[發明專利]一種液晶偏振光柵周期調控方法

有效

• 申請號: 202010970062.0
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112114458B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 郭琦;徐東;趙慧潔
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02F1/13363
• 分類號: G02F1/13363;G02F1/1335;G02B5/30;G02B5/18
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一種液晶偏振光柵周期調控方法，提供了一種基于單次曝光制備方案的周期調控方法。首先，通過改變曝光光路中偏振調制元件的楔角以及擺放角度實現對曝光光束偏振分布的有效控制。進一步的，通過改變基板傾角實現液晶偏振光柵周期的調控。所述方法在于通過改變曝光光路結構參數包括棱鏡楔角、曝光光束入射角、基板傾角，實現曝光過程中對液晶偏振光柵的周期精確調控。該方法的優點在于可調光柵周期范圍大，調節靈活性高，曝光穩定性高，制備流程簡單且成本低。為基于偏振調控的液晶偏振光柵單次曝光制備方案提供優化。

技術領域

本發明涉及的單次曝光制備液晶偏振光柵的周期調控方法，是一種可實現對液晶偏振光柵周期進行靈活調控的新型方法。本發明屬于光學元器件的制造技術領域，特別涉及一種通過改變曝光光路結構參數以實現調控液晶偏振光柵周期的方法。

背景技術

液晶偏振光柵作為一種新型的衍射光學元件，將偏振分離和光束偏轉功能結合在一層液晶薄膜中，附著在透明基底上。液晶偏振光柵根據入射光的偏振態，可在±1級次之間調控衍射光的偏振態及能量分布。當液晶膜層厚度滿足半波條件時，可實現極高的衍射效率。

在實際應用中，不同應用場景對光柵衍射角有不同的需求。由衍射光柵方程可知，液晶偏振光柵衍射角的大小由光柵周期決定。液晶偏振光柵中液晶分子的指向矢在一維方向上呈正弦式周期排列，指向矢每變化180°為一個光柵周期，在偏光顯微鏡下對應兩個亮暗條紋，如圖1所示。

在制備過程中，光敏材料被曝光光束照射后，根據曝光光束的偏振態進行取向，進而憑借其特性誘導液晶分子定向排列，最終實現液晶偏振光柵的結構。光柵周期大小是在曝光過程中被確定，因此，較大的周期制備范圍及精準的周期調控能力成為液晶偏振光柵曝光方法追求兩個關鍵指標。

目前較為常見的曝光方法為雙光束干涉法。雙光束干涉曝光法常用于制備周期范圍在微米級及亞微米級的小周期偏振光柵。雙光束干涉法需要較小的干涉角以及較長的曝光距離實現大周期光柵的制備，因此，存在制備幾十微米甚至上百微米的大周期液晶偏振光柵困難的問題。此外，在制備不同周期的偏振光柵時，雙光束干涉法對光路參數精確度以及環境的穩定度要求較高。基于雙折射元件的曝光法可以通過改變棱鏡楔角、基板傾角、棱鏡入射角等光路結構參數來調控光柵的周期大小，能夠在簡單的光路中實現周期達幾十微米至上百微米偏振光柵的制備；除此之外，相比于其他曝光方法，該方法可調光柵周期范圍大，調節靈活性高，曝光穩定性高，制備流程簡單且成本低。

發明內容

本發明的技術方案是：一種液晶偏振光柵周期調控方法，基于雙折射棱鏡的單次曝光光路，通過調整曝光光路中的偏振調制元件實現對曝光光束偏振分布的有效控制，通過改變基板傾角實現偏振光柵周期的靈活調控。

本發明的具體實現方法為：按照圖2所示光路圖搭建曝光光路。建立三維直角坐標系，以曝光光束前傳播方向為Z軸，設定雙折射棱鏡處于初始擺放位置時，其與光軸方向平行的直角面垂直于Z軸，此時，定義棱鏡光軸方向為Y軸，與Y-Z平面垂直的方向為X軸。

該曝光光路特征在于：包括

激光器：作為光源為光路提供曝光光束；

偏振片：將曝光光束調制成偏振方向與棱鏡光軸夾角為45°的線偏振光；

擴束鏡：用于擴束并準直曝光光束；

置于旋轉臺1上的雙折射棱鏡：使入射棱鏡的曝光光束產生雙折射，進而產生具有一定夾角的o光與e光；

四分之一波片：將出射棱鏡的曝光光束調制成偏振方向沿光軸方向連續變化的線偏振光；

置于旋轉臺2上的基板：用于承載經旋涂光敏材料溶液后所形成的光控取向層。

所述的單次曝光光路，由激光器發出的曝光光束傳播過程中依次經過：偏振片、擴束鏡、置于旋轉臺1上的雙折射棱鏡、四分之一波片，被調制為沿Y軸方向連續變化的線偏振光照射到置于旋轉臺2上的基板誘導光敏材料取向；