基于液晶偏振光柵的快速大角度光束偏轉

袁方，譚慶貴，2，王光耀，袁瑞，胡偉*

（1.西安空間無線電技術研究所，陜西 西安 710100；2.空間微波技術國家級重點實驗室，陜西 西安 710100；3.南京大學 現代工程與應用科學學院，江蘇 南京 210093）

1 引言

光束偏轉是指對發射的激光光束的方向進行精確動態控制的一種技術。該技術在諸如航空航天、激光通信、車載雷達、光信息處理與存儲、生物醫學和軍事對抗等眾多領域有著廣泛的應用。傳統的光束偏轉系統依靠機械裝置（如萬向節等）改變光軸方向來實現光束偏轉，其結構復雜、精度低、體積大、能耗高，在運動過程中還需要克服慣性的影響，性能會受到很大的制約［1］。相比之下，新型的光束偏轉技術不再依賴于光軸方向的機械改變，而是通過波前相位的控制來實現光束方向的電調控制，具有輕便、靈活、低功耗等優點。但是，由于受到材料特性、物理極限以及工藝水平等因素的限制，某一項獨立的技術很難兼顧偏轉角度、效率、精度以及響應時間等指標來完全滿足現代光電系統應用的需求。目前，新型的光束偏轉技術主要有液晶光學相控陣、基于微機電系統的微鏡陣列等。其中，液晶光學相控陣［2-3］由于其隨機可編程、高精度波束偏轉以及支持多鏈路多目標同時處理的特點得到了極大的關注。但是，由于其像素電極之間存在間距以及液晶層厚度較大，導致其光束偏轉的角度范圍較小，并且存在明顯的插入損耗，價格也較為昂貴；因此，實現低成本、大角度、高效率的光束偏轉仍是一個艱巨的挑戰［4］。微機電系統的微鏡陣列是指利用磁力或者靜電的作用使微透鏡陣列發生平動或轉動，從而實現光束偏折的效果，但驅動電壓高、制備復雜、偏轉角度小的問題限制了其應用場景［5］。而液晶偏振光柵具有制備成本低、衍射效率高的特點，使得基于液晶偏振光柵的光束偏折技術在非機械光束偏轉領域也逐漸受到科研團隊的關注。近年來，以液晶偏振光柵為代表的平面光學元件在增強現實、虛擬現實和3D全息等領域得到了廣泛應用［6-9］。

對于偏振光柵的研究可以追溯到20世紀80年代，不同于振幅和相位型光柵，偏振光柵可以通過調整入射光的偏振態從而實現分光的作 用［10-11］。1984年 保 加 利 亞 科 學 家Nikolova和Todorov等發現控制入射光的偏振態可以調整±1級之間的能量分布，并且可以將絕大部分能量聚集到其中一個衍射級上［12］。直到2004年，美國布朗大學的Crawford小組才真正利用偏振全息的方式制備出液晶偏振光柵，但衍射效率最高只達到了10%［13］。2007年，Provenzano改善了液晶偏振光柵的制備工藝，使得衍射效率可以達到98%［14-15］。2017年，中國兵器裝備研究院的徐林等設計了一種新型的可制備大口徑的液晶偏振光柵的曝光裝置［16］。2018年，北京航空航天大學的郭琦等將液晶偏振光柵與基于鐵電液晶的相位開關相結合實現了快速響應的光束偏振器件［17］。2019年中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（中科院長光所）的李松振成功制備了光柵周期為3～500 μm的液晶偏振光柵，最高衍射效率高達98%［18］。2020年，同為中科院長光所的趙志偉實現了多層液晶旋涂后能夠保持15 mm以上直徑的無缺陷光柵面積，制備出2 μm周期、口徑14 mm×14 mm的液晶偏振光柵，可以使532 nm激光的偏轉角達到±15°、衍射效率可達98%［19］。2021年，南京大學袁瑞等利用級聯鐵電液晶半波片和液晶聚合物偏振光柵的方式實現了32個自旋角動量的快速編碼，編碼時間低于70 μs，整體效率高于85%［20］。

目前，國內在液晶光控取向薄膜制備、高分辨液晶（聚合物薄膜）取向結構制備、大尺寸高精度光控取向曝光系統等諸多方面已取得一定成績，但尚需朝向大口徑、快響應、大角度光束偏轉系統進行更加深入研究。本文結合兩種不同的圓偏振全息光路制備周期互補的大孔徑偏振光柵，優化液晶聚合物薄膜涂覆工藝實現半波條件的精確匹配，獲得了1064 nm處液晶聚合物偏振光柵高達99.3%的衍射效率，設計鐵電液晶/液晶聚合物波片組并級聯不同偏振光柵組件，實現了70 μs級快速響應的大角度光束偏折，最大偏折角可達22.9°，有望在激光通信、激光雷達等領域獲得應用。

2 液晶偏振光柵

液晶偏振光柵是通過兩束正交且振幅相等的圓偏振光相互干涉的圓偏振全息手段制備的衍射元件［10-11］，如圖1（a）所示，左旋圓偏光和右旋圓偏光在取向層干涉，形成偏振方向周期性變化的線偏振光場。光控取向材料偶氮苯磺酸鈉（SD1）分子長軸會垂直于線偏光的偏振方向分布，再通過分子間相互作用力誘導液晶分子定向，就可以實現液晶分子指向矢的周期性排列，如圖1（b）［21-23］所示。在一個周期內液晶分子的指向矢會發生180°的變化［24］，這種在x軸方向的液晶分子的周期性分布可以描述為：

圖1 （a）圓偏振全息示意圖；（b）液晶偏振光柵；（c）不滿足半波條件的線偏光入射示意圖；（d）滿足半波條件的左右旋圓偏光入射示意圖。Fig.1（a）Schematic diagram of circular polarization holography；（b）Liquid crystal polarization grating；（c）Incidence of linearly polarized light onto the liquid crystal polarization grating that does not meet the half-wave condition；（d）Incidence of circularly polarized lights onto the liquid crystal polarization grating that perfectly meets the half-wave condition.

其中：Λ是液晶聚合物偏振光柵的周期，α0為初始方位角，這里。一般使用瓊斯矩陣描述液晶偏振光柵的光學性質［25-27］，其透過率函數為：

其中，旋轉矩陣R（α）為：

Γ為光經過液晶后引入的動力學相位，將旋轉矩陣代入式（2）可以得到液晶偏振光柵的透射率函數為：

利用歐拉公式對式（4）進行改寫：

從式（5）可知存在3個衍射級次，分別為0級和±1級，其 中ei2α和e-i2α項 是 引 入 的 兩 個 共 軛 的幾何相位。對于線偏光入射時，入射光電場的瓊斯矢量為，經過液晶偏振光柵后出射光的電場矢量如下：

出射光束包括0級的線偏光、+1級的左旋圓偏光和-1級的右旋圓偏光。

根據矢量衍射理論，光柵的m級衍射效率是由于透射光場的矢量傅里葉系數決定的［28-29］：

對應的衍射效率計算方式如式（8）：

將透射率函數式（5）代入式（7），得：

而對于m＞1的衍射級次，理論上其矢量傅里葉變換系數為0。將矢量傅里葉展開系數代入式（8），求得各級衍射效率為：

其中：S3為描述入射光圓偏振程度的斯托克斯參量，Γ=Δnd。當左旋圓偏振光入射時，S3=1。當液晶層對光波產生的相位延遲為π時，+1級衍射效率為100%。根據理論推導可知：對于不滿足半波條件的線偏光入射，出射光束包括保持原來偏振狀態的0級線偏光，以及+1級的左旋圓偏光和-1級的右旋圓偏光，如圖1（c）。而滿足半波條件的左（右）旋圓偏光將會完全轉換為右（左）圓偏光，如圖1（d）。液晶分子的周期性結構導致衍射光光束偏折的現象，可以利用光柵方程［19］式（15）計算衍射角度：

其中，λ為入射光的波長，±代表衍射方向。

3 液晶聚合物偏振光柵的制備

液晶聚合物偏振光柵可以采用偏振全息的方式制備，利用兩束振幅相等的正交圓偏光干涉對光控取向SD1材料，而這種取向可以通過分子間作用力傳遞給液晶分子，通過修改液晶聚合物的濃度和旋涂參數就可以制備出滿足不同半波條件的液晶聚合物偏振光柵。這里采用兩種分別對應大小周期液晶聚合物偏振光柵的偏振全息光路：基于馬赫-曾德爾干涉的大口徑偏振全息光路、基于傳統雙光束干涉的大口徑偏振全息光路。

基于馬赫-曾德爾干涉的大口徑偏振全息光路如圖2所示。選擇功率為1 W的405 nm波長的單縱模長相干激光器（DLC HOLO-LITHO 405，Toptica），前端使用可耐受高功率激光的偏振分光棱鏡進行分束，可充分利用激光光強。光束通過偏振分光棱鏡后可以變為相互正交的線偏光，再經過1/4波片生成旋性相反的圓偏光。光束偏振處理后經過透鏡系統擴束，再經過定制的大尺寸分光棱鏡對兩束光合束，形成大口徑偏振全息。該光路的分束、反射、偏振處理等在擴束透鏡組之前，可降低器件尺寸要求從而降低成本。此外，該光路只需旋轉分光棱鏡即可改變兩束光之間的夾角，實現不同周期的偏振光柵制備。

圖2 （a）基于馬赫-曾德爾干涉的大口徑偏振全息光路示意圖；（b）實物光路圖。Fig.2（a）Schematic illustration of a large-aperture polarization hologram setup based on Mach-Zendel interference；（b）Practical optical path.

基于馬赫-曾德爾干涉的大口徑偏振全息光路干涉方案后端光束的合束采用分光棱鏡，在制備小周期偏振光柵時，需要增大兩束光的夾角，使得兩束正交圓偏振光交疊區域變小，會限制光束直徑，因此，該系統只勝任大周期偏振光柵的制備。我們采用傳統雙光束干涉大口徑圓偏振全息光路來解決這一問題（圖3）。光束經過擴束透鏡組再經過反射鏡反射到樣品表面形成干涉圖案，該光路同樣在保證降低元器件成本的同時，兼顧到了制備大尺寸偏振光柵的需求。基于傳統雙光束干涉的大口徑偏振全息光路在制備小周期偏振光柵方面具有優勢；制備大周期偏振光柵時，光束夾角小，要經過較長距離才能有效交疊，對光學平臺空間帶來挑戰。因此，利用上述兩種全息光路的優勢互補，即可同時滿足不同周期偏振光柵的大口徑、高質量的制備。

圖3 （a）基于傳統雙光束干涉的大口徑偏振全息光路示意圖；（b）實物光路圖。Fig.3（a）Schematic illustration of a large-aperture polarization hologram setup based on conventional doublebeam interference；（b）Practical optical path.

液晶聚合物偏振光柵所需要的材料準備包括光取向劑SD1溶液和液晶聚合物溶液的配制。將SD1以0.5%的質量分數溶解于二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中形成SD1光取向劑。液晶聚合物材料選用UCL-P100（DIC）并以5%的質量分數溶解于丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）形成液晶聚合物溶液。液晶聚合物偏振光柵制備流程主要包括光取向薄膜涂覆、圓偏振全息曝光和液晶聚合物薄膜涂覆聚合。光取向薄膜涂覆：將SD1光取向劑旋涂在玻璃基板表面，然后將基板置于100℃的熱臺上退火處理以形成均勻薄膜；圓偏振全息曝光：樣品置于圖2或圖3樣品放置處曝光7 min，完成取向信息寫入；最后將液晶聚合物旋涂于SD1層之上，并置于80℃熱臺上烘干2 min以蒸發溶劑。取下基板使其在室溫下冷卻2 min，將所得基板置于365 nm波長的LED燈（20 mW/cm2）下照射2 min，完成聚合。多次重復該旋涂和聚合步驟，實現對目標波長半波條件的精確匹配，得到液晶聚合物偏振光柵。

我們使用鹵素燈、正交偏振片和光譜儀等組成測試系統對均一取向的液晶聚合物波片的相位延遲量進行測試。將波片置于正交的偏光片之間，旋轉樣品使透射光譜強度最低，將此狀態設置為光譜儀的Dark state，再旋轉樣品45°，將此狀態下透射光譜設置為Bright state，旋轉檢偏器使得正交偏振片變為平行狀態，使用光譜儀的Reference模式尋找波谷位置，此處即為滿足半波條件的波長［30］。優化的濃度和旋涂參數直接應用于液晶聚合物光柵旋涂，即可實現波谷位置與目標波長的精準匹配，獲得高衍射效率的液晶聚合物偏振光柵。可進一步使用光學透明膠（Optically Clear Adhesive，OCA）將液晶聚合物薄膜從玻璃基板轉移到透明柔性基底上，形成柔性聚合物偏振光柵。

基于前述兩類全息曝光系統實現了2 μm～2 mm范圍內周期可任意設定的液晶偏振光柵制備。圖4（a）展示了滿足633 nm半波條件的液晶聚合物偏振光柵樣品在偏光顯微鏡下的顯微圖，圖4（b）展示了滿足1064 nm半波條件的液晶聚合物偏振光柵樣品在偏光顯微鏡下的顯微圖。圖4（c）為我們制備1064 nm波段的16.6 μm大孔徑樣品的實物照片，光柵區域直徑為46 mm。圖4（d）中，圖4（b）的4個光柵對1064 nm入射光的衍射角度依次為7.0°、5.4°、4.7°和3.7°，與光柵方程仿真的曲線相吻合。我們還進行了衍射效率測試，衍射效率定義為目標衍射級光強與整體透射光強之比。對4個樣品分別以五點法進行衍射效率測試，平均衍射效率均超過了99%，8.7 μm的液晶聚合物偏振光柵最高效率達到99.3%。圖4（e）展示了制備的柔性液晶聚合物偏振光柵。圖4（f）直觀展示了液晶聚合物偏振光柵對日光燈的高效色散而形成的彩虹。

圖4 （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）液晶聚合物偏振光柵實物圖；（d）偏振光柵（1064 nm）的衍射效率和衍射角度測試數據和光柵方程曲線；（e）柔性偏振光柵；（f）樣品對日光燈的衍射效果圖。Fig.4（a）Polarizing microscope image of liquid-crystalbased polarization gratings（633 nm)；（b）Polarizing microscope image of liquid-crystal-polymerbased polarization gratings（1064 nm)；（c）Photographs of the fabricated liquid-crystal-polymerbased polarization grating（1064 nm)；（d）Diffraction efficiency and diffraction angle test data and grating equation curves for polarization grating（1064 nm)；（e）Flexible polarization grating；（f）White light diffraction of the sample.

4 液晶聚合物偏振光柵的級聯

當液晶聚合偏振光柵的周期變小時，液晶聚合物偏振光柵的制備難度劇烈增加，導致衍射效率大幅下降，因此不能通過直接減小光柵周期來實現大角度的偏轉。如圖5（a）所示，采用級聯偏振光柵的方式來獲得大偏轉角，經過第二個光柵之后的衍射角［19］θout為：

圖5 （a）光束快速調制的光路圖；（b）鐵電液晶半波片在相反極性電壓下液晶指向矢以及對應的正交偏光顯微圖，比例尺大小為100 μm；（c）級聯器件實物圖；（d）衍射圖案；（e）驅動鐵電液晶500 Hz的方波信號（上）及-1級（中）和-2級（下）的開關響應。Fig.5（a）Optical setup for fast optical beam steering；（b）Orientations of liquid crystal director with opposite polarity voltage and its corresponding mcrographs of FLC half wave plate；（c）Practical smaple；（d）Diffraction patterns；（e）Waveform of 500 Hz square wave（top）with a driving voltage of 20 V.Switching responses of-1st order（middle）and-2st order（bottom）.The scale bar is 100 μm.

其中：θin為入射角，±代表衍射方向。利用鐵電液晶來實現半波片的快速開關［20］。基于鐵電液晶（Ferroelectric Liquid Crystal，FLC）半波片實現左右旋圓偏光的快速切換可以使用瓊斯矩陣［20，31］來描述：

其中：JQWP、JFLCHWP是1/4波片和FLC半波片的瓊斯矩陣，1/4波片的 快 軸與x軸夾角為45°，α是FLC半波片的快軸和x軸的夾角，Ein為偏振方向在yoz平面內的線偏光。當α=0°時，Eout=當α=45°時。通過控制FLC的分子指向矢（FLC半波片和x軸夾角），即可實現左右旋圓偏光的快速切換。由于偏振光柵對圓偏振光加載相位，故需在FLC半波片前后各添加一個1/4波片進行偏振轉換。

將兩個不同周期液晶聚合物偏振光柵（4 μm和8.7 μm）級聯來制備一個1×4的適配1064 nm波長的光束偏折器。圖5（a）為光路圖示意圖，其中兩個FLC半波片為主動式的器件，通過施加相反電壓可以實現FLC主軸由x軸向黑色虛線方向偏轉。選擇性施加電場驅動不同FLC波片組，即可將光束轉向4個不同衍射級上（±1級和±2級），對應的衍射角度分別為±8.3°和±22.9°。FLC半波片作為唯一的主動式開關決定了光束偏轉的響應速度。我們選用的鐵電液晶為FD4004N（DIC）。在清洗好的ITO玻璃基板上旋涂SD1，利用3.5 μm的間隔子分隔制備成盒，均一取向后在90℃的熱臺上完成灌晶緩慢降至室溫，即得到滿足1064 nm的FLC半波片。該半波片工作在電致解螺旋模式。外置電壓使其螺旋結構完全消旋，液晶指向矢有兩個取向方向并與施加電壓的正負有關，呈現高對比度二值響應［32］。如圖5（b）所示，P、A分別代表起偏和檢偏方向，狀態1和狀態2對應了在兩種相反電場驅動下的鐵電液晶指向矢方向，兩者間的夾角為2θ=44.1°［20，33］。狀 態1的FLC指 向 矢 平 行 于 起偏方向，無相位延遲，不改變入射偏振狀態，故在正交偏光顯微鏡下呈現暗態；狀態2FLC指向矢與起偏方向夾角約為45°，具有半波相位延遲，使入射偏振旋轉90°，故呈現亮態。如前述推導，結合1/4波片和FLC半波片即可實現左右旋圓偏光的快速切換。對FLC半波片加負電時，其光軸平行于x軸，定義為1；對FLC半波片加正電時，其光軸與x軸呈44.1°角，定義為0。通過對加載到FLC半波片上的電信號進行編碼控制，即可實現衍射級次的尋址。圖5（c）展示了我們制備的光束偏折器件，器件尺寸為20 mm×20 mm，1/4波片和偏振光柵均以柔性膜的形式粘貼在FLC液晶盒上，使得級聯器件更加輕薄。圖5（d）展示了級聯器件對直徑為2 mm的高斯光束的光束轉向效果，由于入射光波長為1064 nm，我們借助于近紅外顯色卡進行拍攝。這里借用液晶顯示中的定義方式，將透過率由10%上升到90%的時間定義為切換的響應時間。當施加20 V、500 Hz的交流電時，10～11編碼切換的響應時間分別為67 μs和69 μs，相較于傳統向列相液晶提高了2～3個數量級。實測器件整體效率達到86.3%，驗證了光束的高效、快速、大角度偏轉。

在上述級聯方式的基礎上，可以級聯更多的液晶偏振光柵和偏振控制組件實現更大角度的光束偏轉，也可以正交疊加偏振光柵組件實現二維光束偏轉。進一步與高精度、小角度的液晶光學相控陣技術相結合，實現光束粗掃與細掃的互補，能夠實現大角度、高精度、高效率的電控光束掃描［2-3］。該級聯器件可用于信號的原路接收［34］，大的天線孔徑有效減小了光束發散角，允許接收器從特定方向收集更多的光，可以更好地抑制背景輻射噪聲［35］，在雷達探測、視野拓展和偏振成像等技術領域具有潛在應用［36-37］。

5 結論

研究了液晶偏振光柵大角度偏轉控制方法，成功建立了兩套圓偏振全息光路用于周期互補的液晶偏振光柵制備，優化旋涂工藝并采用半波條件標定測量，實現了衍射效率高達99.3%、光柵周期跨越2 μm～2 mm、通光孔徑達到46 mm的液晶偏振光柵制備與性能驗證。進一步通過級聯偏振光柵和鐵電液晶半波片，實現了高斯光束四衍射級間的高效快速切換，響應時間小于70 μs，效率達到86.3%。