一种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，包括：石墨烯液晶聚光微透镜阵列、以及驱控信号输入端口，石墨烯液晶聚光微透镜阵列为m×n元，石墨烯液晶聚光微透镜阵列采用夹层结构，且下中上层之间顺次设置有第一基片、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、图案化石墨烯电极层、石墨烯电极层、第二基片，图案化石墨烯电极层由m×n个均匀排布的石墨烯圆孔构成，从图案化石墨烯电极层延伸出一根图案化电极引线并接入驱控信号输入端口的一端，从石墨烯电极层延伸出另一根电极引线并接入驱控信号输入端口的另一端。本实用新型结构紧凑牢固，电驱控能力强，控制精度高，易与常规红外光学光电机械结构耦合，环境适应性好。
【专利说明】—种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学波束精密测量与控制【技术领域】，更具体地，涉及一种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种将碳原子以六边形方式紧密堆积构成的二维晶体，是迄今为止人类所能获得的强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。其典型特征包括:(一)具有超强导电性，载流子在石墨烯中几乎可以自由穿行；(二)具有超高透光率，一般仅吸收不超过3%的可见光和红外波；(三)具有超大电子迁移率，在室温下传递电子的速度远快于目前已知的各种导电材料，电子运动速度最快可达到光速的1/300 ;(四)结构极为稳定牢固，具有超强耐腐蚀能力，碳原子间的六边形网状连接使其又极为柔韧；(五)抗静电能力极强，电子在石墨烯轨道中移动时不会因晶格缺陷、引入外来原子或电场而被散射；(六)极好的结构匹配与耦合性，易与目前已知的大多数光学和微电子材料耦合形成二维面形功能化结构。基于石墨烯材料制作可以覆盖可见光和红外谱段的电极结构，实现可见光和红外波段电磁波束的单芯片一体化处理这一技术方式，目前已受到广泛关注和重视。
[0003]现阶段所广泛采用的膜电极材料一般按照可见光和红外谱域加以划分。在红外谱域根据功能和应用情况，又常被细分为近红外(I?3 μ m)、中红外(3?5 μ m)和远红外(8?14μπι)这三个典型谱段。不同的谱域或谱段均要求相适应的电极材料，如在可见光谱域常采用ITO(氧化铟锡)膜材料，红外谱域常采用铝膜或金膜材料等。其典型缺陷主要表现在以下方面:(一)电磁波束的理论透过率一般在86%以下，对某些特殊应用而言甚至更低；(二)谱透过率存在不均匀性，在某些光频处的谱透过率甚至会衰减到相邻波谱的一半以上；(三)金属电极材料中的电子或阳离子有时会渗透进如液晶等的工作介质中，会造成工作介质的性能降低甚至功能丧失，从而降低器件的参数指标以及严重缩短器件寿命；
(四)由于金属膜的抗弯折能力有限，金属与无机非金属材料间难以稳定牢固耦合或键合，通常无法制成廉价长效的可弯折电极结构；(五)迄今为止尚无法制作出兼容可见光和全红外波段的超宽谱电极结构；(六)由于金属材料存在较大电阻，其热效应和高频电磁信号驱控下的趋肤效应，将严重影响甚至降低空间电场激励效能，会对工作介质的功能形成与发挥带来负面影响等。
[0004]近些年来，基于电控液晶微透镜进行波束整形和变换这一技术方式已取得显著进展，已具备若干独特功能，包括:(一)在阵列化液晶结构的电极上施加电驱控信号，可对可见光或红外光束进行汇聚、发散或相位延迟等；(二)由于液晶微透镜的光束变换作用通过在电极结构上施加电驱控信号实现，可依照先验知识或光束特征对光束变换施加约束、干预或引导。尽管如此，仍缺乏可同时覆盖可见光和红外谱域，不会干扰或改变工作介质的电磁结构特征，能够彻底摆脱热效应对工作介质其功能形成和发挥的影响等方面的手段和方法。目前，如何进一步提高电控液晶微透镜器件的工作效能，长期维持液晶器件的性能和参数指标，延长器件寿命以及扩展功能等，已成为光学波束精密测量与控制【技术领域】继续发展所面临的热点问题，迫切需要新的突破。
实用新型内容
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，其可实现特定形态光波束的电控成形与调变，易与其它光学光电机械结构耦合，环境适应性好，电驱控能力强。
[0006]为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，包括:石墨烯液晶聚光微透镜阵列、以及驱控信号输入端口，石墨烯液晶聚光微透镜阵列为mXn元，其中，m、n均为大于的整数，石墨烯液晶聚光微透镜阵列采用夹层结构，且下中上层之间顺次设置有第一基片、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、图案化石墨烯电极层、石墨烯电极层、第二基片，图案化石墨烯电极层由mXn个均匀排布的石墨烯圆孔构成，从图案化石墨烯电极层延伸出一根图案化电极引线并接入驱控信号输入端口的一端，从石墨烯电极层延伸出另一根电极引线并接入驱控信号输入端口的另一端，并由驱控信号输入端口向图案化石墨烯电极层和石墨烯电极层提供电压驱控信号。
[0007]优选地，可见光近红外光束进入石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片后，被尚散化为阵列化子入射波束，各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用，被汇聚成汇聚光斑构成的微光点阵，并经进一步演化耦合形成远场透射波束。
[0008]优选地，所述石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片还包括芯片壳体，石墨烯液晶聚光微透镜阵列位于芯片壳体内并与其固连，石墨烯液晶聚光微透镜阵列的光入射面和光出射面通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来，驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
[0009]优选地，第一和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
[0010]优选地，在石墨烯液晶聚光微透镜阵列的光入射面和光出射面均制作有同种材质的第一光增透膜系和第二光增透膜系。
[0011]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0012]可能诱发的电光性能时效性差以及结构不稳定等问题。
[0013]4、控制精度高:由于本实用新型采用可精密电驱控的石墨烯液晶微透镜，具有极高的结构、电学及电光参数的稳定性和控制精度，所以本实用新型具有控制精度高的优点。
[0014]5、使用方便:本实用新型的芯片主体为封装在芯片壳体内的石墨烯液晶聚光微透镜阵列，在光路中接插方便，易与常规光学、光电和机械结构等匹配耦合。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片的结构示意图；
[0016]图2是本实用新型石墨烯液晶聚光微透镜阵列的结构示意图；
[0017]图3是本实用新型石墨烯液晶聚光微透镜的光束变换示意图。
[0018]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0019]1-驱控信号输入端口，2-石墨烯液晶聚光微透镜阵列,3-芯片壳体,4-第一基片，5-第一液晶定向层，6-液晶层，7-第二液晶定向层，8-图案化石墨烯电极层，9-石墨烯电极层，10-第二基片，11-第一光增透膜系，12-第二光增透膜系。
【具体实施方式】
[0020]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021]如图1所示，本实用新型的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片包括:芯片壳体3、石墨烯液晶聚光微透镜阵列2、以及驱控信号输入端口 I。
[0022]石墨烯液晶聚光微透镜阵列2位于芯片壳体3内并与其固连。
[0023]石墨烯液晶聚光微透镜阵列2的光入射面和光出射面通过芯片壳体3的顶面和底面开窗裸露出来。
[0024]驱控信号输入端口 I设置在芯片壳体3上，并通过芯片壳体3的侧面开孔裸露在外。
[0025]石墨烯液晶聚光微透镜阵列为mXn元，其中，m、η均为大于I的整数。各元微透镜相互连通的圆孔石墨烯图案化电极被同步加电。
[0026]如图2所示，本实用新型的石墨烯液晶聚光微透镜阵列采用图案化石墨烯电极层-液晶层-石墨烯电极层这样的夹层结构，且下中上层之间顺次设置有第一基片4、第一液晶定向层5、液晶层6、第二液晶定向层7、图案化石墨烯电极层8、石墨烯电极层9、第二基片10。第一液晶定向层5和第二液晶定向层7均由聚酰亚胺制成,但应理解定向层材料并不局限于此，也可以是其它可形成纳米级深度和宽度的沟道材料。
[0027]图案化石墨烯电极层8由mXn个均勻排布的石墨烯圆孔构成,其中，m、η均为大于I的整数。从图案化石墨烯电极层8延伸出一根图案化电极引线并接入驱控信号输入端口 I的一端。从石墨烯电极层9延伸出另一根电极引线并接入驱控信号输入端口 I的另一端。由驱控信号输入端口 I向图案化石墨烯电极层8和石墨烯电极层9提供电压驱控信号
[0028]如图3所示，加载在图案化石墨烯电极层8和石墨烯电极层9上的驱控信号V，在电极间激励起特定的阵列化空间电场。可见光近红外光束进入石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片后，依照石墨烯液晶聚光微透镜阵列2的阵列规模和排布情况，被离散化为阵列化子入射波束。各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用，被汇聚成具有特定亮度和尺寸的汇聚光斑构成的微光点阵，并经进一步演化耦合形成具有特定图案化形态的远场透射波束。在石墨烯液晶聚光微透镜阵列2的光入射面和光出射面均制作有同种材质的第一光增透膜系11和第二光增透膜系12。
[0029]下面结合图1、图2和图3说明本实用新型实施例的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片的工作过程。
[0030]首先将信号线接入驱控信号输入端口，将电压信号输入和加载在石墨烯液晶聚光微透镜阵列上。
[0031]石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片被置于测试光路中，或被置于由主镜构成的光学系统的焦面处也可弱离焦配置。
[0032]可见光近红外光束通过芯片的光入射窗口进入石墨烯液晶聚光微透镜阵列后，与受控电场激励下构建的具有特定折射率分布形态的液晶分子相互作用而呈阵列化汇聚态，形成亮度随驱控信号均方幅度或频率变化的微光点阵。微光点亮度及尺寸，由施加在液晶微透镜其石墨烯电极上的调幅或调频电压信号调变。由各液晶微透镜压缩整形的子波束经耦合形成新的由芯片光出射窗口输出的透射波束。
[0033]石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，通过汇聚微透镜阵列进行波束形态的可调变汇聚式压缩整形。各单元液晶汇聚微透镜由顶面为圆形的石墨烯图案化电极及底面石墨烯公共电极构成。各元液晶微透镜中的石墨烯图案化电极被同步加电，如图示的电驱控信号V。电控液晶平面微透镜包括液晶材料、液晶初始定向结构、石墨烯电极、基片和增透月吴系，液晶材料的上下两表面依次覆盖液晶初始定向结构、石墨稀电极、基片和增透I吴系。所述石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片用于使光束形态发生改变。通过调节加载在液晶微透镜阵列上的电压信号来调变阵列化子出射光束的汇聚程度，得到基于被调变子波束耦合形成的透射波束。所得到的出射波束可通过电信号其均方幅度或频率的调变操作，被凝固在特定形态或调变到预定形态。
[0034]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，包括:石墨烯液晶聚光微透镜阵列、以及驱控信号输入端口，其特征在于， 石墨烯液晶聚光微透镜阵列为HiXn元，其中，m、η均为大于的整数； 石墨烯液晶聚光微透镜阵列采用夹层结构，且下中上层之间顺次设置有第一基片、第一液晶定向层、液晶层、第二液晶定向层、图案化石墨烯电极层、石墨烯电极层、第二基片； 图案化石墨烯电极层由mX η个均匀排布的石墨烯圆孔构成； 从图案化石墨烯电极层延伸出一根图案化电极引线并接入驱控信号输入端口的一端，从石墨烯电极层延伸出另一根电极引线并接入驱控信号输入端口的另一端，并由驱控信号输入端口向图案化石墨烯电极层和石墨烯电极层提供电压驱控信号。
2.根据权利要求1所述的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，其特征在于，可见光近红外光束进入石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片后，被离散化为阵列化子入射波束，各子入射波束与受控电场激励下的液晶分子作用，被汇聚成汇聚光斑构成的微光点阵，并经进一步演化耦合形成远场透射波束。
3.根据权利要求1所述的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，其特征在于， 所述石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片还包括芯片壳体； 石墨烯液晶聚光微透镜阵列位于芯片壳体内并与其固连； 石墨烯液晶聚光微透镜阵列的光入射面和光出射面通过芯片壳体的顶面和底面开窗裸露出来； 驱控信号输入端口设置在芯片壳体上，并通过芯片壳体的侧面开孔裸露在外。
4.根据权利要求1所述的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，其特征在于，第一和第二液晶定向层均由聚酰亚胺制成。
5.根据权利要求1所述的石墨烯基电控液晶光汇聚微透镜阵列芯片，其特征在于，在石墨烯液晶聚光微透镜阵列的光入射面和光出射面均制作有同种材质的第一光增透膜系和第二光增透膜系。
【文档编号】G02F1/1337GK204188925SQ201420621472
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】张新宇, 罗俊, 佟庆, 雷宇, 桑红石, 张天序, 谢长生 申请人:华中科技大学