一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法與流程

2023-04-24 20:59:31 2

本發明涉及液晶領域，尤其涉及一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法。

背景技術：

一直以來，衍射光學器件被應用在各個光學領域，液晶光調製器由於其調製的靈活性在可編程衍射光學器件中佔有越來越重要的地位。在液晶光調製器的各項參數中，衍射效率是評價系統性能最重要的參數之一，提高衍射效率一直以來都是各研究工作中的重要組成部分。目前提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法主要通過在2π相位深度下優化相位分布形貌、更改器件結構等方式，雖然有一定的效果，但是提升了器件的複雜度且在衍射效率提升方面並沒有很大的提升空間。仿真及實驗表明，高相位深度調製有利於提高光調製器件的衍射效率，且光束偏轉角度越大，衍射效率提升效果就越明顯。在純相位調製器中，基於衍射光學原理，2π相位深度是最低可實現調製器相位調製功能的相位深度，且該相位深度最容易實現，高相位深度比較難獲得，這是由於液晶材料本身特性的限制，如雙折射率較小，液晶的工作電壓過高，在低電壓內無法實現高相位深度，通常光調製器件的工作電壓在5.5V以下，若需要實現高相位深度調製，則需要大雙折射率、高介電常數的液晶材料。由於各方面的限制，高相位深度的研究目前較少，然而高相位深度在相位調製器件上應用有很明顯的優勢，例如在提高相位調製器件的衍射效率，增大相位調製器件的可實現光束偏轉角度等方面，因而實現高相位深度具有很重大的意義。

因此，本領域的技術人員致力於開發一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法，該方法可在近紅外波段達到6π高相位深度調製，能夠提高向列相液晶光調製器件衍射效率，增大光調製器件的最大光束偏轉角度。

技術實現要素：

有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是開發一種通過高相位深度調製方式提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法，該方法可在近紅外波段達到6π高相位深度調製，能夠提高向列相液晶光調製器件衍射效率，增大光調製器件的最大光束偏轉角度。

為實現上述目的，本發明提供了一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法，包括以下步驟：

步驟一、將向列相液晶材料灌入液晶空間光調製器件中；

步驟二、搭建相位深度測量系統，進行相位深度測量，電場加到公共電極和像素電極層兩端，記錄下相位深度-灰度曲線；

步驟三、搭建衍射效率測量系統，進行光束偏轉衍射效率測量；

步驟四、調製光調製器件，對其加載調製灰度圖，依據相位深度-灰度曲線對其進行調製，形成理想折射率形貌曲線。

進一步地，向列相液晶材料被設置為大折射率、大介電常數的液晶材料，液晶材料在1550nm下具有取值為0.25的雙折射率、介電常數取值為10。

進一步地，液晶空間光調製器件被設置為厚度為12um。

進一步地，液晶空間光調製器件的調製電壓被設置為0.5V-5.5V。

進一步地，相位深度測量系統包括可調雷射器、分光稜鏡、反射鏡、光功率計和光調製器，光束從可調雷射器中發出，進入分光稜鏡進行分光，直接到達相位調製器表面，被相位調製器表面發射的光經過分光稜鏡達到光功率計。

進一步地，可調雷射器被設置為近紅外波段可調雷射器，波長範圍被設置為1525nm-1565nm。

進一步地，分光稜鏡可以對近紅外波段光進行分光，分為45°反射和垂直入射光束。

進一步地，光功率計被設置為近紅外波段光功率計、雷射光功率計中的一種。

進一步地，光調製器被設置為矽基液晶空間光調製器，可對液晶進行加電調製。

進一步地，光束偏轉衍射效率測量的計算方法被設置為光束偏轉後光束的功率值與光束未偏轉前的功率值的比值。

技術效果

本發明的一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法簡單，通過使用大雙折射率、大介電常數的液晶材料來實現6π相位深度，6π相位深度調製對比2π相位深度調製減小了折回區域的數量，能夠有效提升衍射效率，尤其是大角度偏轉下衍射效率提升明顯。

以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。

附圖說明

圖1是本發明的一個較佳實施例的一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法的理想的向列相液晶6π相位深度調製-2π相位深度調製對比示意圖。

圖2是本發明的一個較佳實施例的一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法的向列相液晶6π相位深度調製-2π相位深度調製形貌曲線對比圖。

圖3是本發明的一個較佳實施例的一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法的相位深度測量系統示意圖。

圖4是本發明的一個較佳實施例的一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法的衍射效率測量系統圖。

圖5是本發明的一個較佳實施例的一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法的衍射效率測量結果。

具體實施方式

本發明的一較佳實施例提供了一種提高向列相液晶光調製器件衍射效率的方法，包括以下步驟：

步驟一、將向列相液晶材料灌入液晶空間光調製器件中；

步驟二、搭建相位深度測量系統，進行相位深度測量，電場加到公共電極和像素電極層兩端，記錄下相位深度-灰度曲線；

步驟三、搭建衍射效率測量系統，進行光束偏轉衍射效率測量；

步驟四、調製光調製器件，對其加載調製灰度圖，依據相位深度-灰度曲線對其進行調製，形成理想折射率形貌曲線。

如圖1所示，為理想的向列相液晶6π相位深度調製-2π相位深度調製對比示意圖。圖中黑色曲線為普通的2π相位調製，在此處選擇3個像素為調製周期，淺灰色曲線為高相位深度6π調製曲線，調製周期為9個像素，圖中橫坐標為調製器的橫向位置，縱坐標為相位深度，單位為π。

如圖2所示，為向列相液晶6π相位深度調製-2π相位深度調製形貌曲線對比圖。圖中橫坐標為調製器的橫向位置，縱坐標為相位深度，單位為π。圖中黑色曲線為普通的2π相位調製，在此處選擇3個像素為調製周期，淺灰色曲線為高相位深度6π調製曲線，調製周期為9個像素。實際仿真效果曲線形貌以理想的調製曲線為目標進行逼近。曲線中有部分波動段屬於正常現象，是由於液晶分子折射率不連續分布造成的。由圖可看出，同等條件下6π調製曲線中的折回區域數量遠小於2π調製曲線，折回區域的總長度也要小於2π調製，且6π調製曲線與理想曲線的貼近度要高於2π調製，因而6π調製的衍射效率會高於2π調製，能夠有效提升光調製器件的衍射效率。

如圖3所示，為本發明相位深度測量系統示意圖。如圖3所示，1為雷射光源，在該實例中使用的是近紅外波段波長可調雷射器，波段範圍是1525nm-1565nm，2為分光稜鏡，3為反射鏡面，4為雷射功率計，5是相位調製器，光束從雷射器中發出，進入分光稜鏡2進行分光，穿過分光稜鏡2的光束直接到達相位調製器5表面，被相位調製器5反射的光經過分光稜鏡2反射，到達光功率計，被分光稜鏡2反射的光到達鏡面，經過鏡面反射，光束穿過分光稜鏡2，到達光功率計，經過相位調製器5反射和鏡面反射的兩束光在光功率計探測面處產生幹涉，相位調製器5上光束經過相位調製器5調製產生相位偏移，相位深度變化在光功率計探測面上得到的幹涉光功率就會發生變化。對相位調製器5進行加電調製，從0V加到5.5V，每一個電壓對應一個光功率值。

如圖4所示，為衍射效率測量系統圖。41為雷射光源，在本實例中使用的是近紅外波段波長可調雷射器，波段範圍是1525nm-1565nm，經光纖連接準直器42輸出，經過偏振片產生偏振光，光束打到空間光調製器43上，空間光調製器43對光束進行調製，光束髮生偏轉，光調製器驅動44一端連接面板43，一端連接電腦控制端45，電腦控制端對光調製器進行電壓調製，通過輸出光柵灰度圖來對其進行調製，被偏轉的光束打到接收屏46上，在接收處也可以放置光功率計對其進行光功率測量，該發明中的衍射效率是光束偏轉後的功率除以未偏轉時的功率。

如圖5所示，為本發明的衍射效率測量結果。由測量結果可看出，6π相位深度衍射效率要明顯高於2π相位深度調製，偏轉角度越大，衍射效率提高的越明顯。

本發明通過使用高相位深度調製提高了向列相液晶光調製器件的衍射效率，通過使用大雙折射率、大介電常數的液晶材料，以及合適的液晶盒厚度來實現了液晶材料的高相位深度，能夠實現5.5V電壓下近紅外波段基於向列相液晶相位調製器件6π調製相位深度，可應用於矽基液晶器件(LCOS)、空間光調製器(SLM)以及其他相位調製器件上，實現高衍射效率。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。