[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

说明书

本发明公开了一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，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，完成液晶偏振光栅的衍射角度调控。另外，一种液晶偏振光栅薄膜级联器件，包括N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偏振转换器、第一液晶偏振光栅和第二液晶偏振光栅，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。

技术领域

本发明涉及一种非机械式光束偏转技术，特别是涉及一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，可运用于激光空间通信、激光雷达、激光制导等。

背景技术

非机械光束扫描是一种实现激光光束方向精确控制的技术，具有体积小、速度快和易控制等优点，在航空航天、新体制激光雷达、空间光通信等领域有着广泛的应用前景。

液晶偏振光栅是一种超薄的衍射光学元件，相较于其他衍射元件，明显地减小了尺寸、重量和偏移角。然而，传统的液晶光栅面临着偏转角太小、衍射效率低、响应速度慢等问题。所以设计新型的基于液晶偏振光栅的光束偏转系统，以实现非机械式的大角度高精度的光束偏转系统是非常有必要的。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种液晶偏振光栅级联器件及其衍射角度调控方法，采用液晶偏振光栅与偏振转换器的级联，实现了角度的放大。解决目前衍射效率低、偏转角度小等问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种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，完成液晶偏振光栅的衍射角度调控。扭曲向列液晶盒起到了可控的宽带半波片的作用，对入射线偏光进行TE光和TM光的偏振电控切换。再利用宽带四分之一波片实现线偏振与圆偏振之间的转换。

本发明实施例还提供了一种上述液晶偏振光栅级联器件的衍射角度调控方法，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正状态不变，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液晶偏振光栅后，以0级衍射状态出射且偏振不发生变化。

该调控方法采用液晶偏振光栅与偏振转换器级联，以实现衍射角度的电控切换。将扭曲向列(TN)液晶盒、宽带四分之一波片作为偏振转换器实现液晶偏振光栅入射光偏振的转换，从而完成液晶偏振光栅的角度调控工作。

进一步的，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_bsinξ＝λ_B；