一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片的製作方法

2023-09-19 11:46:15 1

一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，包括：石墨烯液晶聚光微透鏡陣列、以及驅控信號輸入埠，石墨烯液晶聚光微透鏡陣列為m×n元，石墨烯液晶聚光微透鏡陣列採用夾層結構，且下中上層之間順次設置有第一基片、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、圖案化石墨烯電極層、石墨烯電極層、第二基片，圖案化石墨烯電極層由m×n個均勻排布的石墨烯圓孔構成，從圖案化石墨烯電極層延伸出一根圖案化電極引線並接入驅控信號輸入埠的一端，從石墨烯電極層延伸出另一根電極引線並接入驅控信號輸入埠的另一端。本實用新型結構緊湊牢固，電驅控能力強，控制精度高，易與常規紅外光學光電機械結構耦合，環境適應性好。
【專利說明】—種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於光學波束精密測量與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片。

【背景技術】
[0002]石墨烯是一種將碳原子以六邊形方式緊密堆積構成的二維晶體，是迄今為止人類所能獲得的強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。其典型特徵包括:(一)具有超強導電性，載流子在石墨烯中幾乎可以自由穿行；(二)具有超高透光率，一般僅吸收不超過3%的可見光和紅外波；(三)具有超大電子遷移率，在室溫下傳遞電子的速度遠快於目前已知的各種導電材料，電子運動速度最快可達到光速的1/300 ;(四)結構極為穩定牢固，具有超強耐腐蝕能力，碳原子間的六邊形網狀連接使其又極為柔韌；(五)抗靜電能力極強，電子在石墨烯軌道中移動時不會因晶格缺陷、引入外來原子或電場而被散射；(六)極好的結構匹配與耦合性，易與目前已知的大多數光學和微電子材料耦合形成二維面形功能化結構。基於石墨烯材料製作可以覆蓋可見光和紅外譜段的電極結構，實現可見光和紅外波段電磁波束的單晶片一體化處理這一技術方式，目前已受到廣泛關注和重視。
[0003]現階段所廣泛採用的膜電極材料一般按照可見光和紅外譜域加以劃分。在紅外譜域根據功能和應用情況，又常被細分為近紅外(I?3 μ m)、中紅外(3?5 μ m)和遠紅外(8?14μπι)這三個典型譜段。不同的譜域或譜段均要求相適應的電極材料，如在可見光譜域常採用ITO(氧化銦錫)膜材料，紅外譜域常採用鋁膜或金膜材料等。其典型缺陷主要表現在以下方面:(一)電磁波束的理論透過率一般在86%以下，對某些特殊應用而言甚至更低；(二)譜透過率存在不均勻性，在某些光頻處的譜透過率甚至會衰減到相鄰波譜的一半以上；(三)金屬電極材料中的電子或陽離子有時會滲透進如液晶等的工作介質中，會造成工作介質的性能降低甚至功能喪失，從而降低器件的參數指標以及嚴重縮短器件壽命；
(四)由於金屬膜的抗彎折能力有限，金屬與無機非金屬材料間難以穩定牢固耦合或鍵合，通常無法製成廉價長效的可彎折電極結構；(五)迄今為止尚無法製作出兼容可見光和全紅外波段的超寬譜電極結構；(六)由於金屬材料存在較大電阻，其熱效應和高頻電磁信號驅控下的趨膚效應，將嚴重影響甚至降低空間電場激勵效能，會對工作介質的功能形成與發揮帶來負面影響等。
[0004]近些年來，基於電控液晶微透鏡進行波束整形和變換這一技術方式已取得顯著進展，已具備若干獨特功能，包括:(一)在陣列化液晶結構的電極上施加電驅控信號，可對可見光或紅外光束進行匯聚、發散或相位延遲等；(二)由於液晶微透鏡的光束變換作用通過在電極結構上施加電驅控信號實現，可依照先驗知識或光束特徵對光束變換施加約束、幹預或引導。儘管如此，仍缺乏可同時覆蓋可見光和紅外譜域，不會干擾或改變工作介質的電磁結構特徵，能夠徹底擺脫熱效應對工作介質其功能形成和發揮的影響等方面的手段和方法。目前，如何進一步提高電控液晶微透鏡器件的工作效能，長期維持液晶器件的性能和參數指標，延長器件壽命以及擴展功能等，已成為光學波束精密測量與控制【技術領域】繼續發展所面臨的熱點問題，迫切需要新的突破。
實用新型內容
[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，其可實現特定形態光波束的電控成形與調變，易與其它光學光電機械結構耦合，環境適應性好，電驅控能力強。
[0006]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，包括:石墨烯液晶聚光微透鏡陣列、以及驅控信號輸入埠，石墨烯液晶聚光微透鏡陣列為mXn元，其中，m、n均為大於的整數，石墨烯液晶聚光微透鏡陣列採用夾層結構，且下中上層之間順次設置有第一基片、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、圖案化石墨烯電極層、石墨烯電極層、第二基片，圖案化石墨烯電極層由mXn個均勻排布的石墨烯圓孔構成，從圖案化石墨烯電極層延伸出一根圖案化電極引線並接入驅控信號輸入埠的一端，從石墨烯電極層延伸出另一根電極引線並接入驅控信號輸入埠的另一端，並由驅控信號輸入埠向圖案化石墨烯電極層和石墨烯電極層提供電壓驅控信號。
[0007]優選地，可見光近紅外光束進入石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片後，被尚散化為陣列化子入射波束，各子入射波束與受控電場激勵下的液晶分子作用，被匯聚成匯聚光斑構成的微光點陣，並經進一步演化耦合形成遠場透射波束。
[0008]優選地，所述石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片還包括晶片殼體，石墨烯液晶聚光微透鏡陣列位於晶片殼體內並與其固連，石墨烯液晶聚光微透鏡陣列的光入射面和光出射面通過晶片殼體的頂面和底面開窗裸露出來，驅控信號輸入埠設置在晶片殼體上，並通過晶片殼體的側面開孔裸露在外。
[0009]優選地，第一和第二液晶定向層均由聚醯亞胺製成。
[0010]優選地，在石墨烯液晶聚光微透鏡陣列的光入射面和光出射面均製作有同種材質的第一光增透膜系和第二光增透膜系。
[0011]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0012]可能誘發的電光性能時效性差以及結構不穩定等問題。
[0013]4、控制精度高:由於本實用新型採用可精密電驅控的石墨烯液晶微透鏡，具有極高的結構、電學及電光參數的穩定性和控制精度，所以本實用新型具有控制精度高的優點。
[0014]5、使用方便:本實用新型的晶片主體為封裝在晶片殼體內的石墨烯液晶聚光微透鏡陣列，在光路中接插方便，易與常規光學、光電和機械結構等匹配耦合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片的結構示意圖；
[0016]圖2是本實用新型石墨烯液晶聚光微透鏡陣列的結構示意圖；
[0017]圖3是本實用新型石墨烯液晶聚光微透鏡的光束變換示意圖。
[0018]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0019]1-驅控信號輸入埠，2-石墨烯液晶聚光微透鏡陣列,3-晶片殼體,4-第一基片，5-第一液晶定向層，6-液晶層，7-第二液晶定向層，8-圖案化石墨烯電極層，9-石墨烯電極層，10-第二基片，11-第一光增透膜系，12-第二光增透膜系。

【具體實施方式】
[0020]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示，本實用新型的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片包括:晶片殼體3、石墨烯液晶聚光微透鏡陣列2、以及驅控信號輸入埠 I。
[0022]石墨烯液晶聚光微透鏡陣列2位於晶片殼體3內並與其固連。
[0023]石墨烯液晶聚光微透鏡陣列2的光入射面和光出射面通過晶片殼體3的頂面和底面開窗裸露出來。
[0024]驅控信號輸入埠 I設置在晶片殼體3上，並通過晶片殼體3的側面開孔裸露在外。
[0025]石墨烯液晶聚光微透鏡陣列為mXn元，其中，m、η均為大於I的整數。各元微透鏡相互連通的圓孔石墨烯圖案化電極被同步加電。
[0026]如圖2所示，本實用新型的石墨烯液晶聚光微透鏡陣列採用圖案化石墨烯電極層-液晶層-石墨烯電極層這樣的夾層結構，且下中上層之間順次設置有第一基片4、第一液晶定向層5、液晶層6、第二液晶定向層7、圖案化石墨烯電極層8、石墨烯電極層9、第二基片10。第一液晶定向層5和第二液晶定向層7均由聚醯亞胺製成,但應理解定向層材料並不局限於此，也可以是其它可形成納米級深度和寬度的溝道材料。
[0027]圖案化石墨烯電極層8由mXn個均勻排布的石墨烯圓孔構成,其中，m、η均為大於I的整數。從圖案化石墨烯電極層8延伸出一根圖案化電極引線並接入驅控信號輸入埠 I的一端。從石墨烯電極層9延伸出另一根電極引線並接入驅控信號輸入埠 I的另一端。由驅控信號輸入埠 I向圖案化石墨烯電極層8和石墨烯電極層9提供電壓驅控信號
[0028]如圖3所示，加載在圖案化石墨烯電極層8和石墨烯電極層9上的驅控信號V，在電極間激勵起特定的陣列化空間電場。可見光近紅外光束進入石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片後，依照石墨烯液晶聚光微透鏡陣列2的陣列規模和排布情況，被離散化為陣列化子入射波束。各子入射波束與受控電場激勵下的液晶分子作用，被匯聚成具有特定亮度和尺寸的匯聚光斑構成的微光點陣，並經進一步演化耦合形成具有特定圖案化形態的遠場透射波束。在石墨烯液晶聚光微透鏡陣列2的光入射面和光出射面均製作有同種材質的第一光增透膜系11和第二光增透膜系12。
[0029]下面結合圖1、圖2和圖3說明本實用新型實施例的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片的工作過程。
[0030]首先將信號線接入驅控信號輸入埠，將電壓信號輸入和加載在石墨烯液晶聚光微透鏡陣列上。
[0031]石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片被置於測試光路中，或被置於由主鏡構成的光學系統的焦面處也可弱離焦配置。
[0032]可見光近紅外光束通過晶片的光入射窗口進入石墨烯液晶聚光微透鏡陣列後，與受控電場激勵下構建的具有特定折射率分布形態的液晶分子相互作用而呈陣列化匯聚態，形成亮度隨驅控信號均方幅度或頻率變化的微光點陣。微光點亮度及尺寸，由施加在液晶微透鏡其石墨烯電極上的調幅或調頻電壓信號調變。由各液晶微透鏡壓縮整形的子波束經耦合形成新的由晶片光出射窗口輸出的透射波束。
[0033]石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，通過匯聚微透鏡陣列進行波束形態的可調變匯聚式壓縮整形。各單元液晶匯聚微透鏡由頂面為圓形的石墨烯圖案化電極及底面石墨烯公共電極構成。各元液晶微透鏡中的石墨烯圖案化電極被同步加電，如圖示的電驅控信號V。電控液晶平面微透鏡包括液晶材料、液晶初始定向結構、石墨烯電極、基片和增透月吳系，液晶材料的上下兩表面依次覆蓋液晶初始定向結構、石墨稀電極、基片和增透I吳系。所述石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片用於使光束形態發生改變。通過調節加載在液晶微透鏡陣列上的電壓信號來調變陣列化子出射光束的匯聚程度，得到基於被調變子波束耦合形成的透射波束。所得到的出射波束可通過電信號其均方幅度或頻率的調變操作，被凝固在特定形態或調變到預定形態。
[0034]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，包括:石墨烯液晶聚光微透鏡陣列、以及驅控信號輸入埠，其特徵在於， 石墨烯液晶聚光微透鏡陣列為HiXn元，其中，m、η均為大於的整數； 石墨烯液晶聚光微透鏡陣列採用夾層結構，且下中上層之間順次設置有第一基片、第一液晶定向層、液晶層、第二液晶定向層、圖案化石墨烯電極層、石墨烯電極層、第二基片； 圖案化石墨烯電極層由mX η個均勻排布的石墨烯圓孔構成； 從圖案化石墨烯電極層延伸出一根圖案化電極引線並接入驅控信號輸入埠的一端，從石墨烯電極層延伸出另一根電極引線並接入驅控信號輸入埠的另一端，並由驅控信號輸入埠向圖案化石墨烯電極層和石墨烯電極層提供電壓驅控信號。
2.根據權利要求1所述的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，其特徵在於，可見光近紅外光束進入石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片後，被離散化為陣列化子入射波束，各子入射波束與受控電場激勵下的液晶分子作用，被匯聚成匯聚光斑構成的微光點陣，並經進一步演化耦合形成遠場透射波束。
3.根據權利要求1所述的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，其特徵在於， 所述石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片還包括晶片殼體； 石墨烯液晶聚光微透鏡陣列位於晶片殼體內並與其固連； 石墨烯液晶聚光微透鏡陣列的光入射面和光出射面通過晶片殼體的頂面和底面開窗裸露出來； 驅控信號輸入埠設置在晶片殼體上，並通過晶片殼體的側面開孔裸露在外。
4.根據權利要求1所述的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，其特徵在於，第一和第二液晶定向層均由聚醯亞胺製成。
5.根據權利要求1所述的石墨烯基電控液晶光匯聚微透鏡陣列晶片，其特徵在於，在石墨烯液晶聚光微透鏡陣列的光入射面和光出射面均製作有同種材質的第一光增透膜系和第二光增透膜系。
【文檔編號】G02F1/1337GK204188925SQ201420621472
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】張新宇, 羅俊, 佟慶, 雷宇, 桑紅石, 張天序, 謝長生 申請人:華中科技大學