液晶与显示·封面｜基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转

本文由论文作者（课题组）投稿

光束偏转技术是对发射激光束的方向进行动态精准控制的一项技术。该技术在航空航天、激光通信、车载雷达、光信息处理与存储、生物医学和军事对抗等众多领域具有广泛的应用前景。

传统基于机械装置的光束偏转系统存在着结构复杂、精度低、体积大、能耗高等不足。新型的电光光束偏转元件如液晶光学相控阵可以通过波前相位控制来实现光束的电控扫描，具有体积小、重量轻、功耗低、可控性好等优点。但仍存在扫描角度小的不足。与液晶光学相控阵相比，液晶偏振光栅可以实现高效率、大角度的光束偏转。单一的液晶偏振光栅其衍射角是固定的，通过级联多个液晶偏振光栅，再辅以层叠可动态开关的半波片，即可实现一维乃至二维的光束偏转。该技术扫描角度大，但是精度不高。如将其与光学相控阵相结合来实现粗扫描与细扫描的互补，则可同时实现大角度、高精度的光束扫描。

目前，国内在液晶光控取向薄膜制备、高分辨液晶/聚合物薄膜取向微结构制备、大尺寸高精度光控取向曝光系统等各方面已取得重要积累，但尚需朝向大口径、快响应、大角度光束偏转系统进行深入研究。

针对上述挑战，西安空间无线电技术研究所袁方研究员、谭庆贵研究员与南京大学胡伟教授研究组合作，结合两种不同圆偏振全息光路制备了周期互补的大孔径液晶偏振光栅。近日，该项工作以“基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转”为题发表在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2022年第11期，并被选作当期封面文章。

图1：《液晶与显示》2022年第11期封面图

图2（a）-（c）展示了不同周期的液晶偏振光栅的偏光显微图以及液晶偏振光栅实物照片，通光孔径达到直径46 mm。通过优化液晶聚合物薄膜涂覆工艺以精确匹配半波条件，制备的液晶聚合物偏振光栅在1064 nm波长的衍射效率超过99%（图2（d））。使用光学透明胶可将液晶聚合物薄膜从玻璃基板上转移到透明柔性基板上，形成柔性的聚合物偏振光栅，如图2（e）。图2（f）直观展示了该液晶聚合物偏振光栅对日光灯的高效色散而形成的彩虹。

图2：（a）偏光显微镜下的液晶聚合物偏振光栅（633 nm）；（b）偏光显微镜下的液晶聚合物偏振光栅（1064 nm）；（c）大口径液晶聚合物偏振光栅实物照片；（d）偏振光栅（1064 nm）的衍射效率和衍射角与光栅周期的关系曲线；（e）柔性偏振光栅；（f）光栅对日光灯的衍射色散。
图源：液晶与显示，2022,37(11): 1411-1419. Fig.4

为实现大角度、快响应的光束偏转，研究人员构建了铁电液晶波片和λ/4波片组，实现了入射光圆偏振的快速转换，再级联两级液晶偏振光栅，从而实现了4通道的光束大角度快速扫描。图3(a)展示了联器件的示意图。图3（b）为铁电液晶半波片在不同驱动电压下的开态与关态的偏光显微照片。图3（c）是级联器件的实物照片。图3（d）展示了级联器件对直径为2 mm的高斯光束的转向效果。对四个偏转方向进行编码，记为00、01、10、11四个状态。图3（e）展示了施加20 V 500 Hz交流电，10到11编码切换的响应时间分别达到67 μs和69 μs，响应速度相比传统向列相液晶提高了2到3个数量级。

图3：（a）光束快速调制级联模块的光路图；（b）铁电液晶半波片在相反极性电压下液晶指向矢朝向及对应的正交偏光显微图，比例尺为 100 μm；（c）级联器件实物图；（d）光束转向效果；（e）驱动铁电液晶 500 Hz 的方波信号（上）及-1级（中）和-2级（下）的开关响应。
图源：液晶与显示，2022,37(11): 1411-1419. Fig.5

为解决光束系统扫描角度的限制，团队对大口径、快响应、大角度光束偏转系统进行了系统深入的研究。设计铁电液晶/液晶聚合物波片组并级联不同周期的偏振光栅组件，实现了70 μs级快速响应的大角度光束偏折，最大偏折角度达到了±22.9°，有望在空间通信、车载雷达和激光武器等领域获得应用。

| 论文信息 |

袁方，谭庆贵，王光耀，袁瑞，胡伟. 基于液晶偏振光栅的快速大角度光束偏转[J].液晶与显示,2022,37(11): 1411-1419.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0240

| 通讯作者介绍 |

胡伟，南京大学教授、博导，国家优秀青年基金获得者、江苏省杰出青年基金获得者、仲英青年学者。2004年东北林业大学本科毕业，2009年于吉林大学获得博士学位，同年到南京大学任教，历任讲师、副教授、教授，2011年暑期赴香港科技大学CDR短期访问。胡伟专注于液晶这一软物质体系，进行了液晶组装超结构、光寻址液晶调光技术、液晶光学元件三方面研究，已在 Nat. Commun., Light Sci. Appl., Adv. Mater., ACS Nano等发表论文163篇，申请发明专利84项，撰写专著章节7章，会议邀请报告40余次；主持国家自然科学基金、省部级项目、国防预研和企业技术开发项目多项。研究成果获评江苏省科学技术一等奖（2021）、黑龙江省高校科学技术成果奖一等奖（2021）和中国光学十大进展（2018、2019）。胡伟是中国物理学会液晶分会委员会委员、中国激光杂志社青年编辑委员会委员；担任《液晶与显示》、 Adv. Photon. Nexus, Sci. Rep.,Appl. Sci. 编委；胡伟是中国液晶青年学者论坛共同发起人，并承担多个国内外学术会议的组织工作。

阅读原文