一种液晶激光转向器的制作方法

本发明属于液晶光电子器件技术领域，具体公开了一种液晶激光转向器，该液晶激光转向器可以控制激光方向。应用于空间激光通信、空间激光雷达对目标进行高精度快速跟踪。

背景技术：

空间激光通信是以激光作为载波，通过自由空间和大气等传输信道进行信息传输的通信方式。它具有信息容量大、传输速率高、电子对抗能力强、系统体积小、重量轻、功耗小、相对性价比髙等一系列优点，是公认的未来航天通信和卫星通信的最佳方式之一。空间光束的捕获、对准、跟踪(apt—acquisition,pointingandtracking)技术是空间激光通信中的重要关键技术，apt系统是整个空间激光通信系统设计和研制的核心内容，同时也是技术实现上的难点。非机械光束控制相对于传统机械控制具有体积小，质量轻，没有机械振动的优点。如何提高指向精度是非机械光束控制技术的一个关键问题，高精度指向的非机械光束控制具有重要的研究意义。

之前实现高精度指向能力的非机械电控光束转向器件主要有液晶光楔、快速控制反射镜(fsm)等。但是液晶光楔由于厚度不同存在波前动态畸变。fsm存在驱动电压高、行程短、体积重量大等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过改变每个区域的宽度，改变液晶盒的厚度以及改变电压来调节出射光偏转角度以实现光束的高精度跟踪，具有高精度、快速响应的优点，同时还能够减小波前畸变的液晶激光转向器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种液晶激光转向器，包括上下分布的多个结构层，每个结构层依次包括第一基板、液晶分子层和第二基板；

所述第一基板从上到下依次包括第一基板玻璃、第一ito电极层和第一取向层，第二基板从上到下依次包括第二取向层、第二ito电极层和第二基板玻璃；

所述液晶分子层位于第一取向层和第二取向层之间，液晶分子层内部喷洒多个相同高度的间隔子进行支撑；第一基板与第二基板边缘通过边框胶进行密封封装。

进一步地，所述每个结构层的第一ito电极层一端与电源v1相连，该连接端对应的第二ito电极层端接地；第一ito电极层的另一端接地，该连接端对应的第二ito电极层端与电源v2连接。

进一步地，所述每个结构层之间通过热敏光导胶进行贴合。

进一步地，所述液晶分子层采用向列型液晶。

本发明的有益效果是：本发明可以通过改变每个区域的宽度，改变液晶盒的厚度以及改变电压来调节出射光偏转角度以实现光束的高精度跟踪，具有高精度、快速响应的优点，同时还能够减小波前畸变。

附图说明

图1为本发明的液晶激光转向器的结构层的结构示意图；

图2为本发明的工作原理示意图；

图3为本发明的光路图；

附图标记说明：1-第一基板玻璃，2-第一ito电极层，3-第一取向层，4-间隔子，5-边框胶，6-第二取向层，7-第二ito电极层，8-第二基板玻璃，9-液晶分子层。

具体实施方式

本器件要求能实现对光束一定范围内的偏转，偏转精度为μrad量级。由于1层结构偏转角度有限，故采用叠层结构。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种液晶激光转向器，包括上下分布的多个结构层，每个结构层依次包括第一基板、液晶分子层和第二基板；

所述第一基板从上到下依次包括第一基板玻璃1、第一ito电极层2和第一取向层3，第二基板从上到下依次包括第二取向层6、第二ito电极层7和第二基板玻璃8；

所述液晶分子层9位于第一取向层3和第二取向层6之间，液晶分子层内部喷洒多个相同高度的间隔子4进行支撑，保证盒厚均匀；第一基板与第二基板边缘通过边框胶5进行密封封装。

进一步地，所述每个结构层的第一ito电极层2一端与电源v1相连，该连接端对应的第二ito电极层7端接地；第一ito电极层2的另一端接地，该连接端对应的第二ito电极层7端与电源v2连接。

进一步地，所述每个结构层之间通过热敏光导胶进行贴合。

进一步地，所述液晶分子层采用向列型液晶。

下面结合附图进一步说明本发明的工作原理。

设期望光束发生在x方向上偏转，建立坐标系如图2所示。设器件x方向宽度为a，y方向宽度为a，入射光沿着z方向入射，光的偏振方向为x方向。器件有效通光孔径内均匀等分成m-1个子区，每个子区的宽度为从左往右编号为i＝1,2,…,m-1。z方向总共包括m个结构层，每个结构层内液晶分子层的厚度为l(单位：μm)。

转向原理：

在电场作用下，液晶激光转向器中的液晶分子及对应的光轴会沿着电场方向发生转动，导致对e光的相位延迟发生相应的变化。采用精密电路调节驱动电压，激光通过液晶激光转向器后发生精密的微小角度偏转。其中，驱动电压的精度决定了偏转角度的精度。

e光在晶体中传播的折射率可形象地用折射率椭球描述，液晶分子为单轴晶体，光轴方向与液晶分子的长轴方向一致，n⊥为液晶分子折射率椭球半短轴长度，n||为液晶分子折射率椭球半长轴长度。设光轴与y轴平行，入射的e光与液晶分子角度如图3所示，e光的偏振方向与xoy平面平行，oa长度为e光折射率，与光轴成θ角的一束光的非寻常光(e光)的折射率分布为：

当液晶分子转动角度较小时，液晶分子转动角度θ与中心位置偏转角度θm的关系为其中z为基板法向距离，d为图2中i的宽度，θm为液晶分子在电压的作用下中心位置的偏转角度。

当忽略k11,k22,k33的差异，且液晶的各向异性差别很大时，液晶分子最大倾斜角θm与外加电压的关系为

其中vth为液晶的阈值电压，v为驱动液晶时加给液晶的电压，k11为展曲弹性系数，k33为弯曲弹性系数；k22为与液晶分子的相关参数，后面计算过程中没有用到，因此不再赘述；ε||与ε⊥为平行于和垂直于液晶指向矢的介电常数。

对于图中虚线左侧的液晶来说，光经过之后的相位调制量为

对于图中虚线右侧的液晶来说，光经过之后的相位调制量为

其中，ner与neb为图2中虚线左侧区域液晶与虚线右侧区域液晶的非寻常光(e光)的折射率分布。λ为入射光波长。i表示图中液晶厚度不同对应的不同区域。

于是，光经过液晶激光转向器第i个区域之后总的相位延迟量变化为

相邻两个区对应区域的相位延迟量变化差值为：

对应的出射光偏转角度α的变化公式为

因此可以通过改变每个区域的宽度d，改变液晶盒的厚度l以及改变电压v来调节出射光偏转角度以实现光束的高精度跟踪。例如取l为2μm，d为10mm，5层，4分区，neb-ner＝0.2，代入上式后可以得出范围是±0.04mrad。

本发明的液晶激光转向器制备过程为：

(1)制备偏转器电极结构。采用标准的半导体光刻工艺方法，在ito(氧化铟锡)基板玻璃上按照如图2所示的结构，制备对应的电极图形，电极缝隙为b，从上至下第n层玻璃基板的电极缝隙距右边边框胶边界距离为

(2)制备单层液晶盒。采用向列型液晶器件的标准成盒工艺方法和工艺参数，包括：pi(聚酰亚胺)固化、pi配向、贴合、灌晶。其中：配向方向为沿面平行配向，盒厚为l，液晶材料为向列型液晶。

(3)贴合液晶偏转器组件。利用热敏光导胶(oca)胶，将上一步制备的m个液晶器件对位逐层贴合，完成液晶激光转向器组件制备。

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。