一种紧凑化光束偏转器及其制备方法与流程

本发明涉及非机械式光束偏转技术领域，具体涉及一种紧凑化光束偏转器及其制备方法。

背景技术：

液晶偏振光栅是一种新型的光束偏转器件，基于几何相位调制原理，它能够将圆偏振光以近乎100％的衍射效率偏向+1级或者-1级，偏转的方向取决于入射光的偏振态。按照工作方式分类，液晶偏振光栅分为有源液晶偏振光栅和无源液晶偏振光栅：有源液晶偏振光栅与液晶波片结构类似，自身可以加电控制，光束可以直接透过(零级)；相反，无源液晶偏振光栅结构简单，自身不能加电控制，光束无法直接透过(没有零级)。要想实现无源液晶偏振光栅的动态光束调控，必须将其与液晶波片结合使用，通过电控液晶波片用以实现对入射光的偏振态进行调制，从而控制入射到无源液晶偏振光栅上面光束偏向+1级或者-1级，实现动态电控光束偏转。

当前，为了实现上述功能，主要有两种方式：第一种是液晶波片和液晶偏振光栅薄膜完全独立，光束分别经过液晶波片和液晶偏振光栅薄膜，通过调节液晶波片实现光束动态调节；第二种是在液晶波片基板外侧直接旋涂制备液晶偏振光栅薄膜，这种方法结构比第一种简单，同时减少了反射界面数目。上述两种方式的结构简单化、界面之间折射率的匹配程度以及光束偏转器件的能量利用率方面仍有待提高。

技术实现要素：

为了解决上述的问题，本发明提供一种紧凑化光束偏转器及其制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种紧凑化光束偏转器，包括液晶波片、液晶偏振光栅薄膜和液晶层，所述液晶波片包括第一基板和第二基板，液晶层位于第一基板和第二基板之间，液晶偏振光栅薄膜位于第一基板和第二基板之间。

一种紧凑化光束偏转器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在第一基板上镀第一ito导电薄膜，在第一ito导电薄膜上旋涂光敏材料，高温固化光敏材料，曝光固化的光敏材料使光敏材料发生光交联反应并记录曝光图案，得到第一光控取向膜；

步骤二、在第一光控取向膜上旋涂反应型液晶，在氮气保护环境下利用紫外光对旋涂的反应型液晶进行照射、固化，得到液晶偏振光栅薄膜，旋涂次数和旋涂转速按照液晶偏振光栅薄膜的厚度确定；

步骤三、在第二基板上镀第二ito导电薄膜；

步骤四、在液晶偏振光栅薄膜上旋涂取向剂，高温下固化取向剂，对固化的取向剂进行取向，得到第一取向膜；在第二ito导电薄膜上旋涂取向剂，高温下固化取向剂，对固化的取向剂进行取向，得到第二取向膜；

步骤五、将第一基板和第二基板平行放置，且第一取向膜和第二取向膜相向放置，压制成液晶盒，向液晶盒内第一取向膜和第二取向膜之间灌注液晶得到液晶层，将液晶盒封口，得到一种紧凑化光束偏转器，制备完成。

本发明的有益效果是：

本发明的一种紧凑化光束偏转器是将液晶偏振光栅薄膜制作在液晶波片基板内侧，其结构简单，反射界面数目少，而且界面之间折射率匹配程度高，菲涅尔反射损失少，能够大大提高界面之间折射率的匹配程度，显著提高光束偏转器件的能量利用率，能够便捷、快速的实现光束的动态调节。本发明的制备方法所制备的液晶偏振光栅薄膜条纹轮廓清晰、对比度高、缺陷少。

附图说明

图1为本发明的一种紧凑化光束偏转器的结构图。

图2为本发明的一种紧凑化光束偏转器的液晶偏振光栅薄膜的液晶分子在一个周期内连续变化图。

图3为本发明的一种紧凑化光束偏转器的液晶偏振光栅薄膜的偏光显微镜形貌图。

图4为本发明所公布的一种紧凑化光束偏转器的光束衍射效果图。

图中：1、第一基板，2、第一ito导电薄膜，3、第一光控取向膜，4、液晶偏振光栅薄膜，5、第一取向膜，6、液晶层，7、第二取向膜，8、第二ito导电薄膜，9、第二基板。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种紧凑化光束偏转器，包括液晶波片、液晶偏振光栅薄膜4和液晶层6，液晶波片包括第一基板1和第二基板9，液晶层6位于第一基板1和第二基板9之间，液晶偏振光栅薄膜4位于第一基板1和第二基板9之间。液晶波片、液晶偏振光栅薄膜4和液晶层6能够集成在一个液晶盒内部。液晶波片用以实现对入射光的偏振态进行调制。液晶偏振光栅薄膜4用以实现光束偏转，最终实现动态电控光束偏转。液晶偏振光栅薄膜4的厚度d满足δnd＝λ/2，其中：δn为液晶分子的双折射率，λ为入射光波长，液晶偏振光栅薄膜4的厚度满足半波条件。一种紧凑化光束偏转器的结构如图1所示。

液晶偏振光栅薄膜4中液晶分子沿第一基板1所在平面周期性排布，液晶分子的光轴在一个周期内连续变化，并满足如下关系式：

其中代表x位置处液晶分子的指向矢，λ代表液晶偏振光栅薄膜4偏振光栅的周期。液晶偏振光栅薄膜4的液晶分子在一个周期内连续变化如图2所示。

液晶波片还包括第一ito导电薄膜2、第一光控取向膜3、第一取向膜5、第二ito导电薄膜8和第二取向膜7。第一基板1、第一ito导电薄膜2、第一光控取向膜3、液晶偏振光栅薄膜4、第一取向膜5、液晶层6、第二取向膜7、第二ito导电薄膜8和第二基板9从上至下依次设置。液晶偏振光栅薄膜4中液晶分子沿第一基板1的下表面周期性排布。第一基板1和第二基板9：用于支撑一种紧凑化光束偏转器；第一基板1平行于第二基板9，液晶波片两侧基板(即第一基板1和第二基板9)反平行排列，第一基板1和第二基板9均可采用包括石英玻璃基板、钠玻璃基板、硼玻璃基板或铅玻璃基板。第一ito导电薄膜2和第二ito导电薄膜8：用以实现对液晶波片的驱动。第一取向膜5和第二取向膜7：用以实现液晶波片的分子取向；第一取向膜5和第二取向膜7均为摩擦取向膜，或者第一取向膜5和第二取向膜7均为光控取向膜。光控取向膜：经激光照射后发生光交联反应，诱使液晶聚合物分子取向得到液晶偏振光栅薄膜4。液晶偏振光栅薄膜4：液晶聚合物分子取向后经紫外光固化制备成的薄膜。液晶层6可采用向列相液晶或双频液晶。

液晶波片在电压控制下，液晶波片相位延迟量在0和π/2之间切换，当施加高电压时，液晶波片相位延迟量为0，当不加电压或施加低电压时，液晶波片相位延迟量为π/2。

一种紧凑化光束偏转器的制备方法，步骤如下：

1、液晶偏振光栅薄膜4的准备

首先分别利用丙酮、乙醇和超纯水顺次对第一基板1进行清洗，待烘干后，在第一基板1一侧蒸镀第一ito导电薄膜2，第一ito导电薄膜2厚度均约为20nm，随后在第一ito导电薄膜2上面旋涂光敏材料sd1，其厚度约为80nm，高温固化光敏材料(120℃下使光敏材料固化)。

曝光固化的光敏材料使光敏材料发生光交联反应并记录曝光图案，得到第一光控取向膜3；利用405nm激光作为光源，利用双光束干涉光路对上述第一基板1进行曝光，持续照射第一基板1、第一ito导电薄膜2和固化的光敏材料10min，使光敏材料充分发生光交联反应并记录曝光图案，得到第一光控取向膜3。

在第一光控取向膜3上旋涂反应型液晶，即在照射之后的光控取向玻璃基板上面旋涂反应型液晶rof，在氮气保护环境下利用全波段紫外光对旋涂的反应型液晶进行照射、固化5min，旋涂次数和旋涂转速按照液晶偏振光栅薄膜4的厚度确定，本实施方式中按照532nm激光半波条件反复旋涂三次，得到液晶偏振光栅薄膜4。

分别利用丙酮、乙醇和超纯水顺次对第二基板9进行清洗，待烘干后，在第二基板9一侧蒸镀第二ito导电薄膜8，第二ito导电薄膜8厚度均约为20nm。

2、液晶盒的制备

利用超纯水对上述带有液晶偏振光栅薄膜4的第一基板1再次进行清洗，之后在液晶偏振光栅薄膜4上旋涂取向剂，取向剂选用摩擦取向剂，230℃高温下固化取向剂，随后固化的取向剂在摩擦机下进行摩擦取向，得到第一取向膜5。

第二基板9进行同样的处理，在第二ito导电薄膜8上旋涂取向剂，230℃高温下固化取向剂，随后固化的取向剂在摩擦机下进行摩擦取向，得到第二取向膜7。之后制作边框胶，喷洒5μm的间隙隔垫物，将第一基板1和第二基板9反平行放置，即第一基板1平行于第二基板9，第一取向膜5和第二取向膜7相向放置，第一基板1和第二基板9相对应，如图1，第一基板1上的第一取向膜5表面向下，第二基板9上的第二取向膜7表面向上，第一取向膜5下表面对应第二取向膜7上表面，高温下固化，对固化的取向剂进行取向；将第一基板1和第二基板9平行放置，且第一取向膜5和第二取向膜7相向放置，压制成液晶盒，向液晶盒内第一取向膜5和第二取向膜7之间灌注液晶得到液晶层6，之后将液晶盒封口，得到一种紧凑化光束偏转器，制备完成。

本发明的一种紧凑化光束偏转器是将液晶偏振光栅薄膜4制作在液晶波片基板内侧，其结构简单，反射界面数目少，而且界面之间折射率匹配程度高，菲涅尔反射损失少，能够大大提高界面之间折射率的匹配程度，显著提高光束偏转器件的能量利用率，能够便捷、快速的实现光束的动态调节。