光寻址液晶单元及其透射式高损伤阈值空间光调制器

技术领域

本发明属于液晶器件领域，具体涉及一种光寻址液晶单元及其透射式高损伤阈值空间光调制器。

背景技术

液晶空间光调制器作为一种主动型光场调控器件，可以对激光的振幅、相位或偏振态实现实时、灵活控制。作为一种可编程、可远程操控的器件，通过与相关控制单元连接，即可实现对激光光束的智能化、可编程控制，因此在惯性约束聚变、激光加工与激光增材制造等领域得到重要应用。在惯性约束聚变领域，大型激光装置如美国NIF装置、法国LMJ装置以及中国的神光系列装置等，通过空间光调制器实现光束均匀化以提高装置运行通量、实现损伤点屏蔽以延长大口径元件使用寿命进而降低装置运行与维护成本。在激光加工与增材制造领域，通过空间光调制器灵活调控光斑形态，提高加工与制造效率。

液晶空间光调制器目前主要分光寻址和电寻址两类。光寻址空间光调制器，与电寻址空间光调制器相比，具有透过率高、填充因子高、加工工艺简单等优势，可以有效避免黑栅效应等问题，实现无任何额外畸变的高保真光场调控。

在实际应用中，激光能量的不断提升对于液晶空间光调制器损伤阈值的要求也越来越高。而空间光调制器的损伤阈值瓶颈主要在于其中的导电膜层，本课题组已在前期提出透明导电层使用氮化镓材料，并分别申请反射式和透射式两种结构的专利。专利文献CN113126373B通过设计反射式结构规避被调制激光对光导晶体侧导电膜的照射，利用氮化镓材料的较高激光损伤阈值提高光寻址液晶空间光调制器的整体激光损伤阈值。但是反射式器件对于液晶窗口基板的剩余反射率镀膜要求和平整度加工精度要求都很高，易存在光谱畸变大、波前畸变大等问题。专利文献CN114594633A公开了一种用于1053nm线偏振光光束整形的高激光损伤阈值透射式光寻址液晶空间光调制器，使用氮化镓材料作为透明导电层材料，氧化锌薄膜作为光电导材料，相比现有的液晶空间光调制器使用的液晶单元，实现了对高能量激光损伤阈值的提高，与反射式高损伤空间光调制器相比，规避了黑栅效应，简化了结构，但是需要在氮化镓材料上加工氧化锌薄膜，一方面涉及光电导氧化锌膜层加工，另一方面涉及氧化锌材料与氮化镓材料的高致密结合，就当前国内外工艺水平而言具有一定的加工难度。本课题组提交的专利申请文件《透射式高损伤阈值光寻址空间光调制器》(CN116736584A)，基于现有技术等离子体电极的思想，并结合光寻址空间光调制器的器件结构，通过合理设计光导晶体的相对位置，使光导晶体兼作为液晶取向层与等离子体电极(放电气体)的基底层。不仅使光寻址空间光调制器可以工作在透射模式，而且实现了器件的高损伤阈值特性。但是等离子体电极需要万伏以上的高压驱动，而液晶层通常只需要5伏以内的稳定交流电压驱动，常用的液晶器件通常只需要几十伏的驱动电压，所以对万伏高压驱动的输出稳定性有极高的要求，就当前国内外技术水平而言仍具有一定的加工难度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光寻址液晶单元及其透射式高损伤阈值空间光调制器。现有的光寻址空间光调制器在电路结构上通常都是双层分压结构，本发明通过设计三层分压的电路结构，增加一层分压介质并与光导晶体相接触，使透明导电基板与光导晶体之间充满分压介质，进而在电学结构上使分压介质、光导晶体与液晶层呈串联分布。这种设计规避了光导晶体表面直接和导电膜层或导电气体的接触，一方面降低了器件加工和制备难度，另一方面规避了对于万伏高稳定电压驱动源的需求、使器件可以工作在常规交流电压驱动下。

本发明的技术解决方案如下：

一种光寻址液晶单元，包括第一透明导电基底、分压介质、光导晶体层、第一液晶取向层、液晶层、第二液晶取向层、第二透明导电基底、液晶间隔子和交流电压源，所述的第一透明导电基底和所述的第二透明导电基底之间连接所述的交流电压源，其特征在于，在所述的第一透明导电基底和所述的光导晶体层之间设置分压介质，所述的第一透明导电基底一方面用于给所述的分压介质提供支撑基底、另一方面使所述的分压介质靠近所述的第一透明导电基底一侧形成均匀的面电压分布，所述的分压介质用于规避所述的光导晶体层和导电膜层或导电气体的直接接触，使所述的分压介质、所述的光导晶体层和所述的液晶层形成串联结构，从而在所述的光导晶体层一侧在没有导电材料的情况下，也可以使所述的交流电压源产生的电压加载于所述的光导晶体层和所述的液晶层之上。

所述的分压介质的电阻率ρ

1/10ρ

所述的分压介质的厚度d

1/10d

所述的第一透明导电基底和所述的第二透明导电基底为以下材料中任意一种材料：镀有氮化镓薄膜层的蓝宝石基板；氮化镓晶体；氧化镓晶体；镀有氧化铟锡膜层的蓝宝石、石英基板或K9基板。

所述的光导晶体层厚度>0.5mm、对被调制激光波段无吸收或吸收很小；所述的光导晶体层被波长处于350nm-500nm范围内的光束照射时，材料电导率随照射光强增大而减小。

采用上述光寻址液晶单元的透射式高损伤阈值空间光调制器，还包括图案化光敏光生成单元和二向分所色镜，所述的图案化光敏光生成单元发出的图案化光敏光经所述的二向分色镜反射后，依次经所述的第一透明导电基底和所述的分压介质透射后成像于所述的光导晶体层。

进一步，所述的光敏光生成单元包括光敏光准直输出光源、偏振立方体、电寻址空间光调制器和成像镜头，所述的光敏光准直输出光源发出的准直光依次经过偏振立方体透射、电寻址空间光调制器反射、偏振立方体反射以及成像镜头透射后输出。

进一步，，所述的电寻址空间光调制器为反射式振幅型电寻址空间光调制器。

进一步，，所述的二向分色镜对所述的图案化光敏光生成单元的输出光45度反射率>95％、对被调制激光波段45度入射时的透过率>95％。

与现有技术相比，本发明的优点和特点如下：

本发明通过增加一层分压介质并与光导晶体相接触，使透明导电基板与光导晶体之间充满分压介质，等效电路呈三层分压结构、进而使分压介质、光导晶体与液晶层呈串联分布。通过合理设计光寻址器件所加载的总电压，可以使不同光敏光强度照射时的液晶层分压可以工作在正常范围内，进而使器件可以工作于振幅或相位调制模式。本发明不仅使光寻址空间光调制器可以工作在透射模式，而且实现了器件的高损伤阈值特性。

与专利CN114594633A相比，本发明规避了光导晶体表面进行氧化锌等导电膜层的加工，大幅降低器件加工和制备难度；与专利CN116736584A相比，本发明规避了光导晶体表面与导电气体的直接接触，规避了对于万伏高稳定电压驱动源的需求、使器件可以工作在常规交流电压驱动下。

附图说明

图1是本发明光寻址液晶单元及其透射式高损伤阈值空间光调制器的结构示意图；

图2是本发明中光寻址液晶单元1的实施例结构示意图；

图3是本发明中图案化光敏光生成单元2的实施例结构示意图；

图4是本发明中实现对波长1053nm光束空间整形演示的实测效果图；

图中，1-光寻址液晶单元、1a-第一透明导电基底、1b-分压介质、1c-光导晶体层、1d-第一液晶取向层、1e-液晶层、1f-第二液晶取向层、1g-第二透明导电基底、1h-液晶间隔子、1i-交流电压源，2-图案化光敏光生成单元、2a-光敏光准直输出光源、2b-偏振立方体、2c-电寻址空间光调制器、2d-成像镜头，3-二向分色镜、

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明光寻址液晶单元及其透射式高损伤阈值空间光调制器的结构示意图，由图可见，本发明光寻址液晶单元及其透射式高损伤阈值空间光调制器，包括光寻址液晶单元1、图案化光敏光生成单元2和二向分色镜3。

图2是本发明中光寻址液晶单元1实施例的结构示意图，如图所示，光寻址液晶单元1包括第一透明导电基底1a、分压介质1b、光导晶体层1c、第一液晶取向层1d、液晶层1e、第二液晶取向层1f、第二透明导电基底1g、液晶间隔子1h和交流电压源1i，其中，第一透明导电基底1a和第二透明导电基底1g之间连接有交流电压源1i。所述的第一透明导电基底1a与第二透明导电基底1g之间依次排布有所述的分压介质1b、光导晶体层1c、第一液晶取向层1d液晶层1e和第二液晶取向层1f。

所述的第一透明导电基底1a与所述的第二透明导电基底1g，可以为以下任意一种材料：

(1)镀有掺硅氮化镓(n型掺杂)薄膜层的蓝宝石基板，掺硅氮化镓载流子浓度为1×10

(2)镀有掺镁氮化镓(p型掺杂)薄膜层的蓝宝石基板，掺镁氮化镓载流子浓度为1×10

(3)掺硅氮化镓晶体，厚度为1mm～3mm。

(4)掺镁氮化镓晶体，厚度为1mm～3mm。

(5)镀有氧化铟锡膜层的蓝宝石基板，氧化铟锡膜层厚度为10nm-100nm，蓝宝石基板厚度为1mm～3mm。

(6)镀有氧化铟锡膜层的石英基板，氧化铟锡膜层厚度为10nm-100nm，石英基板厚度为1mm～3mm。

(7)镀有氧化铟锡膜层的K9基板，氧化铟锡膜层厚度为10nm-100nm，K9基板厚度为1mm～3mm。

所述的分压介质1b可以为空气，厚度可以通过液晶间隔子硅球材料以及其他微米级厚度的材料进行控制；也可以为石英或K9玻璃薄片，厚度在百微米以内。

所述的液晶层1e的厚度d通过所述的液晶间隔子1h控制。当光寻址空间光调制器为振幅型时，所述的液晶层1e工作在扭曲向列模式，其液晶层厚度d与液晶双折射率Δn满足：

所述的第一液晶取向层1d可以为聚酰亚胺材料或者SD1材料。

所述的第二液晶取向层1f可以为聚酰亚胺材料或者SD1材料。

所述的交流电压源1i电压有效值V

图3是本发明中图案化光敏光生成单元2的实施例结构示意图，如图所示，图案化光敏光生成单元2包括光敏光准直输出光源2a、偏振立方体2b、电寻址空间光调制器2c和成像镜头2d。光敏光准直输出光源2a发出的准直光依次经过偏振立方体2b透射、电寻址空间光调制器2c反射、偏振立方体2b反射以及成像镜头2c透射后输出图案化光敏光。本实施例中光敏光准直输出光源2a包括蓝光LED和准直镜头组，输出光中心波长可设置在460nm附近，输出光斑尺寸小于Φ20mm。偏振立方体2b采用Thorlabs公司的型号为PBS251的偏振分束立方体。电寻址空间光调制器2c为反射式振幅型电寻址空间光调制器，可以为日本滨松、美国BNS或者中国UPOLABS等公司生产的LCOS型空间光调制器。

所述的图案化光敏光生成单元2发出的图案化光敏光依次经所述的二向分色镜3反射、第一透明导电基底1a和分压介质1b透射后成像于所述的光导晶体层1c。所述的第一透明导电基底1a与所述的光导晶体层1c之间充满所述的分压介质1b。

所述的二向分色镜3对45度入射的460nm波段的光束反射率高于99％。

图4为以上一种实施例实现对波长1053nm光束空间整形演示的实测效果图。该实施例中，所述的光寻址液晶单元1具备以下结构：所述的第一透明导电基底1a为镀有氧化铟锡膜层的K9基板，氧化铟锡膜层厚度为50nm，K9基板厚度为3mm；所述的分压介质1b为空气，厚度为5um，通过在边缘部分加液晶间隔子硅球材料实现厚度控制；所述的光导晶体层1c为1mm厚的硅酸铋单晶，并作双面增透处理；所述的第一液晶取向层1d和第二液晶取向层1f均为聚酰亚胺材料；所述的液晶层1e的厚度为5微米，所述的液晶间隔子1h为直径5微米的硅球材料；所述的交流电压源1i电压有效值V