（光学工程专业论文）可实现激光扫描的液晶闪耀光栅的设计与研究.pdf

：t ? “! 产 i 乒 气 、 独创性声明 l i l l lll l l l l ll1 1 l l ll l l l l l l l y 17 14 0 5 5 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：p 年f 月歹日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：伽o 年s 月j 1 日 t t ，_ p ， ， 一 f ( 摘要 摘要 量集中到某一特定的闪耀级次上，但普通闪耀光栅一经 制成其光栅常数及闪耀角便确定下来。利用液晶在电场的作用下光学性质得到改 变的特性，液晶闪耀光栅可以通过编程控制灵活改变光栅常数及闪耀角，从而与 光束扫描技术很好的结合起来，有望成为一种体积小、重量轻、功耗低、无机械 转动、响应速度快的光束扫描器，能够应用于光开关、投影显示、空间光通信、 光学加工、目标探测、激光雷达等广泛的领域，成为国际上研究的热点。但是受 器件制作工艺水平的限制，目前国内的研究多处于理论阶段，对液晶闪耀光栅制 作工艺的研究就显得非常重要。 本文依托具体的科研项目，针对液晶闪耀光栅的研制开展了如下工作： 1 ) 建立并分析理论模型 基于衍射光学理论和二元光学原理，结合液晶的连续弹性体理论及电控双折射 效应，建立液晶闪耀光栅的理论模型，分析液晶闪耀光栅的偏转特性及衍射效率； 2 ) 制定实施方案 分析液晶闪耀光栅的设计要点，根据具体要求与技术指标形成可行的实施方 案，明确器件研制的努力方向； 3 ) 关键制作工艺的研究与实现 对于器件制作中的关键工艺，选择合适的加工手段，根据理论指导，通过实验 研究获得其恰当的工艺参数，不断总结经验，提高制作工艺水平，对于实际中可 能遇到的问题，进行深入研究和探讨，力争制作出与设计方案一致的器件； 4 ) 器件效果及性能测试 对制作完成的器件进行一系列测试，验证器件理论模型的准确性，检验器件制 作的可靠性，对器件的制作工艺水平进行定量评价，以指导制作工艺的优化方向； 5 ) 提出优化方案 分析可能存在的问题，提出优化解决的方案，为器件的不断改进奠定基础。 关键词：液晶闪耀光栅方案设计制作工艺 ， ， 参 ，一 ，、 t - 、 簟 a b s t r a c t a b s t r a c t b l a z e dg r a t i n gc a l lc o n c e n t r a t eb e a me n e r g yt oas p e c i f i co r d e r , b u ti t sg r a t i n g c o n s t a n ta n dt h eb l a z ea n g l ew i l lb ed e t e r m i n e da f t e rt h eb l a z e dg r a t i n gw a sm a d e w i t h t h el i q u i dc r y s t a lc h a r a c t e r i s t i c st h a tt h eo p t i c a lp r o p e r t i e sw e r ec h a n g e a b l eu n d e rt h e e l e c t r i cf i e l d ，l i q u i dc r y s t a lb l a z e dg r a t i n gc o u l df l e x i b i l i t yc h a n g et h eg r a t i n gp e r i o d s a n db l a z ea 1 1 西e sb yp r o g r a m m e dc o n t r 0 1 w i t hb e a ms c a n n i n gt e c h n o l o g y ，i tw a s e x p e c t e dt ob e c o m eas m a l l ，l i g h tw e i g h t , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , n om e c h a n i c a l r o t a t i o n , f a s tr e s p o n s el i g h tb e a ms c a n n e r , a n dc a nb eu s e di no p t i c a ls w i t c h i n g , p r o j e c t i o nd i s p l a y s ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , o p t i c a lp r o c e s s i n g , t a r g e td e t e c t i o n , l a s e r r a d a r , w i d ea r e a h o w e v e r , b e c a u s eo fr e s t r i c t i o n so nt h el e v e lo ft h ed e v i c e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h ec u r r e n tm u l t i - n a t i o n a lr e s e a r c hi nt h e o r e t i c a l ，t os t u d y0 1 1t h e l i q u i dc r y s t a lb l a z e dg r a t i n gf a b r i c a t i o np r o c e s si sv e r yi m p o r t a n t t h i sr e l i e so ns p e c i 丘cr e s e a r c hp r o j e c t s ，f o rl i q u i dc r y s t a lb l a z e dg r a t i n gw o r k c a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 ) c r e a t e da n da n a l y z e dt h e o r e t i c a lm o d e l s b a s e do nd i f f r a c t i o no p t i c sa n d b i n a r yo p t i c st h e o r y , c o m b i n e dw i t ht h ec o n t i n u o u s e l a s t i ct h e o r yo fl i q u i dc r y s t a la n de l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e db i r e f r i n g e n c ee f f e c to fl i q u i d c r y s t a lb l a z e dg r a t i n g , at h e o r e t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ed e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fl i q u i dc r y s t a lb l a z e dg r a t i n ga n dt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y ；, 2 ) d e v e l o p e di m p l e m e n t a t i o np l a n s l i q u i dc r y s t a lb l a z e d 伊a t i n gd e s i g nd e m e n t sw e r ea n a l y s e d ；ap o s s i b l es o l u t i o n w a sg e n e r a t e da c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i c a li n d i c a t o r s ；ac l e a r d i r e c t i o nf o rt h ed e v i c ew a s d e v e l o p e d ； 3 ) k e yp r o d u c t i o np r o c e s sa n di t si m p l e m e n t a t i o n s u i t a b l ep r o c e s s i n gm e a n sw e r ec h o o s e df o rt h ek e yd e v i c ep r o d u c t i o np r o c e s s ， a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lg u i d a n c e ；t h ea p p r o p r i a t ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eg o t t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , a n dt h el e v e lo fp r o d u c t i o np r o c e s sw e r ei m p r o v e db y e x p e r i e n c ew e r ec o n s t a n t l ys u m m e du p ；t h ep r o b l e m st h a tm a yb ee n c o u n t e r e di n l l a b s t r a c t p r a c t i c ew e r ei n d e p t hs t u d ya n de x p l o r a t i o n ，a n ds t r i v et op r o d u c et h ed e v i c ec o n s i s t e n t w i t ht h ed e s i g n ； 4 ) t e s t so fd e v i c er e s u l t sa n dp e r f o r m a n c e s f i n i s h e dd e v i c e sw e r et e s t e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h et h e o r e t i c a lm o d e la n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c ep r o d u c t i o n ；t h el e v e lo ft h ed e v i c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a s q u a n t i t a t i v ea p p r a i s e dt og u i d et h ed i r e c t i o no fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o n ； 5 ) p r o p o s e do p t i m i z a t i o ns c h e m e a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，p o s s i b l ep r o b l e m sw e r ea n a l y s e d ；o p t i m a ls o l u t i o nt o t h ep r o b l e mw a sp r o p o s e df o r t h eb a s i so f c o n t i n u o u s l yi m p r o v e m e n to ft h ed e v i c e s k e y w o r d s ：l i q u i dc r y s t a lb l a z e dg r a t i n g ，d e s i g no f p r o d u c t i o n ，p r o c e s s i i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 光束扫描技术的发展1 1 1 1 机械扫描2 1 1 2 声光扫描3 1 1 3 电光扫描4 1 1 4 电光数字式扫描5 1 1 5 光学相控阵6 1 2 液晶光栅的发展1 0 1 2 1 传统的液晶光栅1 0 1 2 2 液晶聚合物光栅1 1 1 2 3 液晶光栅的制作方法。1 l 1 3 本文主要工作1 3 1 4 本文内容安排1 4 第二章液晶闪耀光栅的工作原理及理论分析1 5 2 1 平面透射光栅15 2 2 闪耀光栅17 2 3 二元光学闪耀光栅1 8 2 4 液晶闪耀光栅1 9 2 4 1 液晶的连续弹性体理论2 0 2 4 2 液晶双折射现象及电控双折射效应2 1 2 4 3 液晶闪耀光栅的实现思想2 3 2 4 4 液晶闪耀光栅的特性分析2 4 第三章液晶闪耀光栅的设计2 8 3 1 液晶闪耀光栅结构设计2 8 3 1 1 光栅电极阵列设计2 9 3 1 2 光栅驱动电极设计3 0 3 1 3 光栅驱动辅助电极设计3 2 目录 3 1 4 液晶材料选择及液晶盒设计3 3 3 2 液晶闪耀光栅实施方案3 4 3 2 1 光栅电极阵列实施方案3 5 3 2 2 光栅驱动电极实施方案3 5 3 2 3 光栅驱动辅助电极实施方案3 7 3 2 4 液晶材料确定及液晶盒实施方案3 8 第四章液晶闪耀光栅的制作工艺4 0 4 1 液晶闪耀光栅电极图案光刻掩模的制作4 1 4 2 液晶闪耀光栅下基板制备4 4 4 2 1i t o 玻璃基片制备。4 4 4 2 2 金属银层制备4 5 4 2 3 液晶闪耀光栅电极光刻流程。4 8 4 2 4 液晶闪耀光栅电极光刻胶图案制备4 9 4 2 5 液晶闪耀光栅电极图案刻蚀5 1 4 2 6 液晶闪耀光栅电极图案去胶5 5 4 2 7 液晶闪耀光栅阵列电极银层刻蚀5 6 4 2 8 液晶闪耀光栅阵列电极区域取向一5 6 4 3 液晶闪耀光栅上基板的制备5 8 4 3 1 引出金属电极层的制备5 8 4 3 2 液晶闪耀光栅上基板i t o 面取向5 9 4 4 液晶闪耀光栅液晶盒制备5 9 4 4 1 液晶闪耀光栅液晶盒封盒。5 9 4 4 2 液晶闪耀光栅液晶盒灌晶6 0 4 4 3 液晶盒上下基板公共电极导通6 1 4 5 液晶闪耀光栅驱动芯片、软带线的绑定6 1 4 5 1 驱动芯片的绑定6 l 4 5 2 软带线的绑定6 2 4 6 液晶闪耀光栅制作总结6 3 第五章液晶闪耀光栅的测试“ 5 1 基于液晶闪耀光栅的扫描器组件6 4 5 2 液晶闪耀光栅驱动性能测试6 5 5 2 1 测试目的6 5 v 目录 5 2 2 测试设备及方案6 5 5 2 3 测试原理6 5 5 2 4 测试结果及分析6 7 5 2 5 测试结论一6 8 5 3 液晶闪耀光栅偏转特性测试6 9 5 3 1 测试目的6 9 5 3 2 测试设备及方案6 9 5 3 3 测试结果及分析7 0 5 - 3 4 测试结论7 3 5 4 液晶闪耀光栅波前相位反演测试7 3 5 4 1 剪切干涉装置及相位反演系统简介7 3 5 4 2 测试液晶盒制作误差对激光波前的影响7 4 5 4 3 测试液晶盒加不同电压时对激光波前的影响7 5 第六章液晶闪耀光栅的优化设计7 7 6 1 液晶闪耀光栅扫描效果分析7 7 6 2s d d l 2 8 9 驱动方案分析7 7 6 2 1s d d l 2 8 9 驱动方案简介7 7 6 2 2s d d l 2 8 9 驱动方案不足7 9 6 - 3 改进的液晶闪耀光栅驱动方式8 1 6 4 改进后的液晶闪耀光栅方案设计8 4 6 4 1 改进后的液晶闪耀光栅电极结构方案一8 4 6 4 2 改进后的液晶闪耀光栅驱动方案设计8 4 第七章结束语9 1 7 1 工作总结9 1 7 2 工作展望9 1 致 射9 3 参考文献9 4 攻读硕士学位期间的研究成果9 8 v l 第一鸯绪论 第一章绪论 由于激光具有频率高、能量集中、指向性好的特性，因此在自由空间光通信、 光学加工、目标探测、投影显示等领域具有很高的应用价值。实际应用中常常需 要对激光束进行偏转或扫描，光束偏转器便成为光学系统中的关键器件之一。光 束偏转及扫描质量的好坏成为影响光学系统性能的关键因素之一。 光学相控阵作为一种新的电光偏转器件，其概念来源于微波相控阵，与其他类 型的光束偏转器相比具有结构简单、体积小巧、随机角度偏转、多光束控制、动 态聚焦分束等特点。同时因其分辨率及准确度高、电控可编程的优点，被越来越 多的应用在激光雷达及光通信技术领域。 本文利用液晶作为电光材料的实现了一种透射式的光学相控阵器件，以傅立叶 光学原理结合二元光学为理论基础，按照一定技术指标对其结构进行设计，利用 液晶的电控特性实现激光雷达液晶相控阵的扫描功能，具有体积小、重量轻、功 耗低、无机械转动等优点，具有取代机械激光雷达扫描的潜力。为了进一步提高 偏转的效果并实现扫描，对相控阵器件的设计及驱动加以研究并改进。本文中的 液晶光学相控阵列为一维排布，其对入射激光的相位调制以及使光束产生偏转及 扫描都是在一维方向上实现，实质是一种液晶闪耀光栅，下文将液晶光学相控阵 列通称为液晶闪耀光栅。 1 1 光束扫描技术的发展 光束扫描技术根据不同的应用，分为两大类：一种是光束偏转角度连续变化的 模拟式扫描，能够描述光束的连续位移；另一种是不连续的数字扫描，它是在选 定空间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变”。从扫描方式上主要可分为三 种：机械扫描、声光扫描、电光扫描。随着集成电路产业的发展，结合数字电路 可以对扫描角度进行更准确的控制，因此越来越多的采用数字扫描的方式，同时 三种方式的扫描都对偏转器采取了一定的阵列化手段来提高性能。其主要的性能 参数包括：扫描范围、可分辨点数、扫描速度、衍射效率等。 电子科技人学硕士学位论文 1 1 1 机械扫描 机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。激 光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束的 方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。 机械扫描的角度大，受温度影响小，光的损耗小，而且适用于各种光波长的扫 描。不仅可以用在各种显示技术中，而且还可用在微型图案的激光加工装置中。 但当反射镜高速扫描时，会产生如惯性形变、克服风阻需消耗大量功率、机械结 构的损耗等一系列问题。通过将反射镜小型化、阵列化，可以有效避免上述问题。 t i ( 美国德州仪器) 公司开发的数字微镜元件d m d 器件，将5 0 1 3 0 万个 微镜片聚集在c m o s 硅基片上，一片微镜片表示一个象素，切换时间在1m s 以下。 微镜片的尺寸为1 4p m x l 4l a i n ( 或1 6p m x l 6l a m ) ，其转动受控于来自c m o sr a m 的数字驱动信号，当数字信号被写入s r a m 时，静电激活地址电极、镜片和轭板 ( y o k e ) 以促使微镜片下方的铰链装置转动。但镜片仅有1 2 。偏转两种状态。 1 9 9 8 年，由b u m s 和b n g l a t 等【l 】最先报导了一种微型可编程闪耀光栅( m i c r o p r o g r a m m a b l eb l a z e dg r a t i n g , 肛p b g ) ，利用微机电系统( m i c r o e l e c t r o - m e - c h a n i c a l s y s t e m s ，m e m s ) 技术，能实现光栅闪耀角的动态调制。后不断改进，2 0 0 9 年，虞益 挺和苑伟政等【2 】采用两层多晶硅表面微加工工艺进一步提高了其闪耀角。每一工作 单元采用独特的d i m p l e 光栅微梁结构，光栅微梁上表面覆盖一层金属铝膜，充当 反射镜提高器件的光学反射率并提供引线焊盘。通过作用在微梁及基底之间的驱 动电压强度来控制微梁的倾斜角度。 初始状态下，光栅栅条在宽度方向上的截面，如图1 1 ( a ) 所示；当驱动电压达到 v l 时，d i m p l e 结构的底部开始与基底接触，如图1 1 ( b ) 所示；当驱动电压达到v 2 时 ( v 2 v 1 ) ，光栅微梁以接触部位为支点开始绕支撑梁扭转，从而实现不同的闪耀角0 ， 如图1 - 1 ( c ) 所示。 d i m p l e 魁谨德臻 ( a f b ) ( c ) 图l - ld i m p l e 光栅微梁工作原理 ( a ) 初始状态( b ) 接触基底( c ) 光栅扭转 2 第一章绪论 1 1 2 声光扫描 声光扫描的原理是利用改变声波频率来改变衍射光的方向，如图1 2 所示。由 声光布拉格衍射理论，光束以o g 角入射产生衍射极值，应满足布喇格条件： o i = - 驴o b , s i n 驴壶 ( 1 - 1 ) z ，z 几f 海 ，的衍射光 的番i 射光 图l - 2 声光扫描原理图 布喇格角一般很小，可写为乏 = _ l f s ，其中a 为入射光波的波长， z ，z 2 n v s 五s 为超声波的波长，垤为超声波的波速，矗为超声波的频率，故衍射光与入射光间 的夹角( 偏转角) 0 等于布拉格角如的2 倍，即 口= q + 岛= 2 0 n = 生一石 ( 1 2 ) 订 可以看出：改变超声波的频率石，就可以改变其偏转角口，从而达到控制光束 传播方向的目的。超声频率改变a f 引起光束偏转角的变化为 a 0 = 三钒 ( 1 3 ) ，ly s 为了保证布拉格条件在较大频率范围内得以满足，将换能器分成数片构成阵 列，使进入声光介质的超声波是由各换能器发出的超声波叠加合成，形成一个倾 斜波面，合成超声波的主方向随声波频率的改变而改变。 电子科技大学硕士学位论文 面 图1 - 3 卢光换能器阵列( a ) 阶梯式( b ) 平面式 换能器阵列的形式分为阶梯式和平面式两种。阶梯式结构如图1 3 ( a ) 所示， 把声光介质磨成一系列阶梯，各阶梯高差为v , 2 ，阶梯宽度为s ，各片换能器粘接 在各个阶梯上，相邻两换能器间的相位差为咖，因而每个换能器所产生的超声波 波面间也有巾弧度的相位差，使在介质中传播的声波等相面随之发生倾斜转动， 其转动的角度是随频率而改变的。这样就相当于改变了入射光束的角度，使之满 足布喇格条件。还有一种是平面结构，如图1 3 ( b ) 所示。两者工作原理基本相 同。 1 1 3 电光扫描 电光扫描利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如图1 4 所示。 a _ ，： 丑 图1 4 电光扫猫原理 光束沿y 方向入射到长度为三，厚度为d 的电光晶体，如果晶体的折射率是坐 标x 的线性函数，即 行g ) ：拧+ a 7 n z ( 1 - 4 ) 用折射率的线性变化孕代替垒，那么光束射出晶体后的偏转角0 可根据折射 口x口 定律s i i l 纠s i i l = 力求得。设s i n o 口1 ，则 o = n o ：一三垒：屯塑( 1 - 5 ) ddx 4 第章绪论 式中的负号是由坐标系引进的，即p 由y 转向z 为负。 图1 5 所示的是根据这种原理作成的双k d p 楔形棱镜扫描器。由两块k d p 直 角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿瓢y 和z 轴方向，但两块晶体的z 轴反向平行。 光线沿j ，方向传播且沿x 方向偏振。这种扫描器的可见光偏转角很小，仅数个微弧 度，很难达到实用要求。 舻 图l - 5 双k d p 楔形棱镜扫描器 为了使偏转角加大，而电压又不致太高，因此常将若干个k d p 棱镜在光路上 串联起来，构成长为砒、宽为d 、高为h 的偏转器，如图1 - 6 所示。光束通过扫 描器后，总的偏转角为每级( 一对棱镜) 偏转角的m 倍，一般肌为4 1 0 ，不能 无限增加的主要原因是激光束有一定的尺寸，而h 的大小有限，光束不能偏出h 之外。 ，托 n - m f 赢恕跪蕊纛 矗l 趁+ 血刀地堙 1 1 4 电光数字式扫描 图1 - 6 多级棱镜扫描器 它是由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图1 7 所示。图中s 为k d p 晶体，b 为方解石双折射晶体( 分离棱镜) ，它能使线偏振光分成互相平 行、振动方垂直的两束光，其间隔b 为分裂度，口为分裂角( 也称离散角) 。 电子科技人学硕+ 学位论文 图i 7 数字式扫描原理 上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字扫描器，入射的线偏振光随 电光晶体上加和不加半波电压而分别代表“0 ”和“l 状态。 若把n 个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n 级数字式扫描。图1 8 所示 为一个三级数字式扫描器，使入射光分离为2 3 个扫描点的情况。 s ib 1s 2是b 3 图1 8 三级数字式电光扫描器 ￥z 皆 olo l ll 00l l 0l 2 i3 00o 用两个彼此垂直的万级扫描器组合起来就可以使可扫描的位置分布在二维方 向上，得到2 n x 2 n 个二维可控扫描位置。 1 1 5 光学相控阵 上文中机械扫描、声光扫描都采用了一些阵列化的手段来解决单一偏转单元存 在的一些问题，可以适用于一定的领域。而对于电光扫描，采用多级级联方式可 以扩大扫描角度，但存在尺寸、效率等问题，光学相控阵技术应运而生。 光学相控阵的思想源于微波相控阵，基于电光扫描的原理，通过对光束相位的 改变来改变偏转方向。光学相控阵由许多个移相器构成阵列，通过调节从各个移 相器上出射的光相位之间的关系，使衍射出的光在设定方向上都彼此同相，产生 彼此加强的干涉，于是光束便向设定的方向偏转，而在其它方向上干涉的结果就 是彼此相消，所以在其它方向上的光强度接近于零。 由于光波长比微波波长短的多，相应器件的工艺难度非常大。1 9 7 1 年， r a m e y e r l 3 才用l i n b 0 3 移相器制成第一个具有4 6 个阵列单元的一维光学相控阵， 每个单元都有独立的控制电极，实现了对光束的相位控制，验证了光学相控阵的 6 第一章绪论 基本概念，如图1 9 所示。 图1 9l i n b 0 3 的光学相位调制阵列 1 9 7 3 年，n i n o m i y a 4 , 5 1 提出了一维电光棱镜型相位调制阵列，其角扫描精度比 单个电光棱镜( 如图1 5 所示) 提高了n 倍，实现了在6 0 0v 电压下分辨出5 0 个 不同的扫描角度，如图1 1 0 所示。 图1 1 0 基于电光棱镜的l i n b 0 3 光学相位调制阵列 1 9 9 1 年，d p w i g h t 等【q 设计了由a 1 g a a s 光波导材料构成的一维光学相控阵光 束扫描器，利用波导制作光学延迟线，实现了在3 0 v 电压下远场光束2 0 。的扫描， 如图1 1 1 所示。 i l l | l , l l 图l 。l l 基于a i g a a s 光波导的光学相位调制阵列 7 电子科技大学硕+ 学位论文 但这几种方式都存在传输损耗过大的问题，尚达不到实用化的要求。p l z t 7 , 8 】 铁电透明陶瓷材料是一类复合钙钛矿型结构的功能材料，具有优异的电光特性， 优于l i n b 0 3 单晶十几倍，自1 9 8 7 年至今，获得了许多研究人员的长期关注，在 电光开关 9 , 1 0 】、高速光束扫描器【1 1 , 1 2 】等器件研究方面显示出了良好性能，并得到了 持续改进。其采用表面电极结构【l3 1 ，通过切向电场的作用改变介质的折射率，从 而导致入射光束的相位变化。为了实现大角度的扫描和角分辨率，需要很精细的 电极结构，如图1 1 2 、1 1 3 所示。 g e 凡，i b t z r i 一。蝌 ： 。蝌 百强矿霉丽霉面下,length 图1 1 2p l z t 光学相控阵的表面电极结构 图1 1 33 2 通道表面电极p l z t 光学相控阵技术的器件封装图 基于以上几种材料的光学相控阵，除了a 1 g a a s 光波导材料以外，其他应用电 压都高达几百伏，不易于和集成电路相匹配，难以满足光学相控阵对多单元同时 控制的要求。而液晶因其相对低的驱动电压( 1 1 0v ) ，结合集成电路技术在显示 技术领域已经得到了广泛的应用。 得益于液晶显示器产业的迅猛发展，基于液晶的光学相控阵器件被开发出来， 并且已有商业化产品面世。2 0 0 1 年美国b n s ( b o u l d e rn o n l i n e a rs y s t e m s ) 公司发布 了一维衍射液晶空间光调制器( 图1 1 4 ) ，有4 0 9 6 个可独立寻址单元，能够偏转8 0 0 0 个不同的角度，有效孔径7 4 m m x 6 m r f l ，系统波长范围5 1 4 i 吼到1 5 5l u n 1 4 1 。 第一章绪论 图1 1 4b n s 公司在2 0 0 1 年发布的一维衍射液晶空间光调制器 2 0 0 6 年b n s 公司发布的一维液晶空间光调制器，如图l 一1 5 ( a ) ，可独立寻址 单元扩展到1 2 2 8 8 个，扫描角度为4 。一7 。，有效孔径1 9 6 6m m 1 9 6 6r n n l ，系 统波长范围6 3 5n l n 到1 5 5i t m ；2 0 0 7 年，其又发布了二维的液晶空间光调制器， 如图1 1 5 ( b ) ，可独立寻址单元2 6 2 1 4 4 ( 5 1 2 x 5 1 2 ) 个，有效孔径为7 6 8 7 6 81 1 1 1 1 1 2 ， 系统可用波长为5 3 2 ，6 3 5 ，7 8 5 ，1 0 6 4 ，1 5 5 0n m 1 5 1 。产品实物图如下： ( a )( b ) 图1 1 5b n s 公司的( a ) 一维液晶空间光调制器( b ) 二维液晶空间光调制器 同期，雷声( r a y t h e o n ) 1 1 6 】公司为d a r p a 的“灵巧控制光速 ( s t a b ) 项目也 开发了非机械式激光束控制技术，液晶相控阵单元具有较大的孔径( 4c r n 4c m ) ， 约有4 3 0 0 0 个独立的相控单元，实现了2 0 。较大角度的扫描，指向精度达到微弧 度量级。但以上相控阵均采用反射式结构，而透射式的液晶光学相控阵器件光路 设计更加灵活，适用领域更广。 2 0 0 8 年哈尔滨工业大学的张建等人研制了含1 0 2 4 个控制电极的透射式液晶光 学相控阵组件，电极的宽度和间距分别为1 01 t m 和8g m ，液晶盒厚度为5 8l a i n 。 由f p g a 对其中6 0 个驱动电极实现了可编程控制，最大偏转角度为2 0 0 1 4 0 ，但 是由于电极间距形成的“相位凹陷造成的衍射旁瓣对偏转光束效率影响很大， 仅作了定性讨论【1 7 , 1 8 】。2 0 0 0 年后，电子科技大学依托自身在激光通信、激光器件、 微波雷达，特别是微波相控阵雷达等领域的雄厚研究基础和长期研究经验，对光 9 镯匀j；，囊0锡1_霸 电子科技人学硕十学位论文 学相控阵的体制和系统结构进行了前期概念研究，取得了多项进展和成果，但受 限于光学相控阵器件的研制，研究成果基本上还局限在实验室内。 1 2 液晶光栅的发展 将液晶作为相控单元，构成一维光学相控阵，其结构设计基于液晶光栅的原理。 最初的液晶光栅结构很简单，虽然能够实现衍射效果，但是效率很低，实用性差。 随着液晶材料的不断发展和新的工艺手段的实现，液晶光栅的结构越来越复杂， 出现了p d l c 、p n l c 等新型结构的光栅，工艺越来越完善，制作手段上也有光掩 膜法、全息法等等。工作模式也不再是简单的平面结构，出现了锯齿型光栅、二 元阶梯光栅等等以满足不同场合的需要。 1 2 1 传统的液晶光栅 传统的液晶光栅结构比较简单，如图1 1 6 所示，将液晶夹在两片玻璃基板之 间，两侧玻璃基板上均有透明i t o 电极，其中一侧为周期排列的条形电极阵列， 另一侧为完整的平面电极，在两侧基板上进行液晶取向，使其间的液晶分子沿面 排列或者混合排列。 图1 1 6 传统液晶光栅 在一定的电压作用下液晶折射率会发生改变，而只有两侧均有电极的区域液晶 折射率才会发生改变，当在上述两侧电极之间施加一定的电压时，会产生周期性 的电场，引起液晶折射率的周期分布，从而导致透射光相位延迟的周期性变化， 且随着加载电压的不同而不同。取向处理也会影响液晶光栅的阈值电压和灰度等 级，混合排列取向具有较低的阈值电压，且灰度等级也较多。 2 0 0 1 年，s c h a r i f l 9 1 等人利用高双折射率的向列型液晶b l 0 0 6 ( an = 0 2 7 8 ) 制 作了一种相位光栅，包含1 9 2 个宽度和间距为3 或4p a n 的条形电极，液晶盒厚度 6g m ，由计算机控制频率为1k h z 、幅度为啦5v 的交流电驱动，当一个周期内 包含1 2 个电极时一级衍射效率达到了6 0 以上，但是驱动电路比较复杂，器件模 1 0 第一章绪论 块如图1 1 7 所示。 图1 1 7 包含1 9 2 个条形电极的液晶相位光栅 2 0 0 3 年，h i r o o 2 0 1 等人制作了一种t n 型液晶相位光栅用于三维图像采集，在 6 0 x 4 0 r a m 2 的区域内有9 6 0 个条形电极，同时使用脉宽调制控制( p w m c ) 和帧 比例控制( f r c ) 技术，令其实现了2 5 6 个灰度等级。 1 2 2 液晶聚合物光栅 传统液晶光栅体积小、驱动电压低、分辨率高、衍射特性改变方便等优点使其 可以广泛应用于光谱测量、光束控制、光信息处理、光通信等领域，但是其衍射 效率与光的偏振性有关，需要高分辨率的电极图案去优化调制相位曲线等特点限 制了其实用性的发展。随着聚合物高分子新材料的问世，出现了液晶聚合物光栅。 其原理为先将液晶与聚合物混合在一起，然后在特定的条件下产生相分离，分 别形成具有不同折射率状态的液晶层和相栅层，并且其折射率状态可以由电场进 行调制。根据液晶与聚合物比例的不同，又区分为聚合物分散液晶( p d l c ) 和聚 合物网络液晶( p n s l c ) 两种。前者聚合物含量一般在3 0 以上，液晶以微滴形 式分散在连续的聚合物介质中；后者聚合物含量在1 0 以下，液晶为连续相，少 量的聚合物结构分布在液晶中【2 1 1 。 1 2 3 液晶光栅的制作方法 传统液晶光栅的结构最为简单，采用普通液晶盒的制备方法即可实现，不同的 区别在于光栅电极图案的分辨率以及光栅阵列电极是否可以单独控制。 在传统的液晶光栅的基础上，将预聚物和液晶的混合物灌注在普通的液晶盒 电子科技大学硕十学位论文 中，再进行均匀的光照，使预聚物完全聚合，液晶以1 2 1 x m 大小的微滴形式分散 在聚合物薄膜中，就制成了最简单的液晶聚合物光栅【2 引。选用液晶的折射率与聚 合物的折射率近似相等，当未加电压时，液晶分子在微滴中随机排布，薄膜对光 呈散射态，若加载一定的电压令液晶分子沿着一致的方向排列，液晶与聚合物的 折射率完全匹配，则薄膜对光呈透射态。通过改变液晶盒电极上的电压使液晶聚 合物薄膜对光呈周期性的散射透射状态，从而可实现衍射光栅的效果，如图1 1 8 所示。这种方式实现的衍射效率很低，较高的衍射效率仍需要高分辨率的电极图 案，即将液晶盒一侧的条形电极通过光刻的方式制成越来越精细的结构。 图1 1 8p d l c 光栅的横截面结构及在i t o 条状电极施加交流电时形成的衍射级次图 采用相分离的方式制作液晶聚合物光栅，可以获得更好的效果。研究中产生 了光刻法【2 3 1 、光掩膜法【2 4 阁、全息法【2 6 】等多种方式。 光刻法是将聚合物先制成薄膜，覆盖在经过取向的玻璃基板上，然后再用光栅 图案为掩膜进行光刻，制作成聚合物栅条，再灌注液晶成盒，这样就制成了边缘 整齐、衍射效率高的液晶聚合物光栅。 光掩膜法是以明暗相间的光栅图案为掩膜，用光照射预聚物和液晶的混合物， 光照的地方预聚物聚合成高分子，未被光照处的预聚物由于扩散原理向光照处漂 移，继续聚合，而液晶分子则向未被光照处集中，形成聚合物液晶光栅结构。这 种方式对于不同的光栅需要不同的光栅图案，不太方便，于是诞生了全息法。其 诱导聚合物液晶相分离的周期性光场采用激光干涉的方法实现。两束激光在空间 干涉后产生光强的明暗分布，将预聚物和液晶的混合物放在干涉处，即可产生相 分离，从而形成光栅。 以上各种方法具有各自的优点和缺点，适用的领域也有所不同。总体而言，它 们的制作工艺与常见的固体平面光栅相比更加简单且具有电场可调性。随着研究 的不断深入和应用领域的不断扩大，液晶光栅将会有更多的完善和创新，克服自 身的缺点，更好的服务于各个领域。 1 2 第一章绪论 1 3 本文主要工作 本文基于二元光栅原理设计一种可实现激光扫描的液晶闪耀光栅，该种液晶闪 耀光栅可以完成入射激光在3 。范围内的扫描任务。通过编程控制电压使扫描级 次的光达到衍射效率最高，改变所加电压的周期来改变扫描角度。 本课题在二元光学的基础上，结合