本文由論文作者（課題組）投稿

光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)是對(duì)發(fā)射激光束的方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)在航空航天、激光通信、車載雷達(dá)、光信息處理與存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)和軍事對(duì)抗等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)基于機(jī)械裝置的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、體積大、能耗高等不足。新型的電光光束偏轉(zhuǎn)元件如液晶光學(xué)相控陣可以通過(guò)波前相位控制來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的電控掃描，具有體積小、重量輕、功耗低、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。但仍存在掃描角度小的不足。與液晶光學(xué)相控陣相比，液晶偏振光柵可以實(shí)現(xiàn)高效率、大角度的光束偏轉(zhuǎn)。單一的液晶偏振光柵其衍射角是固定的，通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)液晶偏振光柵，再輔以層疊可動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)的半波片，即可實(shí)現(xiàn)一維乃至二維的光束偏轉(zhuǎn)。該技術(shù)掃描角度大，但是精度不高。如將其與光學(xué)相控陣相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)粗掃描與細(xì)掃描的互補(bǔ)，則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)大角度、高精度的光束掃描。

目前，國(guó)內(nèi)在液晶光控取向薄膜制備、高分辨液晶/聚合物薄膜取向微結(jié)構(gòu)制備、大尺寸高精度光控取向曝光系統(tǒng)等各方面已取得重要積累，但尚需朝向大口徑、快響應(yīng)、大角度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所袁方研究員、譚慶貴研究員與南京大學(xué)胡偉教授研究組合作，結(jié)合兩種不同圓偏振全息光路制備了周期互補(bǔ)的大孔徑液晶偏振光柵。近日，該項(xiàng)工作以“基于液晶偏振光柵的快速大角度光束偏轉(zhuǎn)”為題發(fā)表在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2022年第11期，并被選作當(dāng)期封面文章。

圖1：《液晶與顯示》2022年第11期封面圖

圖2（a）-（c）展示了不同周期的液晶偏振光柵的偏光顯微圖以及液晶偏振光柵實(shí)物照片，通光孔徑達(dá)到直徑46 mm。通過(guò)優(yōu)化液晶聚合物薄膜涂覆工藝以精確匹配半波條件，制備的液晶聚合物偏振光柵在1064 nm波長(zhǎng)的衍射效率超過(guò)99%（圖2（d））。使用光學(xué)透明膠可將液晶聚合物薄膜從玻璃基板上轉(zhuǎn)移到透明柔性基板上，形成柔性的聚合物偏振光柵，如圖2（e）。圖2（f）直觀展示了該液晶聚合物偏振光柵對(duì)日光燈的高效色散而形成的彩虹。

圖2：（a）偏光顯微鏡下的液晶聚合物偏振光柵（633 nm）；（b）偏光顯微鏡下的液晶聚合物偏振光柵（1064 nm）；（c）大口徑液晶聚合物偏振光柵實(shí)物照片；（d）偏振光柵（1064 nm）的衍射效率和衍射角與光柵周期的關(guān)系曲線；（e）柔性偏振光柵；（f）光柵對(duì)日光燈的衍射色散。
圖源：液晶與顯示，2022,37(11): 1411-1419. Fig.4

為實(shí)現(xiàn)大角度、快響應(yīng)的光束偏轉(zhuǎn)，研究人員構(gòu)建了鐵電液晶波片和λ/4波片組，實(shí)現(xiàn)了入射光圓偏振的快速轉(zhuǎn)換，再級(jí)聯(lián)兩級(jí)液晶偏振光柵，從而實(shí)現(xiàn)了4通道的光束大角度快速掃描。圖3(a)展示了聯(lián)器件的示意圖。圖3（b）為鐵電液晶半波片在不同驅(qū)動(dòng)電壓下的開(kāi)態(tài)與關(guān)態(tài)的偏光顯微照片。圖3（c）是級(jí)聯(lián)器件的實(shí)物照片。圖3（d）展示了級(jí)聯(lián)器件對(duì)直徑為2 mm的高斯光束的轉(zhuǎn)向效果。對(duì)四個(gè)偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)行編碼，記為00、01、10、11四個(gè)狀態(tài)。圖3（e）展示了施加20 V 500 Hz交流電，10到11編碼切換的響應(yīng)時(shí)間分別達(dá)到67 μs和69 μs，響應(yīng)速度相比傳統(tǒng)向列相液晶提高了2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖3：（a）光束快速調(diào)制級(jí)聯(lián)模塊的光路圖；（b）鐵電液晶半波片在相反極性電壓下液晶指向矢朝向及對(duì)應(yīng)的正交偏光顯微圖，比例尺為 100 μm；（c）級(jí)聯(lián)器件實(shí)物圖；（d）光束轉(zhuǎn)向效果；（e）驅(qū)動(dòng)鐵電液晶 500 Hz 的方波信號(hào)（上）及-1級(jí)（中）和-2級(jí)（下）的開(kāi)關(guān)響應(yīng)。
圖源：液晶與顯示，2022,37(11): 1411-1419. Fig.5

為解決光束系統(tǒng)掃描角度的限制，團(tuán)隊(duì)對(duì)大口徑、快響應(yīng)、大角度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。設(shè)計(jì)鐵電液晶/液晶聚合物波片組并級(jí)聯(lián)不同周期的偏振光柵組件，實(shí)現(xiàn)了70 μs級(jí)快速響應(yīng)的大角度光束偏折，最大偏折角度達(dá)到了±22.9°，有望在空間通信、車載雷達(dá)和激光武器等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

| 論文信息 |

袁方，譚慶貴，王光耀，袁瑞，胡偉. 基于液晶偏振光柵的快速大角度光束偏轉(zhuǎn)[J].液晶與顯示,2022,37(11): 1411-1419.

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

| 通訊作者介紹 |

胡偉，南京大學(xué)教授、博導(dǎo)，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者、江蘇省杰出青年基金獲得者、仲英青年學(xué)者。2004年?yáng)|北林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)，2009年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，同年到南京大學(xué)任教，歷任講師、副教授、教授，2011年暑期赴香港科技大學(xué)CDR短期訪問(wèn)。胡偉專注于液晶這一軟物質(zhì)體系，進(jìn)行了液晶組裝超結(jié)構(gòu)、光尋址液晶調(diào)光技術(shù)、液晶光學(xué)元件三方面研究，已在 Nat. Commun., Light Sci. Appl., Adv. Mater., ACS Nano等發(fā)表論文163篇，申請(qǐng)發(fā)明專利84項(xiàng)，撰寫(xiě)專著章節(jié)7章，會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告40余次；主持國(guó)家自然科學(xué)基金、省部級(jí)項(xiàng)目、國(guó)防預(yù)研和企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目多項(xiàng)。研究成果獲評(píng)江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（2021）、黑龍江省高?？茖W(xué)技術(shù)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2021）和中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展（2018、2019）。胡偉是中國(guó)物理學(xué)會(huì)液晶分會(huì)委員會(huì)委員、中國(guó)激光雜志社青年編輯委員會(huì)委員；擔(dān)任《液晶與顯示》、 Adv. Photon. Nexus, Sci. Rep.,Appl. Sci. 編委；胡偉是中國(guó)液晶青年學(xué)者論壇共同發(fā)起人，并承擔(dān)多個(gè)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議的組織工作。

閱讀原文