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光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)是對發(fā)射激光束的方向進行動態(tài)精準(zhǔn)控制的一項技術(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、生物醫(yī)學(xué)和軍事對抗等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)基于機械裝置的光束偏轉(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)相控陣可以通過波前相位控制來實現(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。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，通過級聯(lián)多個液晶偏振光柵，再輔以層疊可動態(tài)開關(guān)的半波片，即可實現(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)合來實現(xiàn)粗掃描與細(xì)掃描的互補，則可同時實現(xiàn)大角度、高精度的光束掃描。

目前，國內(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)進行深入研究。

針對上述挑戰(zhàn)，西安空間無線電技術(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的大孔徑液晶偏振光柵。近日，該項工作以“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物照片，通光孔徑達(dá)到直徑46 mm。通過優(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波長的衍射效率超過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）光柵對日光燈的衍射色散。
圖源：液晶與顯示，2022,37(11): 1411-1419. Fig.4

為實現(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，實現(xiàn)了入射光圓偏振的快速轉(zhuǎn)換，再級聯(lián)兩級液晶偏振光柵，從而實現(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)動電壓下的開態(tài)與關(guān)態(tài)的偏光顯微照片。圖3（c）是級聯(lián)器件的實物照片。圖3（d）展示了級聯(lián)器件對直徑為2 mm的高斯光束的轉(zhuǎn)向效果。對四個偏轉(zhuǎn)方向進行編碼，記為00、01、10、11四個狀態(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個數(shù)量級。

圖3：（a）光束快速調(diào)制級聯(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應(yīng)的正交偏光顯微圖，比例尺為 100 μm；（c）級聯(lián)器件實物圖；（d）光束轉(zhuǎn)向效果；（e）驅(qū)動鐵電液晶 500 Hz 的方波信號（上）及-1級（中）和-2級（下）的開關(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，團隊對大口徑、快響應(yīng)、大角度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行了系統(tǒng)深入的研究。設(shè)計鐵電液晶/液晶聚合物波片組并級聯(lián)不同周期的偏振光柵組件，實現(xiàn)了70 μs級快速響應(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年東北林業(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。胡偉專注于液晶這一軟物質(zhì)體系，進行了液晶組裝超結(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，申請發(fā)明專利84項，撰寫專著章節(jié)7章，會議邀請報告40余次；主持國家自然科學(xué)基金、省部級項目、國防預(yù)研和企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目多項。研究成果獲評江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎（2021）、黑龍江省高校科學(xué)技術(shù)成果獎一等獎（2021）和中國光學(xué)十大進展（2018、2019）。胡偉是中國物理學(xué)會液晶分會委員會委員、中國激光雜志社青年編輯委員會委員；擔(dān)任《液晶與顯示》、 Adv. Photon. Nexus, Sci. Rep.,Appl. Sci. 編委；胡偉是中國液晶青年學(xué)者論壇共同發(fā)起人，并承擔(dān)多個國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議的組織工作。

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