基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法

技术领域

本发明属于非机械式光束调控技术领域，特别是涉及一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法。

背景技术

传统上，波片是实现偏振转换的有效手段，通过控制波长和厚度的关系来调控延迟量，进而改变出射偏振态。传统的几何相位元件可以看作是图案化处理的波片组合，通过几何相位全息实现偏振态调制。但是对于一些需要在宽波段范围调控偏振态的光学应用，如近眼显示、增强现实显示等，传统几何相位元件由于存在工作波段窄、视场角小等问题已经无法满足需求。基于多层扭曲结构的聚合物液晶层是其中一种实现宽波段调控偏振态的理想材料。更重要的是，基于多层扭曲液晶层实现的宽波段圆偏振转换器能够很容易地转换成超宽波段几何相位元件。本发明提供的基于对称多层扭曲液晶的宽波段圆偏振转换器就是为超宽带几何相位元件的实现提供更加快捷的设计方法和手段。

发明内容

本发明的目的在于针对输入与输出实现偏振态对称切换的需求，提出一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器及其优化方法，解决目前几何相位元件工作波段窄、视场角小等问题。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器，包括沿入射方向依次分布的玻璃基板、取向膜和对称多层扭曲液晶层；

所述对称多层扭曲液晶层包括M个液晶层，M个液晶层的扭曲角大小和厚度特性分别相对于所述对称多层扭曲液晶层的镜面对称轴成镜面对称分布，且互相对称的两个液晶层的扭曲角的方向相反，当M为奇数时，所述镜面对称轴所在的液晶层的扭曲角为零，其中M≥2。

本发明所提出的基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器通过对各个液晶层的扭曲角特性和厚度特性进行镜面对称分布，使得该偏振转换器既能够结合有效快轴的图案化控制形成宽带几何相位光学元件，又能单独作为消色差的波片使用，如半波片、四分之一波片等，实现宽波段几何相位元件和宽波段偏振调控，从而在激光通信、激光对抗、激光雷达、非机械式光束偏转与VR/AR显示等领域具有广阔的应用前景，在宽带光学偏振态调控方面具有重要意义。

同时，本发明还提出一种用于上述基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器的可视化优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：确定所述宽波段偏振转换器的待优化液晶层，所述待优化液晶层为所述对称多层扭曲液晶层中的前

步骤二：确定所述宽波段偏振转换器的设计波段[λ

步骤三：任意给定各个所述待优化液晶层的扭曲角和厚度，并在庞加莱球上演示入射偏振态穿过各个所述待优化液晶层的偏振态演化过程；

步骤四：调整各个所述待优化液晶层的厚度，使庞加莱球上输出偏振态曲线的曲率最小；

步骤五：调整各个所述待优化液晶层的扭曲角并不断微调厚度，在保证输出偏振态曲线曲率最小的同时，让曲线落在庞加莱球的赤道上，从而得到初始双折射率Δn

步骤六：如需将设计波段改变为[λ

本发明所提出的可视化优化方法基于入射偏振态经过单层液晶层的演化作用等效于入射偏振态在庞加莱球上两次旋转的方法，实现基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器的参数优化，该可视化优化方法只需优化一半液晶层的参数，并且结合庞加莱球就能够快速得到液晶层的具体优化参数，相较于数值优化方法更加直观和迅速，且具有个性化地选择余地，如快速微调参数实现不同的偏振转换波段范围等。

附图说明

图1为本发明基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器的结构示意图；

图2为经过单层待优化液晶层后，偏振态演变过程在庞加莱球上可视化的操作示意图，图中：1为输入偏振态S

图3为对称多层扭曲液晶层包括2个液晶层时宽波段偏振转换器的结构示意图；

图4为对称多层扭曲液晶层包括3个液晶层时宽波段偏振转换器的结构示意图；

图5为对称多层扭曲液晶层包括4个液晶层时宽波段偏振转换器的结构示意图；

在图1、图3-图5中，1为输入偏振态S

图6(a)为图3所示的对称两层扭曲液晶层对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程示意图，图中：1为输入偏振态，2、4分别为某一波长下偏振态在第一、二层液晶层中的演变路径，3为第一层液晶层各个波长的输出偏振态组成的弧线，5为最终的输出偏振态弧线，6为庞加莱球的球心，7、8、9分别为庞加莱球S

图6(b)是针对入射右旋圆偏振到出射左旋圆偏振的对称两层扭曲液晶层，绘制其最终输出S

图7(a)为图4所示的对称三层扭曲液晶层对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程示意图，图中：1为输入偏振态，2、4、6分别为某一波长下偏振态在第一、二、三层液晶层中的演变路径，3、5分别为第一、二层液晶层各个波长的输出偏振态组成的弧线，7为最终的输出偏振态弧线，8为庞加莱球的球心，9、10、11分别为庞加莱球的S

图7(b)是针对入射右旋圆偏振到出射左旋圆偏振的对称三层扭曲液晶层，绘制其最终输出S

图8(a)为图5所示的对称四层扭曲液晶层对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程示意图，图中：1为输入偏振态，2、4、6、8分别为某一波长下偏振态在第一、二、三、四层液晶层中的演变路径，3、5、7分别为第一、二、三层液晶层各个波长的输出偏振态组成的弧线，9为最终的输出偏振态弧线，10为庞加莱球的球心，11、12、13分别为庞加莱球的S

图8(b)是针对入射右旋圆偏振到出射左旋圆偏振的对称四层扭曲液晶层，绘制其最终输出S

图9(a)是利用图8所示对称四层扭曲液晶层实现的超宽带几何相位元件及其原理和示意图，这里以液晶偏振光栅为例进行说明，图中：1为对称四层扭曲超宽带圆偏振转换器，2为输入宽带左旋圆(或右旋圆)偏振态，3为输出宽带右旋圆(或左旋圆)偏振态；

图9(b)是对称四层扭曲液晶层实现的宽波段几何相位光学元件，这里以液晶偏振光栅为例进行说明,图中4为基板，5为液晶分子；

图9(c)是对称四层扭曲宽波段液晶偏振光栅的衍射效率图，图中：RCP代表右旋圆偏振光，LCP代表左旋圆偏振光。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，本发明提供一种基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器，该宽波段偏振转换器针对的是输入与输出实现偏振态对称切换的需求，这种对称切换的偏振态具体指：1)右旋圆偏振态和左旋圆偏振态；2)相互正交的线偏振态；3)椭圆度和椭圆倾角相同，但旋向相反的两个椭圆偏振态。本发明中宽波段偏振转换器具体对称限制如下：针对输入与输出偏振光满足对称性的特殊情况，对称多层扭曲液晶层的结构相应地选择对称结构。该宽波段偏振转换器在功能方面具有独特的应用，如宽波段圆偏振转换器结合有效快轴方向的图案化控制实现宽波段甚至兼具大视角特性的几何相位光学元件等，能够解决目前的几何相位光学元件工作波段窄、视场角小等问题。

如图1所示为本发明的对称结构宽波段偏振转换器的结构示意图，本发明的对称结构宽波段偏振转换器包括沿入射方向依次分布的玻璃基板、取向膜和对称多层扭曲液晶层，其中对称多层扭曲液晶层是宽波段偏振转换器的核心光调控结构，也是形成器件实物的基础。

液晶：指聚合物液晶。

取向膜：用于诱导液晶分子取向；可选地，本发明中的取向膜通过摩擦或者光照的取向方法诱导液晶层的取向。

手性剂：用于加入聚合物液晶中诱导液晶分子发生扭曲。

对称多层扭曲液晶层包括M(M＝2,3,4,…)个液晶层，每个液晶层均为扭曲型液晶薄膜，也包含无扭曲的特殊情况。假设取向膜具有初始方位角

对于自对准模式，如图1(a)所示，对称多层扭曲液晶层只需要一层取向膜。首先在玻璃基板上均匀涂布取向膜，然后通过摩擦或光照等取向方法诱导第一层液晶取向，每一层液晶又需分多个子层多次旋涂，以避免临界厚度的问题。扭曲角是通过在聚合物液晶中加入手性剂并控制液晶浓度来得到；厚度是通过多次旋涂来精准控制。

对于非自对准模式，如图1(b)所示，在每一层液晶层前面都需要均匀涂布取向膜来诱导液晶取向，其他部分与自对准结构相同。虽然非自对准模式制作相对困难，但是设计自由度更多。

无论对称多层扭曲液晶层采用自对准模式或者采用非自对准模式，对称多层扭曲液晶层中M个液晶层的厚度特性相对于对称多层扭曲液晶层的镜面对称轴成镜面对称分布，同时M个液晶层的扭曲角大小也相对于对称多层扭曲液晶层的镜面对称轴成镜面对称分布，并且互相对称的两个液晶层的扭曲角的方向相反，特别地，当M为奇数时，镜面对称轴所在的液晶层的扭曲角为零。本发明中对称多层扭曲液晶层的镜面对称轴是指对称多层扭曲液晶层的厚度中心所在的中心轴线，如图1所示。

图3为对称多层扭曲液晶层包括2个液晶层时宽波段偏振转换器的结构示意图，在该对称结构中，扭曲角选择“+-(或-+)”，即Φ

对于包括4个液晶层的对称多层扭曲液晶层，将沿入射方向依次分布的4个液晶层的厚度分别记作d

Δn(λ

Φ

Δn(λ

Φ

其中，Δn(λ

进一步地，本实施例提供了对称四层扭曲液晶层的一个实例参数区间为：λ

进一步地，本实施例提供了对称四层扭曲液晶层的另一个实例参数区间为：λ

在上述两个实例参数区间中，Δn、d、λ之间具有严格的关联性，波长λ正比于Δn·d。实际应用中，如需将设计波段[λ

本实施例所提出的基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器通过对各个液晶层的扭曲角特性和厚度特性进行镜面对称分布，使得该偏振转换器既能够结合有效快轴方向的图案化控制形成宽带几何相位光学元件，又能单独作为消色差的波片使用，如半波片、四分之一波片等，实现宽波段几何相位元件和宽波段偏振调控，从而在激光通信、激光对抗、激光雷达、非机械式光束偏转与VR/AR显示等领域具有广阔的应用前景，在宽带光学偏振态调控方面具有重要意义。

在另一个实施例中，本发明提供一种用于前述实施例所述的基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器的可视化优化方法，该可视化优化方法具体包括以下步骤：

步骤一：确定宽波段偏振转换器的待优化液晶层。由于对称多层扭曲液晶层中各个液晶层的扭曲角特性及厚度特性相对其整体的镜面对称轴成镜面对称分布，因此本发明的可视化优化方法仅需对对称多层扭曲液晶层中一半的液晶层的参数进行优化即可，本实施例中以对称多层扭曲液晶层中的前

步骤二：确定宽波段偏振转换器的设计波段[λ

步骤三：任意给定各个待优化液晶层的扭曲角和厚度，并在庞加莱球上演示入射偏振态穿过各个待优化液晶层的偏振态演化过程。

步骤四：调整各个待优化液晶层的厚度，使庞加莱球上输出偏振态曲线的曲率最小。

步骤五：调整各个待优化液晶层的扭曲角并不断微调厚度，在保证输出偏振态曲线曲率最小的同时，让输出偏振态曲线落在庞加莱球的赤道上，从而得到初始双折射率Δn

步骤六：如需将设计波段改变为[λ

下面以M＝4为例，对上述实施例的可视化优化方法进行举例说明：

步骤一：确定宽波段偏振转换器的待优化液晶层为沿入射方向依次分布的第一个液晶层和第二个液晶层；

步骤二：计算设计波段[λ

步骤三：先任意给定第一个液晶层和第二个液晶层的初始扭曲角和初始厚度，例如Φ

步骤四：调整第一个液晶层的厚度d

步骤五：接着调整第一个液晶层的扭曲角Φ

步骤六：如需将设计波段[λ

每层扭曲液晶层的偏振态调控过程均可通过米勒矩阵进行表述，并可通过庞加莱球坐标系进行可视化分析与优化。在本实施例的步骤三中，如图2所示，通过以下步骤确定在庞加莱球上入射偏振态穿过任意单层待优化液晶层的偏振态演化过程：

选择单层待优化液晶层前表面的液晶分子方位角与如图1所示的坐标系x轴重合，入射偏振态沿如图1所示的坐标系z轴正方向入射，则单层待优化液晶层的米勒矩阵为：

其中，R(Φ)是米勒旋转矩阵，用来实现坐标系旋转，

若单层待优化液晶层的前表面液晶分子方位角为

对

其中，

对

知道了每层液晶层所实现的功能后，就能在庞加莱球上可视化地实时监测每个参数变化所产生的偏振态调控结果。本实施例所提出的可视化优化方法既适用于自对准模式下的宽波段偏振转换器，也适用于非自对准模式下的宽波段偏振转换器。本实施例所提出的可视化优化方法基于入射偏振态经过单层液晶层的演化作用等效于入射偏振态在庞加莱球上两次旋转的方法，实现基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器的参数优化，该可视化优化方法结合庞加莱球就能够快速得到具体优化参数，相较于数值优化方法更加直观和迅速，且具有个性化地选择余地，如快速微调参数实现不同的偏振转换波段范围等。

为了进一步说明本发明实施例所提出的用于基于对称多层扭曲液晶的宽波段偏振转换器的可视化优化方法，下面针对M＝2的两层对称扭曲结构、M＝3的三层对称扭曲结构以及M＝4的对称四层扭曲结构，分别给出对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程示意图及偏振态输出结果图。

(1)对称两层扭曲液晶层

图3所示的对称两层扭曲液晶层对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程如图6(a)所示(以右旋圆偏振到左旋圆偏振为例，其他对称情况类似)，只需优化第一层液晶层，让第一层液晶层的输出偏振态弧线落在庞加莱球的赤道上，这样通过反扭曲对称结构就可以将输出转到关于赤道对称的位置。图6(b)给出实现从右旋圆偏振到左旋圆偏振的两层对称扭曲结构优化参数下的输出S

(2)对称三层扭曲液晶层

图4所示的对称三层扭曲液晶层对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程如图7(a)所示(以右旋圆偏振到左旋圆偏振为例，其他对称情况类似)，只需优化第一层液晶层和第二层液晶层，让第一层液晶层的输出偏振态弧线和第二层液晶层输出偏振态弧线关于庞加莱球的赤道对称，这样通过第三层液晶层和第一层液晶层的反扭曲对称结构就可以将输出转到关于赤道对称的位置。图7(b)给出实现从右旋圆偏振到左旋圆偏振的三层对称扭曲结构优化参数下的输出S

(3)对称四层扭曲液晶层

图5所示的对称四层扭曲液晶层对应的在庞加莱球上的偏振态演化过程如图8(a)所示(以右旋圆偏振到左旋圆偏振为例，其他对称情况类似)，只需优化第一层液晶层和第二层液晶层，让第二层液晶层的输出偏振态落在庞加莱球的赤道上，这样通过第三层液晶层和第二层液晶层的反扭曲，同时第四层液晶层和第一层液晶层的反扭曲对称结构就可以将输出转到关于赤道对称的位置。图8(b)给出实现从右旋圆偏振到左旋圆偏振的对称四层扭曲结构优化参数下的输出S

图9(a)是基于对称多层扭曲液晶的宽波段圆偏振转换器实现超宽带几何相位光学元件的方法,本发明提供的宽波段圆偏振转换器配合已有的几何相位全息技术可产生超宽带几何相位光学元件9(b),这里以超宽带偏振光栅为例作说明，其它类型的宽波段几何相位光学元件这里不再赘述。如图9所示该偏振光栅结构所采用的厚度和扭曲角与图5和图8所述对称四层扭曲液晶层对应的参数一致，由于几何相位全息技术使得第一层液晶的初始方位角呈如图9(a)所示分布，从而形成超宽带液晶偏振光栅。图9(c)是图9(b)所述超宽带液晶偏振光栅分别以右旋圆偏振光和左旋圆偏振光正入射时，其一级衍射效率图。可以看到，在420-900nm的波段可以提供>99％的衍射效率，在430-865nm的波段可以提供>99.7％的衍射效率，与对应的宽波段圆偏振转换器波段一致。其出色的带宽特性与其简单的设计优化过程是本发明的意义所在。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。