一种可控盒厚的液晶盒

技术领域

本发明属于液晶光场调控领域，具体是一种可控盒厚的液晶盒。

背景技术

近年来，可调谐光场调控元件在高精度测量、全息、VR/AR等领域蓬勃发展，以液晶为基础的光学元器件，如液晶盒、电控波片、液晶光栅等的研究更为深入，由此诞生了如基于振幅调制的二元液晶面板，以及基于相位调控的液晶光栅等不同原理、不同设计的新发明，并广泛应用于生活方方面面，例如3D打印的掩膜，液晶相控阵雷达、液晶防伪二维码等等。得益于液晶的双折射可调控特性，元件的功能灵活多样。但是这些无论是像素化还是整体化的元器件，其盒厚都是不可调节的，液晶盒封装完成后其结构就已经固定，液晶盒的盒厚由封盒所用的微粒子的直径决定，元件性能指标就不可更改，尤其相位调制度仅能依赖电压控制的双折射率改变。因此对多波长，多能量梯度的调控就存在不足。面对不同需求只能重新制备液晶盒。同时，高功率激光的日益发展，使得元器件对损伤阈值的要求越来却高，普通的液晶盒难以进行调控或补偿热作用下的物理参数的改变，因此在高功率激光系统中使用会带来误差。

发明内容

本发明为了解决上述传统液晶盒不足，提出一种可控盒厚的液晶盒，可调控多波长不同能量的光场。

本发明的原理如下：

液晶带来的相位延迟量δ可由公式

1)液晶盒盒厚对垂直入射光波变换可以用琼斯矩阵描述。对于X、Y方向上偏振分量分别为E

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式中θ为液晶分子方位角，代表光束入射后会进行坐标的转化。

由上式可以看出，相位延迟量δ的调制是极为关键的，普通液晶盒将只能调节双折射率来造成相位延迟的改变，而液晶盒盒厚这一关键参量无法调制。对于不同波长的光，盒厚的变化都能调控其光强与偏振态。因此本专利中采用压电陶瓷来精准控制盒厚。压电陶瓷具有逆压电性，即在外部电场控制下将电能转化为机械能。如图1所示环形压电陶瓷片与前表面玻片连接，产生的形变带动前表面玻片移动，因此前表面玻片与盒体间距改变。一般而言，经调制后压电陶瓷形变量与电压呈线性关系，因此盒厚d可由如下公式表示

d＝KU

其中K为比例系数，U为加载电压。

本发明采用的技术解决方案如下:

一种可控盒厚的液晶盒，包括由第一取向层、第一ITO层和第一玻璃基底构成的液晶盒腔室，其特点在于，在所述的液晶盒腔室的内侧玻璃上开有孔，供压电连杆伸入；所述的压电连杆的伸入端依次设有第二取向层、第二ITO层和第二玻璃基底，所述的压电连杆的外露端设有压电陶瓷，当压电陶瓷片加电后发生形变，进而带动第二玻璃基底移动，使第一取向层与第二取向层的间距改变，实现液晶层厚度改变。

优选的，还包括设置在所述的液晶盒腔室外部的液晶循环结构，负责液晶的注入与吸出。

优选的，所述的液晶循环结构由软管和泵构成，所述的液晶盒腔室内储存有液晶，所述的软管一端通入所述的液晶盒腔室，另一端与泵相连，实现液晶的注入与吸出，以及与外界交换热量，实现散热。

优选的，所述的压电连杆的伸入端与所述的液晶盒腔室的外壁连接处由弹性橡胶与固化胶连接，防止液晶渗漏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明液晶盒的工作区域的厚度可通过压电陶瓷灵活控制，液晶由外部循环系统控制注入和流出。可实现灵活的光场调节，相位调制量大大增加，可应用于各种光学系统中。除此之外，由于液晶的循环流动降低了热效应对液晶盒的影响，有效提高液晶元件损伤阈值。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1是本发明可变盒厚液晶盒的结构分解示意图,1为外部循环结构，2为液晶盒腔室，3为压电连杆结构。

具体而言，图中：1-1泵；1-2软管；2-1左侧玻璃；2-2右侧玻璃；2-3下侧玻璃；2-4上侧玻璃；2-5后侧玻璃；2-6第一玻璃基底；2-7第一ITO层；2-8第一取向层；2-9密封橡胶圈；3-1第二取向层；3-2第二ITO层；3-3第二玻璃基底；3-4压电连杆；3-5压电陶瓷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

1)可变盒厚液晶盒采用外部循环结构、液晶盒腔室、压电连杆结构相互配合。压电连杆结构负责前后移动改变工作区域厚度，同时使得液晶盒腔室的体积改变。因此需要通过压缩泵来吸出或注入存储在液晶盒腔室的液晶。

2)液晶盒腔室为长方体玻璃空盒结构，准备高质量的石英玻璃作为液晶盒的基底材质，并利用激光切割等方式在上侧玻璃两边打出两个小孔，在后侧玻璃上打出一个大孔，大孔直径稍大于通光口径；切割出通光口径大小的圆形石英玻璃；

以前侧玻璃与切割出的圆形石英玻璃为基底，采用电子束蒸发或磁控溅射的方式镀上ITO薄膜；并在ITO薄膜上旋涂液晶取向剂，利用摩擦配向，光配向等方式制备取向层，

利用玻璃键合封装工艺制备出液晶盒腔室，在腔室后侧大孔上插入一段质地较为坚硬的橡胶圈作为导轨，在上侧两小孔插入软管。利用固化胶固化各连接处，形成密闭空间；

3)前侧第一玻璃基底内壁镀有ITO膜层，并在该膜层上旋涂取向剂并取向，玻璃腔室后侧中心区域挖出圆形孔洞，便于压电连杆结构进入；玻璃腔室上侧挖有两个小型孔洞，与循环结构软管相连；

4)压电连杆结构前端由内向外依次为第二取向层、第二ITO层、第二玻璃基底，玻璃基底与空心连接杆相连，空心连接杆外套有密封橡胶圈，防止液晶渗出。空心连接杆末端附有压电陶瓷，由外部电压控制压电陶瓷伸缩量，进而控制连杆前后移动，这将造成取向层之间液晶厚度改变，即可达到长行程液晶盒厚度调制效果。

5)液晶盒厚度改变意味着液晶盒腔室体积变化，因此采用腔室连接软管和压缩泵来实现液晶存储和排出。同时，考虑到高功率激光带来热效应，软管与外部进行热交换，并使液晶循环流动，减少激光辐照热效应的影响。

该发明通过有效调控液晶盒盒厚来实现对光场相位大范围进行调控的功能，能有效减弱高功率激光辐照带来的物理形变和折射率变化的不利影响，具有宽谱、高精度、可调谐的功能。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。