液晶光栅在国内科研单位的应用现状
发布时间:2020-04-26 17:24:38 编辑:麓帮主 阅读次数:1080

 

导读

通过光控取向或电控等方式使得液晶分子的取向在一定空间范围内呈周期性排列,即形成液晶光栅。从广义角度出发,将全息液晶/聚合物光栅、液晶空间光调制器、液晶电视等器件也划为液晶光栅的一种。该种器件通过液晶的双折射特性实现对光的振幅、相位、偏振等参数的调制。基于此类调控特性及液晶取向技术的可擦写性和局部可控性,国内目前有多家科研单位及高校展开了对液晶光栅应用的研究。本文介绍了液晶光栅在国内科研单位的应用现状。根据应用领域,主要介绍了液晶光栅在三维显示、光场调控及光束整形、光通信、特殊光学元件等方面的研究应用现状。

作者简介

王臻,北京理工大学光电学院硕士研究生,研究方向为基于液晶光栅的干涉测量技术。导师为胡摇副教授,研究方向为光电精密测量和计算成像。

 

 

引言

 

 

液晶光栅是通过光控取向或电控等方式获得在一定空间范围内液晶分子取向周期性分布的结构,可通过液晶的双折射特性对光的振幅、相位、偏振等进行调制。

如果构成光栅结构的材料不局限于液晶一种,则还存在全息聚合物分散液晶光栅及全息液晶/聚合物光栅等液晶与预聚物单体形成的光栅结构。这类光栅是通过预聚物单体的光聚合或光交联等反应而形成的液晶和聚合物折射率周期性变化结构。液晶空间光调制器(包括硅基液晶等)、液晶电视等器件在局部区域均可视为光栅,且对其进行特性分析计算时通常会将其简化为光栅结构,故本文将此类器件也纳入液晶光栅的范畴。

由于液晶光栅对光的调制特性,以及液晶光控和电控取向技术的可擦写性和局部可控性,国内有多家科研单位及高校对其展开了研究,将液晶光栅应用于多种领域。本文将简单介绍液晶光栅在三维显示、光场调控、光通信及特殊光学元件等领域的应用研究进展。

 

液晶光栅应用现状

 

 

1
三维显示

 

 

目前已有的三维(Three-dimensional, 3D)显示技术有很多,如双眼立体显示、全息显示和空间体显示等,其中双眼立体显示又分为裸眼3D和助视3D两种。液晶光栅主要被用于裸眼3D及全息显示领域。

 

裸眼3D显示

 

电子科技大学[1][2]研究了用于3D显示的液晶光栅制作方法,并初步研制出了3D图像显示原理样机;北京邮电大[3]提出了新型的技术方案,通过发明一种液晶动态光栅屏幕,经仿真及实验证明在解决分辨率损失问题及实现2D/3D兼容显示等方面具有可行性;福州大[4][5]设计并制备了可控液晶光栅(如图1所示)及其驱动电路,实现了视点数可控立体显示、时分全分辨率立体显示及2D/3D模式切换。

图1.可控液晶光栅立体显示系统结构。
 

全息显示

 

安徽大[6]-[8]实现了基于硅基液晶(Liquid crystal on silicon, LCOS)的空分复用彩色全息显示,并搭建了概念性验证系统;创新地使用了金属亚波长光栅代替现在的LCOS顶部ITO电极层,实现了在亚波长尺度操纵光,达到了[0, 2π]的相位调制范围,并研究了该相位调制器件的工艺制备流程。哈尔滨工业大[9]设计制作了不同厚度的基于光导覆层ZnSe的三明治结构液晶盒,并对其全息特性进行了系统的探究。上海理工大[10]制备了纳米银掺杂的三色激发全息聚合物分散液晶光栅,并据此设计了全彩色RGB立体显示图像分束器件,实现了RGB三色光对三种子光栅无衍射角度偏移的左右眼图像分束和再现。
 
2
光场调控及光束整形
  
基于其衍射特性,液晶光栅被广泛应用于特殊光场的产生及调控,如涡旋光、艾里光、高斯光、矢量光、高阶庞加莱球光束及高阶贝塞尔光束等,同时,液晶光栅也可实现特殊光场之间的相互转换。图2所示为涡旋光的波前及光强分布示意图。

图2.m=1的涡旋光的(a)螺旋波前与(b)光强分布示意图。

哈尔滨工业大学基于空间光调制器和计算机相位全息技术产生艾里光束的方法,在理论和实验上研究了艾里光束的轨迹控制和阵列生成,并对其在扰动环境中传输的情况进行了实验模拟[11]

南京大[12]-[16]基于光控取向液晶,实现了涡旋光的高效产生、动态调制、阵列操控和宽带检测,并进一步实现了太赫兹涡旋的产生与调制;获得了高斯光、涡旋光、矢量光、艾里光以及它们结合光场之间的相互转换;提出了完美高阶庞加莱球光束的概念,并利用动态光控取向液晶的方法产生了此种新型特殊光场;利用光取向技术设计和制备了基于几何位相的贝塞尔涡旋模板,对入射高斯光束进行调控,实现了贝塞尔涡旋光束(高阶贝塞尔光束)的产生。

南通大[17][18]使用液晶空间光调制器制作复合相位光栅,产生三维光学势阱阵列。山西大[19]基于液晶空间光调制器产生并优化提纯了高阶拉盖尔高斯光束。武汉理工大[20]利用液晶空间光调制器作为整形器件,将高斯光强分布的激光束成功整形为平顶光束。

 

3
光通信
  

液晶光栅在光通信中的应用,主要体现在液晶空间光调制器作为液晶光学相控阵应用于空间激光通信中的非机械式光束偏转,实现光束的捕获、跟踪、瞄准。图3所示为可实现非机械式光束偏转的液晶数字光束偏转器及其级联效果示意图。

图3.液晶数字光束偏转器。

电子科技大[21]设计并实现了基于液晶光学相控阵的光束捕获-跟踪系统,并且对其远场衍射效率进行了优化。中国科学院研究生院[22]-[24]对于液晶光栅用于光束偏转做了理论研究,并通过实验着重对光束偏转系统响应时间及闭环带宽等性能进行了优化。

 

4
特殊光学元件
   

由于液晶光栅具有相位及偏振调制功能,且液晶光控及电控取向技术有着区域可控取向的优势,液晶光栅经常被开发形成特殊光学元件,用来实现一些传统光学元件实现起来较为复杂的功能。

东南大[25]研究了几何相位透镜的制备过程,尤其关注了其中的取向方式及装置。哈尔滨工业大[26]研究了液晶取向分布对于太赫兹波传播的影响,并且基于理论分析和数值模拟制备了起偏-液晶-检偏结构的太赫兹调制器,实现了较好的调制效果。湖北工业大[27][28]基于液晶空间光调制器的可编程控制特性,将多个不同菲涅尔透镜与液晶闪耀光栅镶嵌在一起,实现了长焦深复用透镜及消色差透镜。南京大[12]与湖南大[29]使用DMD曝光系统,成功制作了液晶消偏器,可将线偏振光转换为随机偏振光。华中科技大[30][31]基于LCOS动态相位光栅的光束偏转技术,设计了一种自由空间光学结构的带通型可调谐光学滤波器阵列,该器件是全光网络重要节点设备可重构光分插复用器的下载模块中的核心光器件。全息液晶/聚合物光栅还可用作为激光器中的谐振腔,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所[32]-[38]在这方面做了诸多研究,多年来使激光器的阈值、线宽、转化效率三方面均得到不同程度提升,并在可调谐激光器方面也得到了进展,实现了可连续精密调谐的18 nm调谐范围。

 

结语

 

 

液晶光栅通过液晶的双折射特性可实现对光的振幅、相位、偏振等参数的调制。由于其调制特性及液晶取向技术的可擦写性和局部可控性,液晶光栅得到了广泛的研究。本文将液晶空间光调制器等类光栅器件纳入液晶光栅的范围,从三维显示、光场调控及光束整形、光通信、特殊光学元件等领域简要介绍了液晶光栅在国内科研单位中的应用研究现状。
 
 
参考文献:
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