任意退偏补偿的高损伤阈值液晶光学面板及其曝光装置的制作方法

本发明属于激光光束空间整形，具体涉及一种任意退偏补偿的高损伤阈值液晶光学面板及其曝光装置。本发明特别适用于补偿高功率激光1053nm(但不限于该波长)系统中热致偏振退化问题和曝光处理该液晶补偿面板。

背景技术：

在高功率激光光束传输系统中，一般利用单偏振激光作为注入光源，经过增益介质后因热效应问题激光偏振特性难以维持其本征状态发生偏振态的退化。目前，主要使用旋光晶体组合激光头和电/光寻址液晶光阀等技术补偿激光光束的偏振退化问题，如中国专利cn106451054a、cn107132673a和cn108767644a等。专利cn106451054a、cn107132673a是利用旋光晶体组合激光头的方法补偿激光退偏，其结构复杂，对激光头性能要求较高；专利cn108767644a是利用光寻址液晶光阀补偿热致退偏，结构较为简单，但损伤阈值较低，不适合高功率激光系统的退偏补偿。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有补偿技术的不足，提供一种任意退偏补偿的高损伤阈值液晶光学面板及其曝光装置，该液晶光学面板可直接作为插入式透射型元件用于高功率激光系统且其曝光装置具备高曝光精度和曝光口径。

本发明的技术解决方案如下：

一种任意退偏补偿的高损伤阈值液晶光学面板，其特点在于，所述的液晶光学面板由复合层，及涂覆在该复合层外围的间隔子边框胶组成，所述的复合层包括由上至下依次连接的第一介质膜层、第一玻璃基板、第二介质膜层、光控取向膜层、液晶层、摩擦取向膜层、第三介质膜层、第二玻璃基板和第四介质膜层构成。

所述的第一介质膜层、第二介质膜层、第三介质膜层、第四介质膜层是减反射膜层，该减反射膜层是为了增加待补偿激光和曝光蓝光的透过率；

所述的第一玻璃基板和第二玻璃基板为光学级玻璃，其尺寸大小决定了被补偿光束的口径，例如k9，bk7玻璃等；

所述的光控取向膜层可以通过线偏振蓝光诱导其进行取向，再间接诱导液晶层的液晶分子进行取向，该取向方向与所述的消色差成像系统输出辐照蓝光的每个像素单元偏振方向垂直；

所述的液晶层为90度扭曲向列型(tn)，液晶的双折射率δn、层厚d和偏振补偿激光波长λ满足关系：

所述的摩擦取向膜层为一诱导液晶分子固定取向的膜层，该膜层常用的材料有聚酰亚胺(pi)、聚甲基丙烯酸甲脂(pmma)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯醇(pva)，其诱导取向方向是固定不变的；

所述的间隔子边框胶作为第一玻璃基板和第二玻璃基板的密封材料和支撑间隔，其间隔大小直接决定了液晶层的厚度d。

一种用于制备上述高损伤阈值液晶光学面板的曝光装置，其特点在于，所述的曝光装置包括led蓝光光源、光束匀质器、准直器、偏振分束棱镜、分束棱镜、反射式电寻址液晶光阀、计算机和消色差成像系统；

所述的led蓝光光源输出的光束依次经过光束匀质器、准直器、和偏振分束棱镜射入所述的分束棱镜，经该分束棱镜透射后进入反射式电寻址液晶光阀，经该反射式电寻址液晶光阀调制后原路返回至分束棱镜，再经该分束棱镜反射后依次进入消色差成像系统和液晶光学面板；反射式电寻址液晶光阀由所述的计算机控制。

所述的led蓝光光源发出非相干光经光束匀质器匀质后进入准直器进行准直处理，再经过偏振分束棱镜变成均匀的平行线偏振蓝光。之后该均匀的平行线偏振蓝光透过分束棱镜被送入反射式电寻址液晶光阀进行偏振调制处理，调制处理后的蓝光全部被反射回分束棱镜，该分束棱镜将此蓝光再次反射进入消色差成像系统，消色差成像系统输出的蓝光最终辐照在液晶光学面板上。

所述的光束匀质器是一阵列透镜组；

所述的调制处理是由计算机加载相应的调制程序或偏振分布灰度图形，该程序或偏振分布灰度图形即为退偏补偿的图形；

所述的消色差成像系统对加载于反射式电寻址液晶光阀的偏振分布灰度图形进行成像，成像面为液晶光学面板的光控取向膜层。

经过曝光处理后的液晶光学面板，可以实现对空间光束偏振态的调制。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)与旋光晶体组合激光头相比，它是一款插入式透射型光学器件，具备结构简单、通光口径大和高损伤阈值等特性。由于本发明的液晶光学面板利用偶氮苯类材料作为光控取向膜层，它不仅可以根据偏振补偿的需求实现随时擦除、随时写入的功能；还具备很高的损伤阈值，在波长1064nm，脉宽10ns，频率1hz的脉冲激光连续破坏打击的情况下，损伤阈值可以达到62j/cm²。

2)与现有的电/光寻址液晶光阀相比，具有很高的开口率、通光口径和损伤阈值。电寻址液晶光阀内部由于薄膜晶体管的不透光，造成其开口率很低；同时电/光寻址液晶光阀也使用了透明导电膜造成了其损伤阈值很低，只有不到130mj/cm²。

3)该曝光装置结构简单，曝光口径由消色差成像系统的扩束比决定，可以实现大口径液晶光学面板的高精度曝光处理。

附图说明

图1是本发明的退偏补偿液晶光学面板的结构示意图；

图2是本发明的退偏补偿液晶光学面板曝光装置的结构示意图；

图3是本发明的退偏补偿液晶光学面板的整个曝光过程光路图；

图4是一光斑直径13mm的高功率激光在检偏状态下，退偏度为0.29597的偏振强度分布图；

图5是加载于反射式电寻址液晶光阀的偏振补偿分布灰度图形(单元像素尺寸大小20μm)；

图6是利用图2所示的退偏补偿液晶光学面板曝光装置刻写的高损伤阈值液晶偏振补偿光学面板例图，刻写的单元像素尺寸大小20μm；

图7是利用图6所示的液晶偏振补偿光学面板对图3所示的激光偏振态进行空间补偿的实验结果图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种任意退偏补偿的高损伤阈值液晶光学面板，用于对高功率激光的任意偏振态退化补偿。本发明由用于退偏补偿的液晶光学面板2和曝光装置1组成。其中，液晶光学面板2由第一介质膜层20，第一玻璃基板21，第二介质膜层22，光控取向膜层23，液晶层24，间隔子边框胶25，摩擦取向膜层26，第三介质膜层27，第二玻璃基板28和第四介质膜层29构成，其膜层结构如图1所示；曝光装置1由led蓝光光源10，阵列透镜11，准直透镜组12，偏振分束棱镜13，分束棱镜14，反射式电寻址液晶光阀15，计算机16，消色差成像系统17组成，其结构如图2所示。

液晶光学面板2的曝光过程如图3所示，led蓝光光源10发出非相干光经光束匀质器11匀质后进入准直器12进行准直处理，再经过偏振分束棱镜13变成均匀的平行线偏振蓝光。之后该均匀的平行线偏振蓝光透过分束棱镜14被送入反射式电寻址液晶光阀15进行偏振调制处理，调制处理过的蓝光全部被反射回分束棱镜14，该分束棱镜14将此蓝光再次反射进入消色差成像系统17，消色差成像系统17输出的蓝光最终辐照在液晶光学面板2的光控取向膜层23上。

具体来说，当计算机16加载一偏振补偿分布灰度图形(如图5所示)时，透过分束棱镜14的均匀平行线偏振蓝光在反射式电寻址液晶光阀15中被调制成偏振分布灰度图形，并通过消色差成像系统17进行等比例或不等比例成像在液晶光学面板2的光控取向膜层23上。由于光控取向膜层23选用的是偶氮苯类材料，该材料对线偏振蓝光具有很强的吸收性，当吸收的蓝光达到一定的强度(416mj/cm²，450nm)时，偶氮苯类材料的取向方向与线偏振蓝光的偏振方向垂直，利用它的这一特性就可以诱导液晶层24的液晶分子进行取向，使每个像素单元的液晶分子取向不同，实现偏振灰度图形曝光，如图6所示。曝光后液晶光学面板2从曝光装置1中取出，可直接作为插入式透射型补偿器件使用，不影响现有高功率激光系统结构，对图4所示的光斑直径13mm，退偏度0.29597的高功率激光偏振补偿实际效果如图6所示。

此外，光控取向膜层23选用的偶氮苯类材料还可以进行多次擦写操作，即需要重新曝光偏振补偿图形时，先将反射式电寻址液晶光阀14加载一空白图形，待吸收的蓝光光强达到416mj/cm²时，整个液晶光学面板2的光控取向膜层23会一致取向，此时液晶层24上的液晶分子也跟随取向一致；再按照上述操作进行新补偿图形曝光。

图1中光控取向膜层23也可以选用肉桂酸类或香豆素类材料，但是这类材料不能进行多次擦写操作，用它制作的液晶光学面板2偏振补偿模式固定，一旦激光系统的退偏状态发生变化，需要重新制作液晶光学面板2送入曝光装置1中进行曝光。

当然，液晶光学面板2的损伤阈值不仅仅是由光控取向膜层23决定的，它取决于各组成中损伤阈值最低的第一(第二、第三、第四)介质膜20(22、27、29)为15j/cm²，所以整个液晶光学面板2损伤阈值可以达到15j/cm²以上。