一种高填充比的液晶光学相控阵

本发明属于液晶光学相控阵，空间光调制器，激光通信，具体涉及一种高填充比的液晶光学相控阵。

背景技术：

1、随着激光通信技术的快速发展，液晶光学相控阵由于具有体积小、重量轻和功耗低等特点对空间激光通信系统及网络的发展具有重要的社会效益和经济效益。目前的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，下层玻璃基板附有取向层、透明导电的ito阵列。下层玻璃基板的ito阵列作为电极层被加载不同电压形成光栅电极。上层玻璃基板附有取向层和透明导电的ito膜层，上层基板的导电层作为公共电极，与下层玻璃基板之间形成电压。两层玻璃基板之间填充向液晶材料。液晶分子在上下基板之间的电场作用下发生偏转，从而实现对光束的相位控制。然而目前星载、车载、机载激光通信技术等各种特定应用场景对于光学相控阵光学天线集成度的要求在不断提高，现有相关设备已经不能满足使用需求，因此这对于器件制备的布局及工艺提出了新的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述问题，提供一种高填充比的液晶光学相控阵结构与方法，ito电极阵列a和ito电极阵列b均集成在一块玻璃基板上，且几何位置上成空间错位分布，实现垂直于波束传播方向的器件截面上电极阵列高填充比，给子阵列所在区域的液晶施加电压矩阵以调制激光波前相位。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高填充比的液晶光学相控阵，包括从上到下依次层叠设置的第一增透膜、第一基板、第一液晶分子层、第二基板、第二液晶分子层、第三基板和第二增透膜，第一基板包括第一玻璃基板、第一ito电极层和第一pi取向层，第二基板包括从上到下布置的第二pi取向层、ito电极阵列a、第二玻璃基板、ito电极阵列b和第三pi取向层，第三基板包括从上到下依次分布为第四pi取向层、第二ito电极和第三玻璃基板，第一pi取向层、第二pi取向层、第三pi取向层、第四pi取向层分别构成pi取向层；第一液晶分子层中排布着周期性的间隔子，两端为第一框胶结构，第一框胶的上下面分别粘连着第一pi取向层和第二pi取向层，第二液晶分子层中排布着与第一液晶分子层中相同的间隔子和第二胶框，第二液晶分子层中的第二框胶的上下面分别粘接着第三pi取向层和第四pi取向层；第一增透膜、第二增透膜、第一玻璃基板、第二玻璃基板、第三玻璃基板、第一ito电极层、第二ito电极、第一pi取向层、第二pi取向层、第三pi取向层、第四pi取向层、第一框胶和第二框胶均为两端对齐，第一液晶分子层的液晶初始指向矢方向同第一pi取向层中的pi取向方向相同，间隔子于对应的液晶分子层内按一定间距呈周期分布用以支撑上下两层玻璃基板；ito电极阵列a和ito电极阵列b位于第二玻璃基板的正反两面，并几何上形成空间交叉错位排布，以达到光传播方向截面上近100％的电极阵列填充比，实现减小ito电极的横向边缘场效应，提升光束指向衍射效率的目的。

3、优选地，所述第一增透膜和第二增透膜的作用为减少或消除光学表面的反射光，从而增加器件透光量，第一增透膜和第二增透膜使用的材料包括但不限于氟化镁靶材、晶体颗粒等为工作波长所敏感的镀膜材料。

4、优选地，所述的第一ito电极层和第二ito电极层的长度与第一增透膜、第二增透膜、pi取向层的长度相同。

5、优选地，所述ito电极阵列a和ito电极阵列b的作用是为不同空间阵元单位的液晶分子提供相应电压以驱动其偏转形成相位调制，各自的阵列电极与间隙的间距相等，呈周期性分布，由于电极间隙增加，器件的电场边缘效应即受到横向电场的偏转影响成倍数减小；ito电极阵列a和ito电极阵列b均集成在一块玻璃基板上，且在几何上形成空间错位，其作用可以在入射光束截面上的所有区域进行空间相位调制，能有效提升光束的衍射效率。

6、优选地，所述由于两层可受相位调制的第一液晶分子层和第二液晶分子层在空间错位分布，其叠加的相位台阶数成倍数增加，总的相位深度远超2π，提高了光束的偏转范围和指向精度。

7、优选地，所述第一pi取向层、第二pi取向层、第三pi取向层、第四pi取向层均为一层聚酰亚胺pi膜，为有机高分子薄膜，包括但不局限与用绒布类材料高速摩擦来实现取向，实现对液晶分子的初始液晶指向矢方向的选择。

8、优选地，所述第一框胶和第二框胶和间隔子位于液晶分子层内，第一框胶和第二框胶的作用是将对应玻璃基板密封以阻止液晶和外界水汽或氧气相互流通。

9、优选地，所述ito电极阵列a和ito电极阵列b的电极间距和间隙间距相等，包括但不限于用达曼光栅一次制成，无需再绘制光学掩膜版等中间工艺流程，良品率高。

10、本发明的有益效果是：本发明所提供的一种高填充比的液晶光学相控阵，利用两层液晶层叠加和阵列电极空间错位分布的布局设计，在光束的传播方向上而言器件阵列单元的填充因子可接近100％，器件集成度高，加之电极和间隙等宽，对于传统长电极短间隙所带来的电场边缘效应的影响能成倍数减小，有效减少光束受到横向电场调制所带来的偏转误差，而由于电极光栅的空间周期不变，整个器件阵面上的阵元单位总体数量仍保持不变。由于采用电极阵列对两层液晶进行错位叠加调制，在光束截面上不同于传统在间隙处无法进行液晶分子的空间相位调制，理论上对于整个光束截面都能进行空间相位调制，光能利用率和光束衍射效率有效提升。而对于两个相位台阶进行错位叠加，相位深度可接近一层相位调制深度的两倍，无需级联其他衍射偏转器件即可增加光束的偏转范围。且由于电极间隙等间距，工艺制备上也较为简单，包括但不限于可直接利用达曼光栅进行一次曝光制成，无需绘制特定光学掩膜版，良品率高且易于二次修复。本发明采用一种高填充比的器件材料布局，可以以更小的器件空间实现大规模液晶及电极阵列高度集成化的高填充比的液晶光学相控阵器件。

技术特征：

1.一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：包括从上到下依次层叠设置的第一增透膜(1-1)、第一基板、第一液晶分子层、第二基板、第二液晶分子层、第三基板和第二增透膜(1-2)，第一基板包括第一玻璃基板(2-1)、第一ito电极层(3-1)和第一pi取向层(4-1)，第二基板包括从上到下布置的第二pi取向层(4-2)、ito电极阵列a(3-2)、第二玻璃基板(2-2)、ito电极阵列b(3-3)和第三pi取向层(4-3)，第三基板包括从上到下依次分布为第四pi取向层(4-4)、第二ito电极(3-4)和第三玻璃基板(2-3)，第一pi取向层(4-1)、第二pi取向层(4-2)、第三pi取向层(4-3)、第四pi取向层(4-4)分别构成pi取向层；第一液晶分子层中排布着周期性的间隔子(6)，两端为第一框胶(5-1)结构，第一框胶(5-1)的上下面分别粘连着第一pi取向层(4-1)和第二pi取向层(4-2)，第二液晶分子层中排布着与第一液晶分子层中相同的间隔子(6)和第二框胶(5-2)，第二液晶分子层中的第二框胶(5-2)的上下面分别粘接着第三pi取向层(4-3)和第四pi取向层(4-4)；第一增透膜(1-1)、第二增透膜(1-2)、第一玻璃基板(2-1)、第二玻璃基板(2-2)、第三玻璃基板(2-3)、第一ito电极层(3-1)、第二ito电极(3-4)、第一pi取向层(4-1)、第二pi取向层(4-2)、第三pi取向层(4-3)、第四pi取向层(4-4)、第一框胶(5-1)和第二框胶(5-2)均为两端对齐，第一液晶分子层的液晶初始指向矢方向同第一pi取向层(4-1)中的pi取向方向相同，间隔子(6)于对应的液晶分子层内按一定间距呈周期分布用以支撑上下两层玻璃基板；ito电极阵列a(3-2)和ito电极阵列b(3-3)位于第二玻璃基板的正反两面，并几何上形成空间交叉错位排布，以达到光传播方向截面上近100％的电极阵列填充比，实现减小ito电极的横向边缘场效应，提升光束指向衍射效率的目的。

2.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述第一增透膜(1-1)和第二增透膜(1-2)的作用为减少或消除光学表面的反射光，从而增加器件透光量，第一增透膜(1-1)和第二增透膜(1-2)使用的材料包括但不限于氟化镁靶材、晶体颗粒等为工作波长所敏感的镀膜材料。

3.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述的第一ito电极层(3-1)和第二ito电极层(3-4)的长度与第一增透膜(1-1)、第二增透膜(1-2)、pi取向层的长度相同。

4.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述ito电极阵列a(3-2)和ito电极阵列b(3-3)的作用是为不同空间阵元单位的液晶分子提供相应电压以驱动其偏转形成相位调制，各自的阵列电极与间隙的间距相等，呈周期性分布，由于电极间隙增加，器件的电场边缘效应即受到横向电场的偏转影响成倍数减小；ito电极a(3-2)和ito电极b(3-3)均集成在一块玻璃基板上，且在几何上形成空间错位，其作用可以在入射光束截面上的所有区域进行空间相位调制，能有效提升光束的衍射效率。

5.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述由于两层可受相位调制的第一液晶分子层和第二液晶分子层在空间错位分布，其叠加的相位台阶数成倍数增加，总的相位深度远超2π，提高了光束的偏转范围和指向精度。

6.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述第一pi取向层(4-1)、第二pi取向层(4-2)、第三pi取向层(4-3)、第四pi取向层(4-4)均为一层聚酰亚胺pi膜，为有机高分子薄膜，包括但不局限与用绒布类材料高速摩擦来实现取向，实现对液晶分子的初始液晶指向矢方向的选择。

7.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述第一框胶(5-1)和第二框胶(5-2)和间隔子(6)位于液晶分子层内，第一框胶(5-1)和第二框胶(5-2)的作用是将对应玻璃基板密封以阻止液晶和外界水汽或氧气相互流通。

8.根据权利要求1所述的一种高填充比的液晶光学相控阵，其特征在于：所述ito阵列电极a(3-2)和ito阵列电极b(3-3)的电极间距和间隙间距相等，包括但不限于用达曼光栅一次制成，无需再绘制光学掩膜版等中间工艺流程，良品率高。

技术总结
本发明公开了一种高填充比的液晶光学相控阵，包括从上到下依次层叠设置的第一增透膜、第一基板、第一液晶分子层、第二基板、第二液晶分子层、第三基板和第二增透膜，第一基板包括第一玻璃基板、第一ITO电极层和第一PI取向层，第二基板包括从上到下布置的第二PI取向层、ITO电极阵列A、第二玻璃基板、ITO电极阵列B和第三PI取向层，第三基板包括从上到下依次分布的第四PI取向层、第二ITO电极和第三玻璃基板，第一PI、第二PI、第三PI、第四PI取向层分别构成PI取向层，电极阵列A和B位于第二玻璃基板的正反两面，且空间上交叉分布。本发明基于高度集成的双面交叉电极设计，实现器件等效填充因子接近100％，减小横向边缘场效应，提升衍射效率。

技术研发人员：卓儒盛,汪相如,敖佳伟,贺晓娴,马志远,王浩,缪欣怡
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16