【摘要】：液晶偏振光柵是一種基于幾何相位原理的新型光柵器件,它作用于圓偏振光,具有電光可調性和偏振可調性,其一級衍射效率理論可達到100%,在紅外凝視系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、偏振成像系統(tǒng)等領域有著廣泛的應用前景,被譽為第四代光學元件,具有重要的研究意義和應用價值。但是,目前基于傳統(tǒng)的雙光束干涉的偏振全息制備方法制備長周期(幾十微米以上)光柵較為困難,液晶偏振光柵還存在響應速度慢、存在二級衍射現(xiàn)象等問題,阻礙了其在目標光學系統(tǒng)中的應用,本論文針對這些問題展開研究,并設計制備了一套基于液晶偏振光柵的大角度光束偏轉系統(tǒng)。首先,本論文設計了馬赫-曾德干涉儀式液晶偏振光柵曝光光路,用以解決傳統(tǒng)制備光路難以制備長周期光柵的問題。研究中,提出了馬赫-曾德干涉儀式液晶偏振光柵曝光光路,并完成了光路的設計與搭建,解決了傳統(tǒng)光路制備長周期偏振光柵困難的問題。激光束經(jīng)過小孔濾波后,被準直透鏡準直,然后使用兩個PBS對激光束進行分束和合束,并用一個1/2波片和一個1/4波片分別控制兩束光的能量比和偏振態(tài)來實現(xiàn)圓偏振偏振全息。在第二個PBS下面安裝精密轉臺控制兩束正交圓偏振光的夾角,以控制制備的偏振光柵周期。使用此馬赫-曾德式曝光光路成功制備了小至3μm大至500μm的液晶偏振光柵,衍射效率可達98%,解決了傳統(tǒng)光路制備長周期偏振光柵困難的問題。其次,本論文研究了液晶偏振光柵的二級衍射問題,從液晶偏振光柵的理論模型和偏振全息光場角度分析了二級衍射光出現(xiàn)的原因。研究中,建立了出現(xiàn)二級衍射液晶偏振光柵的理論模型并分析了偏振光柵出現(xiàn)二級衍射的原因。通過實驗發(fā)現(xiàn)存在二級衍射的偏振光柵在偏光顯微鏡下觀察時有相鄰條紋粗細不均的現(xiàn)象,表明在一個光柵周期內液晶分子不再是均勻排列。針對這種液晶分子非線性排列的偏振光柵,本論文建立了它的理論模型,并通過光柵矢量理論分析發(fā)現(xiàn),確實存在二級衍射光,并計算了一級及二級衍射光效率隨相鄰條紋粗細比值的變化曲線,與實驗現(xiàn)象相符。隨后,通過研究液晶偏振光柵的偏振全息記錄光場發(fā)現(xiàn)當兩疊加光束的光強不等且偏振態(tài)不為圓偏振光時,所形成的偏振態(tài)光場的長軸不再是線性變化,由此光場取向的液晶分子也不再是線性排布,此時形成了偏光顯微鏡下觀察到的粗細不均的光柵條紋。采用上述理論分析結果調節(jié)光路,有效抑制了偏振光柵的二級衍射現(xiàn)象。再次,針對傳統(tǒng)主動式液晶偏振光柵響應速度慢的問題,本論文設計了基于混合排列液晶盒的雙頻液晶偏振光柵。研究中,提出了將混合排列液晶盒與雙頻液晶相結合的液晶偏振光柵結構,可在較低工作電壓下(10(1)實現(xiàn)亞毫秒的響應速度。并在實驗室基于5μm厚的液晶盒和雙頻液晶制備了混合排列的雙頻液晶偏振光柵,在不同電壓和入射光偏振態(tài)下,其各級衍射效率均可達95%以上,并測得它的開啟時間和關斷時間分別為650μs和950μs。因此,混合排列的雙頻液晶偏振光柵可在較低工作電壓下達到亞毫秒量級的響應速度。接著,利用所設計的混合排列液晶偏振光柵模型設計實現(xiàn)了能將一束光衍射成光束陣列的二維液晶偏振光柵。研究中,提出了二維液晶偏振光柵的混合排列模型,并利用瓊斯矩陣與光柵矢量衍射理論相結合的方法推導了二維液晶偏振光柵的各級次的偏振特性、偏轉角度和衍射效率公式。并在實驗室實現(xiàn)了三種不同光柵矢量角的二維液晶偏振光柵,它們的二級衍射效率最高可達到90%。最后,在實用化系統(tǒng)的研究中,將所制備的液晶偏振光柵與液晶相控陣相結合實現(xiàn)了全電控的大角度高精度的光束掃描系統(tǒng)。具體為:提出了將液晶偏振光柵與液晶相控陣相結合的方法實現(xiàn)了二維的非機械的大角度高精度的光束偏轉掃描系統(tǒng)。將多片液晶偏振光柵相累加,可實現(xiàn)一個大角度(±20~°)的一維光束偏轉,然后再使用一套相同的液晶偏振光柵,光柵矢量旋轉90~°放置,這樣就可以實現(xiàn)二維的大角度光束偏轉。為實現(xiàn)高精度的光束偏轉,設計了分焦點式光路將該套偏振光柵與液晶相控陣串聯(lián),由液晶偏振光柵完成光束的粗偏轉,并用液晶相控陣來填充液晶偏振光柵的偏轉步長�；诖朔N方法實現(xiàn)了二維的視場角±20~°的高精度光束偏轉系統(tǒng)。通過本論文的研究,有望將這種頗具競爭力的光學器件在激光雷達、激光通信、激光武器等領域實現(xiàn)實用化。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O436.3
【圖文】：

圖 1. 1 使用龐加萊球表示的幾何相位原理示意 1. 1 The principle of geometric phase shown in po設計兩個半波片，使得兩個半波片的快軸位原理，一束左旋圓偏振光分別經(jīng)過兩個個 ( 2 )的相位差�；谶@種原理，目前[9]的排布結構已經(jīng)可以設計出想要的幾何的光學元件又被稱為幾何相位元件或者 Prry Optical Element）。

圖 1. 2 相位延遲片型幾何相位元件的原理圖. 2 The principle of geometric phase elements realized b的動態(tài)相位，幾何相位具有三個不同的特性。何相位的幾何參量有關。具體來說，幾何相位方位角的兩倍；或者說，幾何相位由各向異性散此，任何一種空間變化的幾何相位形狀原理上性媒介來實現(xiàn)，這使得制備出極薄的薄膜光學同于傳統(tǒng)的動態(tài)相位，幾何相位大小對于入射位媒介來講，產(chǎn)生0和 （p為任意整數(shù)）的產(chǎn)生它們的幾何相位媒介的方位角和形狀是相

圖 1. 3 基于超表面結構的幾何相位光柵的衍射特性 3 The diffraction properties of geometric phase grating base表面結構中亞波長光柵的光柵矢量分布，使其沿 1.4 所示的幾何相位透鏡。其中，圖 1.4（A）所微鏡下觀察到的光柵形貌，內含焦平面處光斑的為左旋圓偏振光入射時，測量所得的經(jīng)幾何相位的強度輪廓，沿水平坐標軸展示的為光束沿光軸方示的為焦點處光斑橫截面上的強度分布。此幾何焦距為 100μm，數(shù)值孔徑為 0.43，由圖 1.4（b）非常優(yōu)秀，交點處光斑的半高全寬為 670nm，接

【參考文獻】

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本文編號：2746485