[发明专利]一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法

权利要求书

1.一种液晶偏振光栅级联器件的衍射角度调控方法，其特征在于，液晶偏振光栅级联器件，由左至右依次包括扭曲向列液晶盒、宽带四分之一波片和第一液晶偏振光栅，其中，扭曲向列液晶盒与宽带四分之一波片组合为偏振转换器，用来实现入射光偏振的转换，完成第一液晶偏振光栅的衍射角度调控；

假设入射光场偏振为TE线偏光；

当扭曲向列液晶盒加电压为0时，TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光，然后经过第一液晶偏振光栅后发生+1级衍射；

当扭曲向列液晶盒加电压不为0时，入射的TE线偏光透过扭曲向列液晶盒但保持偏振状态不变，之后TE线偏光通过宽带四分之一波片后变成左旋圆偏光；但是当左旋圆偏光入射第一液晶偏振光栅后，以0级衍射状态出射且偏振不发生变化；

第一液晶偏振光栅的二维周期结构能够产生一系列倾斜的具有周期性的折射率平面，折射率平面的倾斜角ξ计算公式为：

ξ＝arctan(Λ_y/Λ_x) ；

其中，Λ_x表示液晶分子光轴与z轴之间夹角沿x方向变化周期长度，Λ_y表示液晶分子在y方向呈现出螺旋结构的周期长度；

如果第一液晶偏振光栅的液晶分子层足够厚，则布拉格衍射能够被建立，布拉格衍射公式为：

2n_effΛ_b sinξ＝λ_B ；

其中，Λ_b代表布拉格周期，λ_B代表入射光的波长，n_eff代表液晶分子层的等效折射率，计算公式为：

其中，n_e表示液晶分子中e光的折射率，n_o表示液晶分子中o光的折射率；

求非布拉格条件下入射光束入射偏振体全息光栅的入射角θ_i对应的衍射角度时，通过平面光栅公式得到衍射光束与入射光束之间的角度关系，即：

式中，θ_diff表示衍射角，n_glass表示玻璃波导的折射率值，λ表示满足布拉格条件的波长，θ_inc表示在空气中的入射角，m表示衍射级次，Λ_x表示第一液晶偏振光栅x方向上的水平周期长度。

2.一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，其特征在于，包括N个基本单元，N≥1，各基本单元之间竖直平行设置，且各基本单元级联间存在空气层，基本单元由左至右依次包括液晶偏振光栅级联器件和第二液晶偏振光栅，液晶偏振光栅级联器件由左至右依次包括扭曲向列液晶盒、宽带四分之一波片和第一液晶偏振光栅，其中，扭曲向列液晶盒与宽带四分之一波片组合为偏振转换器，用来实现入射光偏振的转换，完成第一液晶偏振光栅的衍射角度调控；第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅中液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同，从而分别衍射左旋与右旋光束，实现光束±1级衍射；入射光经第一基本单元后将发生一级衍射，前一基本单元的衍射光束将成为后一基本单元的入射光束，继续进行衍射，实现2^N个衍射角度调控。

3.根据权利要求2所述的一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，其特征在于，液晶偏TE线偏光透过扭曲向列液晶盒后转变为正交的TM线偏振光，在通过宽带四分之一波片后变成圆偏振光。

4.根据权利要求2所述的一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，其特征在于，可控衍射角度只能分布于光栅方程限制下的衍射级次角度上。