液晶相位控制陣列關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用.pdf

1、隨著激光光電應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如何有效實(shí)現(xiàn)激光束的控制、調(diào)制、偏轉(zhuǎn)或探測(cè)等功能已經(jīng)成為制約激光光電應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。基于液晶的相位控制陣列具有工作電壓低、體積質(zhì)量小、功耗少、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在激光空間光調(diào)制等技術(shù)領(lǐng)域有了較多的應(yīng)用，為各種工程應(yīng)用研究和基礎(chǔ)研究提供了有效的空間光調(diào)制手段。作為液晶相位控制陣列的一種，液晶相控陣在激光束非機(jī)械掃描領(lǐng)域的應(yīng)用前景尤其令人側(cè)目，可以對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)高效、大角度、高精度、高可靠性和快速

2、的掃描，有望在今后的激光通信、激光雷達(dá)和光電對(duì)抗等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性的應(yīng)用。雖然目前的液晶相控陣已由美國(guó)Raytheon公司實(shí)現(xiàn)了原理性應(yīng)用（甚至有可能已經(jīng)在個(gè)別領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工程應(yīng)用），然而仍需對(duì)制約液晶相控陣性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，同時(shí)國(guó)內(nèi)在該方面的研究仍處于起步階段，需不斷加強(qiáng)，因此本論文的目的就是對(duì)制約液晶相控陣性能的若干關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，同時(shí)指出其今后發(fā)展需要繼續(xù)解決的問(wèn)題。
　　本文主要針對(duì)目前制約液晶相控陣器件的關(guān)

3、鍵因素進(jìn)行研究，包括液晶相控陣的器件物理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型液晶材料、液晶相控陣相位模式的波控技術(shù)等進(jìn)行研究。液晶相控陣的制備工藝是完成本論文工作內(nèi)容的基礎(chǔ)，目前在國(guó)內(nèi)的發(fā)展并不成熟，因此在論文中也進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。提出芯片級(jí)聯(lián)和TFT分時(shí)尋組驅(qū)動(dòng)的方法增加通光孔徑，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用芯片級(jí)聯(lián)的方式將有效通光孔徑提高了一倍。
　　在器件物理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，基于電場(chǎng)作用下液晶指向矢的歐拉拉格朗日方程和光束標(biāo)量傳播理論，針對(duì)液晶相控陣的偏轉(zhuǎn)角

4、度和衍射效率等光學(xué)性能，對(duì)制約液晶相控陣相關(guān)性能的液晶材料參數(shù)與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，認(rèn)為通過(guò)減小液晶各向異性介電常數(shù)、提高雙折射率并減小液晶盒厚度可以提高器件性能。偏轉(zhuǎn)范圍與衍射效率是一個(gè)耦合量，器件設(shè)計(jì)時(shí)往往存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，制約因素主要是毗鄰像素間的液晶彈性關(guān)聯(lián)和邊緣場(chǎng)效應(yīng)等非線性關(guān)聯(lián)機(jī)理。對(duì)非線性關(guān)聯(lián)效應(yīng)及其在相位重置點(diǎn)處誘發(fā)的回程區(qū)進(jìn)行了討論。提出了閾值像素和閾值電極填充因子的概念，對(duì)器件的制備工藝具有指導(dǎo)作用。另外對(duì)液晶相

5、控陣的工作方式進(jìn)行了初步討論，分析兩種工作方式下毗鄰像素非線性關(guān)聯(lián)對(duì)器件性能的影響，指出透射式與反射式工作方式的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　在新型液晶材料方面，主要關(guān)注兩類(lèi)液晶材料。一種是高雙折射率液晶，這種液晶材料是目前制備液晶相控陣器件必須的液晶材料，可以降低非線性關(guān)聯(lián)效應(yīng)、提高器件響應(yīng)速度，論文中利用新制備的雙折射率達(dá)0.42的向列相液晶制備了2.9μm盒厚的液晶相控陣器件，可以發(fā)現(xiàn)相同衍射效率與相同周期相位臺(tái)階數(shù)下該器件的光束偏轉(zhuǎn)角度更

6、大，減弱了非線性關(guān)聯(lián)效應(yīng)。另外一種液晶材料，也是本論文重點(diǎn)關(guān)注的是響應(yīng)時(shí)間達(dá)亞毫秒量級(jí)的聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶材料，如果應(yīng)用于液晶相控陣，可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度達(dá)kHz量級(jí)的液晶相控陣器件。制約聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶進(jìn)行相位調(diào)制的因素主要包括電壓加載下的光散射強(qiáng)度和瞬態(tài)響應(yīng)特性。研究了聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶制備條件對(duì)其光散射強(qiáng)度和瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響。從聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌的角度分析聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶的光散射機(jī)理和瞬態(tài)響應(yīng)機(jī)制，認(rèn)為聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌中的交聯(lián)纖維網(wǎng)絡(luò)特征和交聯(lián)纖維束

7、網(wǎng)絡(luò)特征是主要原因，交聯(lián)纖維特征可以降低光散射強(qiáng)度但容易誘發(fā)電致伸縮效應(yīng);交聯(lián)纖維束特征可以耐受較高的加載電壓，然而引入較強(qiáng)的光散射強(qiáng)度。制備聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶相位調(diào)制器時(shí)需要綜合考慮光散射和高電壓特性，從聚合單體分子結(jié)構(gòu)、液晶溶劑和聚合條件多方面對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶的聚合物網(wǎng)絡(luò)形貌進(jìn)行控制，有望實(shí)現(xiàn)亞毫秒響應(yīng)、相位調(diào)制型聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶相控陣及其它液晶空間相位調(diào)制器件。
　　在液晶相控陣相位模式的控制方面，發(fā)展了兩種優(yōu)化控制方法并有望應(yīng)用

8、于今后的液晶相控陣波控技術(shù)。首先發(fā)展了一種基于相位模式測(cè)量的方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的迭代算法實(shí)現(xiàn)相位模式的優(yōu)化控制，這種控制方法中，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)每一迭代過(guò)程中實(shí)際相位模式與理想相位模式的差別，并根據(jù)這種差別實(shí)時(shí)對(duì)相位模式進(jìn)行控制、調(diào)整，提高衍射效率。另外提出了一種優(yōu)化控制的方法，在對(duì)液晶相控陣電控-相移特性進(jìn)行多項(xiàng)式分解的基礎(chǔ)上，通過(guò)隨機(jī)并行梯度下降算法對(duì)多項(xiàng)式分解的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以衍射效率作為評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)衍射效率的優(yōu)化提高，生成的新的多項(xiàng)式系

9、數(shù)可以作為新的波控?cái)?shù)據(jù)。在未來(lái)，擬將兩種相位模式控制方法結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)相位模式的快速精確控制。
　　液晶器件經(jīng)常出現(xiàn)的向錯(cuò)線無(wú)疑也是影響對(duì)液晶相控陣波控特性的一個(gè)重要因素。論文中提出了一種新型器件結(jié)構(gòu)，以最大程度避免液晶相控陣中向錯(cuò)線的形成。由于結(jié)構(gòu)制備的復(fù)雜性，我們?cè)谕瑯哟嬖谙蝈e(cuò)線困擾的液晶微透鏡陣列中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于模式電極和液晶層之間的超薄介質(zhì)隔板結(jié)構(gòu)，改善了液晶微透鏡陣列的光學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了良好的變焦性能。從液晶材料

10、參數(shù)和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的角度對(duì)對(duì)這種新型液晶微透鏡陣列的光學(xué)特性與優(yōu)化作了進(jìn)一步的討論，同時(shí)利用制備的液晶微透鏡陣列進(jìn)行了原理性的畸變波前動(dòng)態(tài)探測(cè)驗(yàn)證性試驗(yàn)，獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　在解決液晶相控陣快響應(yīng)液晶材料研究的同時(shí)，利用獲得的聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶同時(shí)嘗試了快響應(yīng)相位調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)，采用光尋址的方式實(shí)現(xiàn)了光控快響應(yīng)液晶空間光調(diào)制技術(shù)，初步進(jìn)行了光束偏轉(zhuǎn)、調(diào)制傳遞函數(shù)等研究，并對(duì)光尋址時(shí)尋址光波長(zhǎng)、強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)放波信號(hào)頻率的影響進(jìn)行了詳細(xì)