[发明专利]一种光控液晶空间光调制器及其应用

说明书

技术领域

本发明属于液晶取向控制技术领域，特别涉及一种液晶空间光调制器及其应用。

背景技术

液晶在信息显示、光学及光子学器件等领域具有广泛应用。高质量的液晶取向控制是向列相液晶所有应用的一个先决条件。光控取向是新近发展起来的一种非接触式的液晶取向方法，它利用光敏材料在紫外线偏光照射下发生定向光交联、异构化或光裂解反应而取向，克服了上述不足，具有重要的应用前景。利用光控取向技术制备液晶器件可以实现相位调制、偏振调制、振幅控制等，适用于光开关、液晶光栅、滤波器、可调光衰减器、可调焦透镜等的制备，可广泛应用于通讯、成像、显示、传感和光学控制等领域。

传统商用液晶空间光调制器，是利用结构化电极阵列分别控制每一个像素液晶的倾角，从而实现不同区域的位相控制，实现对入射光束的整形和操控。由于每一个像素尺寸较大，对于一般激光都需要扩束、缩束等复杂的光路系统；背电极的存在，杂散光严重，大大降低产生光束的质量和效率；同时，结构化电极使得商用空间光调制器价格昂贵，操作不便。

故，需要发明一种便捷实用的新型液晶空间光调制器，能够完全克服传统光控取向技术和商用空间光调制器的缺陷。

发明内容

本发明的目的是：设计一种新型光控液晶空间光调制器，基于DMD的动态显微曝光系统控制任意图形和偏振状态的液晶取向，利用光取向材料的可擦写性对取向结构实时重构，实现光控的液晶空间光调制器；并公开基于该光控液晶空间光调制器的应用方法。

本发明公开一种光控液晶空间光调制器，包括：光源组件、动态掩模生成组件、图形缩微组件及载物台；其中，光源组件用于生成准直光束；动态掩模生成组件用于对入射光进行微区调制，包括作为反射式动态掩模的DMD和用于掩模图形输入的控制系统；图形缩微组件用于将从动态掩模生成组件输出的反射光缩微成像在载物台上的基片上，包括会聚透镜、显微物镜和偏振片；其特征在于：显微物镜为可调式显微物镜，可根据实际光束尺寸选择合适的缩微物镜倍数机动调节有效区域大小：光控取向材料为具有显著的可擦写性的偶氮染料SD1，用于实现液晶取向的实时重构。

进一步的，DMD具有多个微小反射镜，每一个微小反射镜构成一个像素，可通过由控制系统控制使其独立绕轴偏转，使反射光进入和折出光路。

进一步的，DMD共有1024×768个微小反射镜，各微小反射镜为边长13.68μm的正方形。

进一步的，偏振片为电控精密旋转偏振片，用于调节偏振方向控制光强和时间完成曝光。

进一步的，光控液晶空间光调制器还包括实时监控组件，用于确定基片位置是否准确处于系统的像平面上，其包括分束棱镜、CCD和监控终端。

进一步的，由于偶氮类SD1只记录最后一次足够计量的曝光偏振方向，为避免液晶对紫外光的折射影响，对液晶盒施加一定电压使液晶分子垂直于盒上下面排列，或温度加热到液晶清亮点以上使液晶分子处于各向同性的液态，再进行擦除、图案重写。

本发明还公开一种具有上述任意特征的光控液晶空间光调制器的应用，将旋涂偶氮类SD1光取向材料的两片基片经曝光后获得均匀一致的初始取向，然后把初次曝光的基片胶合成盒，再利用光控液晶空间光调制器进行二次曝光艾里模板图案后，将两片基片组成液晶盒并在清亮点以上灌入液晶E7即可得到液晶艾里模板；其中，二次曝光的方向与初次曝光方向垂直，液晶盒里二次曝光区域和未二次曝光区域液晶分子均呈平行PA取向，但两者取向互相正交。

进一步的，入射波长为671nm的高斯模激光经所述液晶艾里模板，以产生高质量的艾里光束。

本发明还公开一种具有上述任意特征的光控液晶空间光调制器的应用，将旋涂光控取向剂并成膜的两片基片制备成盒，将空盒置于光控液晶空间光调制器进行曝光，对其指向矢模拟图进行分割，通过动态多步重叠曝光实现亮暗的周期性变化，以获得偏振光栅；其中，动态多步重叠曝光是指每次只曝光其中一部分区域，下一次曝光的区域是前一次曝光平移一定距离后的位置，两次曝光区域有所重叠，多次曝光的总剂量才足以使得光控取向剂达到稳定状态，在改变曝光区域的同时调节偏振片的角度。

进一步的，液晶取向方向与偏振片平行处呈现暗态，与偏振片夹角为45°区域为最亮处；偏振光栅只存在零级和正负一级衍射强度，且正负一级为相互正交的圆偏光；通过调节位相差可以实现零级与正负一级之间的能量分布调控，通过调节入射光的偏振态可以实现正一级和负一级之间的能量调节。