液晶光柵的技術進展及應用

周東淇

（北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176）

1 引言

液晶光柵技術作用于液晶光學器件的質量具有關鍵性的促進作用，而且在現階段的應用過程中也已經取得了一定的成績。因此，本文分析了液晶光柵技術的工作原理，選擇了兩種最重要的液晶光柵的結構設計和制作工藝。它們是聚合物分散的液晶光柵和聚合物網絡液晶光柵，本文著重分析了這兩種技術的優缺點的和司機應用效果的好壞。并且有效集合和實際的發展情況來研究其應用的過程，旨在為后期液晶光柵技術在空間光通信中的應用情況打好了就鋪墊的基礎，也是對其未來發展的一種展望。

2 研究液晶光柵技術進展與應用的重要意義

液晶這種東西，是近些年帶來才逐步興盛起來的一種物質，但是由于其化學特性和物理特性的特殊之處，液晶成為了具有廣泛應用的特殊功能材料。而且，液晶的特征在于固體晶體和各向同性液體之間的結構。從宏觀物理性質的角度來看，液晶不僅具有獨特的液體流動性和粘度，而且具有各種晶體特性。它能夠使得液晶在陽光或其他光的照射下具有雙折射，布拉格反射，衍射和旋光效果，就像自然界中存在的晶體一樣，在實際應用的過程中，也能夠使其能夠更好地作用于顯示，信號處理，光通信，光信號處理等方面，對促進我國各類電子元件的構造具有積極的促進行作用。但是液晶又具備另外一個特點，即在某一溫度的影響范圍中會將液體的特性和晶體特性結合在一起，此時，液晶分子的取向不如晶體結構強，并且柔軟且容易變形。但是，如果垂直于分子導向器的電場施加到表面處理的正向列液晶盒上，液晶的內部將受到兩個扭矩的影響：第一個效果是由外部電場施加到液晶的扭矩，第二個效果是由邊界條件引起的變形扭矩。當兩者處于平衡穩定的過程中時，兩個扭矩的影響相互抵消。而液晶光柵的出現則是利用了一種用于改變由諸如液晶的折射率之類的光學特性的周期性變化引起的普通光和非常光的相位差和偏轉特性的裝置，它廣泛應用于實際光學計算處理，衍射光學，三維圖像顯示和光電開關，而且還取得了相當顯著的成效，獲得了國內外很多相關領域專業人士的重視。

3 液晶光柵技術的發展與實際應用情況

3.1 液晶光柵技術發展歷程

早在1963年，威廉姆斯發現將負介電各向異性向列液晶置于具有透明電極并且厚度為10至100μm的夾層殼體中，在此基礎上，也已經開發了能夠控制電壓，電流等的周期性條帶區域。后面由于科學技術的不斷進步、世界交流趨勢的不斷完善，這時候著名的國外學者Durand等人又發現，一旦給予液相盒子內部電場改變作用的時候，無論電壓的大小，尺寸和形式如何，六邊形結構或其他更復雜的結構都會出現在液相盒中，這使得研究者只有通過動態散射現象才能夠減少由于電磁場變化所帶來的消極影響。在1972年期間，外國學者卡羅爾在實驗中就已經了解到，邊緣間距和衍射角可以通過施加的交流電的頻率和幅度輕松控制。直到1974年，Werner、波拉克等人在圖像處理環節中，將較大的液相光柵優勢發揮出來，并有效地作用于光調制器，光開關和其他光通信領域的應用，而且就現在的發展情況來看，也已經取得了很大進展。

3.2 相位衍射光柵特性及發展

1979年，霍里等人為了優化圖形的顯示質量，開始逐漸注意液晶光柵機構和制造工藝的改進。其中，外國工人貢獻了大部分作用。Hiroo等人也已經研制出了面積為40mm×60mm，帶狀電極為960，可通過脈沖寬度調制（PWMC）和幀率控制（FRC）技術的有效優化矩形，對液相光柵的實際作用進行了優化，從而改善了畫面的顯示情況，對于光柵投影的精確性提升具有關鍵作用，幫助科學工作者能夠更好的了解到相位衍射光柵的特性和應用情況。

4 液晶光柵的新發展-液晶/聚合物光柵

雖然傳統的液晶光柵本身具有體積小，驅動電壓低，功耗低，分辨率高，衍射特性變化方便等優點，但是也還存在著衍射效率與光的偏振性沖突的一些劣勢和缺點。因此，為了有效地解決這些問題，最合適的方法之一是直接制造類似于光柵的液晶取向層。近年來衍生的液晶/聚合物光柵具有顯著的科學效果。現階段常見的，能夠用于聚合物/液晶電光器件的復合系統主要是聚合物分散液晶（PDLC）和聚合物網絡液晶（PNSLC），以下將對這兩者進行詳細的分析和研究。

4.1 PDLC光柵

所謂的PDLC光柵具有大于30%的聚合物含量，并且液晶在實際應用中也以液滴的形式分散在連續的聚合物介質中，這些特性都使得它在分析新的高分子材料和液晶研究中起著關鍵作用。因此，相關行業的工作者也開始重視對液晶光柵的研究和分析。在國外的發達國家，美國的Digilens和意大利的LOA正在研究PDLC光柵器件、1994年R.L.Suther Land等人就已經對PDLC光柵技術進行了優化和分析，已經將一些不必要存在的缺陷進行了優化和消除。在中國行業發展的過程中，國內的學者——長春光學精密機械與物理研究所的馬偉和任宏文利用光固化相分離技術開發了PDLC光柵，使得現階段衍射光的衍射效率達到40，這也是工作效率的完美保證。

4.2 PNSLC光柵

對于PNSLC光柵技術，最早在中國應用的是2005年的宋靜等人。液晶光柵是通過光掩模法控制液晶中聚合物的分布而制備的，并且增強了光柵技術的應用，研究和開發推廣。

5 液晶光柵技術的發展前景

實際上，空間光通信中的精確APT技術是現階段接受光學衛星鏈路的關鍵。但是現階段的APT技術往往都是利用機械性的操作而進行的，在實際的應用過程中雖然能夠發揮作用，但是往往會導致執行機構的重量、體積、功耗等較大，使得現狀的操作問題變得較為困難。但是液晶光柵技術的優點是遠遠超過了機械光柵的優點，而且還有效將機械光柵的缺點進行了彌補。它幾乎可以滿足空間光通信的所有重要要求，重量，尺寸，功耗，壽命，成本，驅動電壓，光電集成，可編程性，光束掃描和偏轉范圍得到優化。因此，在實際的應用過程中，液晶光柵技術的發展前景是不可限量的，而且實用性和操作性也會更為明顯。

6 結束語

綜上所述，我國正處于一個經濟水平和科學技術水平不斷發展的過程中，社會建設中的各個方面也都已經取得了相應的進步，現階段發展最為顯著的空間光通信行業與液晶光柵的應用息息相關。因此，為了有效促進我國社會建設的不斷進步，工業化水平和空間通信水平的不斷提升，必定要對液晶光柵技術的進展和實際的應用進行分析，只有結合實際情況才能發現缺陷，才能夠有效改善液晶光柵技術的應用和發展。