主动式液晶偏振光栅的制备研究

发布时间：2020-06-11 11:53

【摘要】：主动式液晶偏振光栅是液晶分子沿基板平面,每个光栅周期可实现液晶分子指向渐变式旋转180°的可电控的光栅器件。该光栅制备原理简单,成型方式快捷,理论的偏转效率可达到100%,在光学成像、激光通信、激光雷达等领域有着重要的应用前景。然而目前国内对于液晶偏振光栅的制备研究尚未见报道,需要投入人力、物力来填补国内在该领域的技术空白。为了响应这一需求,本文研究了主动式液晶偏振光栅的制备研究这一课题。本文探索了主动式液晶偏振光栅衍射效率低的内在原因,是由于液晶分子的排列存在缺陷。归纳总结出以下三点:第一,本论文探究了临界厚度对主动式液晶偏振光栅厚度的制约作用。定义了临界厚度是指保证有效区域内全部液晶分子可以理想取向的最大液晶盒厚度。实验归纳和总结出临界厚度存在这一既定结论。在强锚定情况下,本文定量化地研究了临界厚度的约束条件。为制备液晶盒时厚度上限的界定提供了理论分析和依据,有效地解释了制备小周期液晶偏振光栅时良品率低的原因。第二,针对制备液晶盒的过程中,厚度误差无法避免这一问题,本论文定量化地研究了厚度误差对衍射效率的影响。为了减弱这种影响,本文制备出双折射?n依次增大的系列向列相的混合液晶,提出通过替换液晶材料和施加电压驱动液晶分子两种方式改变液晶的双折射,进而分别实现光延迟与液晶盒厚度的粗匹配和精确匹配。利用此方式,主动式液晶偏振光栅的衍射效率可提升至94.4%。但由此引出新的问题:同一片主动式液晶偏振光栅,不同位置的最佳微调电压存在差异;第三,上面所述的问题,会极大地降低主动式液晶偏振光栅的适用性和实用性。为此,本文定量地讨论了记录光不理想对衍射效率的影响。研究发现,记录光为非等光强正交圆偏振光时,衍射效率与液晶盒厚度的匹配关系发生改变。并以此为依据,提出高斯光束整形和扩大光束口径的解决方案。本文除了对衍射效率低的原因和解决方案进行了探究外,也从理论层面,推导出主动式液晶偏振光栅具有100%的衍射效率、大角度的偏转、可调制偏振态等光学特性的理论解释。以及给出了详尽的主动式液晶偏振光栅的制备流程,并提出一系列的制备规范、设计了一套简单有效的评估环境振动的方法和标准,实现了对微弱环境振动的可视化。本论文中的研究结论为国内主动式液晶偏振光栅的实用化进程奠定了坚实基础。
【图文】：

液晶,被动式,偏振光

对液晶分子取向的图案化设计——利用光控取向先设计的图案排列，形成周期化的折射率差异（赵晨，2012）。统的液晶相位光栅，液晶偏振光栅是利用调制入射光。该光栅形成周期性折射率差异分布的方法属于用对偏振敏感的光控取向材料全息曝光实现液晶分性取向。2004 年，美国布朗大学的 James 首次利用光得到液晶偏振光栅（G. P. Crawford 等，2005）。G 的示意过程。通过重复图中的旋涂液晶和紫外固近预期值，实现特定的光延迟。图 1.1 中所制备的的是单玻璃基底以及完全固化取向的聚合物液晶，式进行调制。这种无源的液晶光栅器件，被称为被

液晶,主动式,偏振光,正视图

主动式液晶偏振光栅的制备研究应的是本论文的研究对象——主动式液晶偏振光栅异性和光学各向异性的向列相液晶特定取向于两块间，液晶分子取向沿基板平面周期性排布，在一个了180°，进而形成的光栅。图 1.2 是其几何结构示述，在大角度偏转系统中，LCPGs 是以多片级联的较于被动式可以有效地减少每一级的光学器件数，同时由于制备被动式液晶偏振光栅对环境要求很高要求。基于这两点，本文并未对被动式液晶偏振光中所表述的液晶偏转光栅，如无特别指出，都统一。
【学位授予单位】：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)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

【参考文献】