倒馐??转系统，在1064nm处实现了分辨率为2.6°，视场为80°，透过率为66%-70%的粗偏控制[30]。2015年，Kim等人提出一种基于聚合物液晶偏振光栅的超二进制粗偏设计方法，在1550nm波长下实现了分辨率为8°，视场为65°，透过率为84%-87%的粗偏控制，证明通过优化基板和电极材料可以提高透过率[31]。2016年，Steven等人研制出新型液晶偏振光栅器件，利用多层液晶偏振光栅级联的方式实现了角度分辨率为3.2°、扫描视场为64°×64°的二维光束离散扫描，衍射效率高于80%[32]。图1.2粗偏组件图在国内，2010年，哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所的张健等人提出可以用液晶偏振光栅来取代液晶数字光束偏转器实现高衍射效率的光束粗偏控制[7]；2011年，国防科技大学的邹永超等人肯定了液晶偏振光栅在光束偏转领域具有广阔的应用前景[2]。2013年国防科技大学的师宇斌等人提到了用液晶偏振光栅级联来实现光束的扫描具有较好的研究价值[4]。2017年上海交通大学的黄帅佳利用聚合物网络液晶制作的半波片与被动液晶偏振光栅组合在633nm波长下实现了±4°的光束偏转[33]。2019年长春光学精密机械与物理研究所的李松振等人提出了一种基于液晶空间光调制器和液晶偏振光栅串联的光束偏转系统，在730nm波长下实现了±20°范围内的高精度二维光束偏转，光束的偏转效率在42%以上[27]。综上现状概述，液晶偏振光栅应用前景广阔，国外的研究主要集中在北卡罗来纳州立大学和BNS公司，他们致力于研究大口径、超广角的光束偏转控制系统，并取得了一定的进展。由于激光雷达、空间光通信、激光武器等领域对光束偏转系统有超高要求，还需对非机械光束偏转系统进行深入的研究。国内对液晶偏振光栅的光束偏?
13利用图2.6所示的平面-周期性边界条件，诱导向列相液晶按此方式排列取向。进而制备出主动液晶偏振光栅，图2.7为主动液晶偏振光栅的侧视几何图，包括了玻璃基板、导电层、取向层和液晶分子。玻璃基板上涂覆ITO电极，用于对液晶分子施加电场，电场方向垂直于基板平面；光控取向层用于使液晶分子沿平行于基板方向取向；液晶层沿光控取向方向规则排列。玻璃基板玻璃基板ITO电极光控取向层ITO电极光控取向层图2.7LCPG侧视几何图图2.8为液晶偏振光栅的实物图，图中显示了液晶偏振光栅在灯光照射下的衍射图样。图2.9为液晶偏振光栅在偏光显微镜下观察到的光栅形貌，为明暗相间的条纹。图2.8液晶偏振光栅实物图图2.9液晶偏振光栅形貌图2.4本章小结本章简述了液晶分子的介电各向异性和光学各向异性，即通过外场的调控，改变了光的相位，可以实现对光强、偏振等光学特性的调制。介绍了计算偏振光通过光学元件后的光强几种表示方法，为本文中理论推导或实验分析奠定基础，并从液晶偏振光栅的制备的原理出发，研究液晶偏振光栅的结构。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于液晶光学相控阵的光束扫描研究进展[J]. 胡婕,杜升平,郭弘扬. 激光与光电子学进展. 2019(11)
[2]斯托克斯矢量和穆勒矩阵在偏振光中的应用研究[J]. 何启浩. 西南民族大学学报(自然科学版). 2018(05)
[3]非等光强正交圆偏振光对液晶偏振光栅衍射特性的影响[J]. 刘春杰,彭增辉,李松振,王启东,刘永刚. 液晶与显示. 2018(02)
[4]光学相控阵技术研究进展[J]. 颜跃武,安俊明,张家顺,王亮亮,尹小杰,吴远大,王玥. 激光与光电子学进展. 2018(02)
[5]矢量光束和空间偏振转化器件的矩阵分析[J]. 李辰,辛璟焘,刘义东. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2013(09)
[6]光束扫描技术研究新进展[J]. 师宇斌,司磊,马阎星. 激光与光电子学进展. 2013(08)
[7]基于液晶材料的光束偏转技术研究进展[J]. 邹永超,司磊,陶汝茂,周朴,马浩统. 激光技术. 2011(03)
[8]液晶光束偏转技术[J]. 张健,方运,吴丽莹,徐林. 中国激光. 2010(02)
[9]部分偏振光的表示方法[J]. 王晓,石顺祥,马琳. 电子科技. 2009(06)
[10]多通道串行DAC芯片Max529在程控增益电路中的应用[J]. 刘洋,赵书俊,赵媛媛. 现代电子技术. 2004(23)
博士论文
[1]液晶偏振光栅的设计及其光偏转特性研究[D]. 李松振.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
[2]应用于空间光通信的液晶光束偏转技术研究[D]. 杜升平.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[3]大气激光通信中圆偏振调制技术研究[D]. 杨鹏.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
[4]用于液晶光学特性模拟的时域电磁计算方法研究[D]. 方运.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于液晶几何相位器件产生完美高阶庞加莱球光束[D]. 徐然.南京大学 2019
[2]激光偏转技术的理论和实验研究[D]. 林楠.华东理工大学 2019
[3]太赫兹成像理论及时域有限差分法在其中的应用[D]. 严子杨.南京邮电大学 2018
[4]主动式液晶偏振光栅的制备研究[D]. 刘春杰.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) 2018
[5]大口径液晶光学相控阵实现方法研究[D]. 卓儒盛.电子科技大学 2018
[6]基于硅基液晶的激光束智能控制技术[D]. 杨赫.长春理工大学 2018
[7]聚合物网络液晶器件及其光线偏转应用[D]. 黄帅佳.上海交通大学 2017
[8]基于FDTD的吸收边界条件研究[D]. 王西蒙.天津大学 2017
[9]基于时域有限差分法的数字全息技术研究[D]. 郑烁.哈尔滨工业大学 2016
[10]时域有限差分法在液晶中的应用[D]. 窦虎.河北工业大学 2015
本文编号：2985079
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/2985079.html
