【摘要】：液晶偏振光柵是一種基于幾何相位原理的新型光柵器件,它作用于圓偏振光,具有電光可調(diào)性和偏振可調(diào)性,其一級(jí)衍射效率理論可達(dá)到100%,在紅外凝視系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、偏振成像系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,被譽(yù)為第四代光學(xué)元件,具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。但是,目前基于傳統(tǒng)的雙光束干涉的偏振全息制備方法制備長(zhǎng)周期(幾十微米以上)光柵較為困難,液晶偏振光柵還存在響應(yīng)速度慢、存在二級(jí)衍射現(xiàn)象等問(wèn)題,阻礙了其在目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用,本論文針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)研究,并設(shè)計(jì)制備了一套基于液晶偏振光柵的大角度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。首先,本論文設(shè)計(jì)了馬赫-曾德干涉儀式液晶偏振光柵曝光光路,用以解決傳統(tǒng)制備光路難以制備長(zhǎng)周期光柵的問(wèn)題。研究中,提出了馬赫-曾德干涉儀式液晶偏振光柵曝光光路,并完成了光路的設(shè)計(jì)與搭建,解決了傳統(tǒng)光路制備長(zhǎng)周期偏振光柵困難的問(wèn)題。激光束經(jīng)過(guò)小孔濾波后,被準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直,然后使用兩個(gè)PBS對(duì)激光束進(jìn)行分束和合束,并用一個(gè)1/2波片和一個(gè)1/4波片分別控制兩束光的能量比和偏振態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)圓偏振偏振全息。在第二個(gè)PBS下面安裝精密轉(zhuǎn)臺(tái)控制兩束正交圓偏振光的夾角,以控制制備的偏振光柵周期。使用此馬赫-曾德式曝光光路成功制備了小至3μm大至500μm的液晶偏振光柵,衍射效率可達(dá)98%,解決了傳統(tǒng)光路制備長(zhǎng)周期偏振光柵困難的問(wèn)題。其次,本論文研究了液晶偏振光柵的二級(jí)衍射問(wèn)題,從液晶偏振光柵的理論模型和偏振全息光場(chǎng)角度分析了二級(jí)衍射光出現(xiàn)的原因。研究中,建立了出現(xiàn)二級(jí)衍射液晶偏振光柵的理論模型并分析了偏振光柵出現(xiàn)二級(jí)衍射的原因。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在二級(jí)衍射的偏振光柵在偏光顯微鏡下觀察時(shí)有相鄰條紋粗細(xì)不均的現(xiàn)象,表明在一個(gè)光柵周期內(nèi)液晶分子不再是均勻排列。針對(duì)這種液晶分子非線性排列的偏振光柵,本論文建立了它的理論模型,并通過(guò)光柵矢量理論分析發(fā)現(xiàn),確實(shí)存在二級(jí)衍射光,并計(jì)算了一級(jí)及二級(jí)衍射光效率隨相鄰條紋粗細(xì)比值的變化曲線,與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。隨后,通過(guò)研究液晶偏振光柵的偏振全息記錄光場(chǎng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩疊加光束的光強(qiáng)不等且偏振態(tài)不為圓偏振光時(shí),所形成的偏振態(tài)光場(chǎng)的長(zhǎng)軸不再是線性變化,由此光場(chǎng)取向的液晶分子也不再是線性排布,此時(shí)形成了偏光顯微鏡下觀察到的粗細(xì)不均的光柵條紋。采用上述理論分析結(jié)果調(diào)節(jié)光路,有效抑制了偏振光柵的二級(jí)衍射現(xiàn)象。再次,針對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)式液晶偏振光柵響應(yīng)速度慢的問(wèn)題,本論文設(shè)計(jì)了基于混合排列液晶盒的雙頻液晶偏振光柵。研究中,提出了將混合排列液晶盒與雙頻液晶相結(jié)合的液晶偏振光柵結(jié)構(gòu),可在較低工作電壓下(10(1)實(shí)現(xiàn)亞毫秒的響應(yīng)速度。并在實(shí)驗(yàn)室基于5μm厚的液晶盒和雙頻液晶制備了混合排列的雙頻液晶偏振光柵,在不同電壓和入射光偏振態(tài)下,其各級(jí)衍射效率均可達(dá)95%以上,并測(cè)得它的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間分別為650μs和950μs。因此,混合排列的雙頻液晶偏振光柵可在較低工作電壓下達(dá)到亞毫秒量級(jí)的響應(yīng)速度。接著,利用所設(shè)計(jì)的混合排列液晶偏振光柵模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能將一束光衍射成光束陣列的二維液晶偏振光柵。研究中,提出了二維液晶偏振光柵的混合排列模型,并利用瓊斯矩陣與光柵矢量衍射理論相結(jié)合的方法推導(dǎo)了二維液晶偏振光柵的各級(jí)次的偏振特性、偏轉(zhuǎn)角度和衍射效率公式。并在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了三種不同光柵矢量角的二維液晶偏振光柵,它們的二級(jí)衍射效率最高可達(dá)到90%。最后,在實(shí)用化系統(tǒng)的研究中,將所制備的液晶偏振光柵與液晶相控陣相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了全電控的大角度高精度的光束掃描系統(tǒng)。具體為:提出了將液晶偏振光柵與液晶相控陣相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了二維的非機(jī)械的大角度高精度的光束偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)。將多片液晶偏振光柵相累加,可實(shí)現(xiàn)一個(gè)大角度(±20~°)的一維光束偏轉(zhuǎn),然后再使用一套相同的液晶偏振光柵,光柵矢量旋轉(zhuǎn)90~°放置,這樣就可以實(shí)現(xiàn)二維的大角度光束偏轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)高精度的光束偏轉(zhuǎn),設(shè)計(jì)了分焦點(diǎn)式光路將該套偏振光柵與液晶相控陣串聯(lián),由液晶偏振光柵完成光束的粗偏轉(zhuǎn),并用液晶相控陣來(lái)填充液晶偏振光柵的偏轉(zhuǎn)步長(zhǎng)�；诖朔N方法實(shí)現(xiàn)了二維的視場(chǎng)角±20~°的高精度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。通過(guò)本論文的研究,有望將這種頗具競(jìng)爭(zhēng)力的光學(xué)器件在激光雷達(dá)、激光通信、激光武器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O436.3
【圖文】：

圖 1. 1 使用龐加萊球表示的幾何相位原理示意 1. 1 The principle of geometric phase shown in po設(shè)計(jì)兩個(gè)半波片，使得兩個(gè)半波片的快軸位原理，一束左旋圓偏振光分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)個(gè) ( 2 )的相位差�；谶@種原理，目前[9]的排布結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以設(shè)計(jì)出想要的幾何的光學(xué)元件又被稱(chēng)為幾何相位元件或者 Prry Optical Element）。

圖 1. 2 相位延遲片型幾何相位元件的原理圖. 2 The principle of geometric phase elements realized b的動(dòng)態(tài)相位，幾何相位具有三個(gè)不同的特性。何相位的幾何參量有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，幾何相位方位角的兩倍；或者說(shuō)，幾何相位由各向異性散此，任何一種空間變化的幾何相位形狀原理上性媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)，這使得制備出極薄的薄膜光學(xué)同于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相位，幾何相位大小對(duì)于入射位媒介來(lái)講，產(chǎn)生0和 （p為任意整數(shù)）的產(chǎn)生它們的幾何相位媒介的方位角和形狀是相

圖 1. 3 基于超表面結(jié)構(gòu)的幾何相位光柵的衍射特性 3 The diffraction properties of geometric phase grating base表面結(jié)構(gòu)中亞波長(zhǎng)光柵的光柵矢量分布，使其沿 1.4 所示的幾何相位透鏡。其中，圖 1.4（A）所微鏡下觀察到的光柵形貌，內(nèi)含焦平面處光斑的為左旋圓偏振光入射時(shí)，測(cè)量所得的經(jīng)幾何相位的強(qiáng)度輪廓，沿水平坐標(biāo)軸展示的為光束沿光軸方示的為焦點(diǎn)處光斑橫截面上的強(qiáng)度分布。此幾何焦距為 100μm，數(shù)值孔徑為 0.43，由圖 1.4（b）非常優(yōu)秀，交點(diǎn)處光斑的半高全寬為 670nm，接

【參考文獻(xiàn)】

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1 王超;董科研;江倫;安巖;;圓環(huán)孔徑衍射高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角研究[J];紅外與激光工程;2015年12期

2 張健;方運(yùn);吳麗瑩;徐林;;液晶光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)[J];中國(guó)激光;2010年02期

3 李梅,路慶華,王宗光;液晶光取向技術(shù)[J];高分子通報(bào);2000年04期

4 錢(qián)學(xué)森;光子學(xué)、光子技術(shù)、光子工業(yè)[J];光電子·激光;1993年02期

本文編號(hào)：2746485