一种耐受高激光功率的液晶光学相控阵装置的制作方法

本发明涉及一种耐受高激光功率的液晶光学相控阵装置。

背景技术：

随着科技的进步，液晶光学相控阵已经被证实是一种能够实现非机械式光束偏转和空间光调制的新方法。相对于传统的光束偏转方式，液晶光学相控阵具有体积小、功耗低、精度高、捷变等优势。而液晶光学相控阵的制备工艺要求也越来越高，以此满足实际应用的要求。液晶光学相控阵制备主要以透射式为主，由两块平行放置的玻璃基板，上层玻璃基板附有取向层、透明导电的ito阵列。ito阵列由光刻工艺制备，电极宽度为3μm，间隔周期为5μm。形成ito阵列的上玻璃基板作为电极层加载不同电压形成光栅电极。下层玻璃基板附有取向层和透明导电的ito膜层。下层基板的导电层作为公共电极，与上层玻璃基板之间形成电压。两层玻璃基板之间填充向列型液晶。通过上下基板之间加载不同的电压，控制液晶的偏转，从而实现对光束的控制。然而，传统的液晶光学相控阵的制备并不能满足日益增加的实际需求。在高功率激光入射的条件下，ito膜层吸热明显，传统的液晶光学相控阵在10w的激光入射条件下，温升达到液晶的清亮点，致使液晶光学相控阵失效。

制备高功率液晶光学相控阵的方法主要可以分为三类，整体器件结构重新设计、膜层替换和散热结构的设计。膜层替换主要是ito对于激光的吸收较大，在高功率激光入射的情况下，会产生大量的热，导致器件失效。而就目前的透明导电薄膜的选择上来看，ito又是最理想的透明导电材料，所以目前液晶光学相控阵的电极基本都采用ito膜层。散热结构的设计相对复杂，通过风冷还是水冷尚不能确定，市面上也没有相关设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用高掺杂硅片作为液晶光学相控阵的基底，并在硅基板上镀一层1064nm波长的全反膜，当强激光入射液晶光学相控阵的时候，此时器件中只有ito阵列吸收激光，使得硅片不会吸收激光发热的耐受高激光功率的液晶光学相控阵装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种耐受高激光功率的液晶光学相控阵装置，包括散热组件和液晶光学相控阵组件；液晶光学相控阵组件依次包括高掺杂硅片、全反膜、pi取向膜、ito阵列电极和石英基板；所述pi取向膜设有两层，两层pi取向膜之间设有向列型液晶层；高掺杂硅片贴合在散热器件组件上。

进一步地，所述全反膜为1064nm波长的全反膜，高掺杂硅片采用硼掺杂的p型半导体，单面抛光，平整度tir<3μm、翘曲度ttv<10μm、弯曲度bow<10μm、粗糙度<0.5nm、电阻率为10ω·cm。

进一步地，所述散热组件包括外壳和安装在外壳内部的散热阵列；外壳为采用抛光铜片制成的长方体，散热阵列采用厚度为1mm、高度为1.2cm、长度为4cm的薄铜片间隔1mm组成铜片阵列，散热阵列安装在外壳与液晶光学相控阵组件相邻一侧的内侧壁上。

进一步地，所述外壳上相对地设置有进水口和出水口。

本发明的有益效果是：本发明液晶光学相控阵装置采用基于硅基散热的反射式液晶光学相控阵，用高掺杂硅片作为液晶光学相控阵的基底，去掉了传统液晶光学相控阵用ito透明导电薄膜作为器件的com极，并在硅基板上镀一层1064nm波长的全反膜。当强激光入射液晶光学相控阵的时候，此时器件中只有ito阵列吸收激光，硅片上1064nm全反膜会将激光全部反射，使得硅片不会吸收激光发热；同时利用硅片良好的导热性，将液晶光学相控阵组件产生的热量迅速导向散热组件，散热组件通过散热阵列和水冷散热结构，实现快速散热。可以保证在强激光入射时，器件的热沉积不会急速上升致使液晶光学相控阵失去光束偏转能力；将液晶光学相控阵器件温升控制在可以接受的范围，液晶光学相控阵的激光耐受功率大大提高，使得液晶光学相控阵应用于激光通信的多路接入等较高激光功率应用制备成为可能。

附图说明

图1为本发明的液晶光学相控阵装置结构示意图；

图2为本发明的液晶光学相控阵组件结构示意图；

图3为本发明的液晶光学相控阵组件工作原理图；

图4为本发明的散热组件结构示意图；

附图标记说明：

1-散热组件，11-外壳，12-散热阵列，13-进水口，14-出水口；

2-液晶光学相控阵组件，21-高掺杂硅片，22-全反膜，23-pi取向膜，24-ito阵列电极，25-石英基板，26-向列型液晶层。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种耐受高激光功率的液晶光学相控阵装置，包括散热组件1和液晶光学相控阵组件2；液晶光学相控阵组件2依次包括高掺杂硅片21、全反膜22、pi(聚酰亚胺)取向膜23、ito(氧化铟锡)阵列电极24和石英基板25；所述pi取向膜23设有两层，两层pi取向膜23之间设有向列型液晶层26；高掺杂硅片21贴合在散热器件组件1上。

进一步地，所述全反膜22为1064nm波长的全反膜，高掺杂硅片21采用硼掺杂的p型半导体，单面抛光，平整度tir<3μm、翘曲度ttv<10μm、弯曲度bow<10μm、粗糙度<0.5nm、电阻率为10ω·cm。

如图3所示，本发明相较于传统的液晶光学相控阵而言，将一般情况下透射式结构改为反射式结构，在器件的高掺杂硅片21上镀一层1064nm波长的全反膜。当1064nm波长激光入射时，实现全反。选用高掺杂硅片21，利用硅片良好的导热性对液晶光学相控阵组件进行散热。对比一般器件，石英玻璃的导热系数在1.5左右，而硅片的导热系数为100左右。当强激光入射液晶光学相控阵时，液晶光学相控阵的ito(氧化铟锡)薄膜层和阵列对于1064nm激光有很强的吸收，进而转化为器件的热量。对于液晶光学相控阵组件来说，器件的耐受温度是器件能否承受高功率最大的瓶颈。因为液晶存在清亮点，在达到一定温度时，液晶从各向异性变成各向同性，使得液晶的性质失效，进而液晶光学相控阵失去调控能力。本发明采用导热系数高的硅片作为液晶光学相控阵的基底材料，能够充分的对液晶光学相控阵进行散热。理论上，硅片的导热系数为石英玻璃的100倍，理想状态下，硅基的液晶光学相控阵耐高温能力应该为传统液晶光学相控阵的100倍左右。传统的液晶光学相控阵的com(接地)极为ito薄膜，这大大的增加了器件在强激光下的吸热，本发明利用了高掺杂硅片21作为基底材料，一方面是用于器件的散热，另一方面，高掺杂的硅片表现出了很好的导电性，利用这点，可以去掉传统液晶光学相控阵中的ito膜层，直接用硅基底作为整体器件的com(接地)极。这样硅片基底既有底部散热的功效，又有作为电极的作用，这样的设计结构就能大大提高液晶光学相控阵耐高温的能力，也就提高了液晶光学相控阵耐受强激光的能力。所以，本发明解决了传统的液晶光学相控阵由于ito作为com(接地)极，并且基板均为石英玻璃，导致其吸热十分严重，同时又无法及时散热的问题。使得液晶光学相控阵的激光耐受功率大大提高，为液晶光学相控阵在激光通信的多路接入应用打下基础。

如图4所示，本发明所述的散热组件1包括外壳11和安装在外壳内部的散热阵列12；外壳11为采用抛光铜片制成的长方体，散热阵列12采用厚度为1mm、高度为1.2cm、长度为4cm的薄铜片间隔1mm组成铜片阵列，散热阵列12安装在外壳11与液晶光学相控阵组件2相邻一侧的内侧壁上。所述外壳11上相对地设置有进水口13和出水口14，进水口13和出水口14分别设置在外壳11的两个相对的侧面上。在壳体的内部通水，使水与内部铜片阵列充分接触，通过水的流动带走组件的热量，达到良好的散热目的。将设计好的液晶光学相控阵组件2贴合在抛光的散热组件1外壳上，使其充分接触。当强激光入射液晶光学相控阵的时候，此时器件中只有ito(氧化铟锡)阵列吸收激光，硅片上1064nm全反膜会将激光全部反射，使得硅片不会吸收激光发热，减少了器件的热沉积。由于硅片良好的散热特性，器件中产生的热量会很快被硅片传出，导向与高掺杂硅片21贴合的散热组件1。散热组件1由散热很好的铜作为材料，内部设计了大量的铜薄片增加了散热面积，通过内部水流的流动，带走整体器件的热量。通过辅助的散热组件，液晶光学相控阵组件2内部的热沉积被降到了一个很低的程度，使得液晶光学相控阵组件2可以承受高强度激光而不会失去液晶移相的特性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。