液晶相位控制陣列關鍵技術(shù)及其應用.pdf

1、隨著激光光電應用技術(shù)的發(fā)展，如何有效實現(xiàn)激光束的控制、調(diào)制、偏轉(zhuǎn)或探測等功能已經(jīng)成為制約激光光電應用技術(shù)發(fā)展的關鍵瓶頸之一?；谝壕У南辔豢刂脐嚵芯哂泄ぷ麟妷旱?、體積質(zhì)量小、功耗少、控制方便等優(yōu)點，目前已經(jīng)在激光空間光調(diào)制等技術(shù)領域有了較多的應用，為各種工程應用研究和基礎研究提供了有效的空間光調(diào)制手段。作為液晶相位控制陣列的一種，液晶相控陣在激光束非機械掃描領域的應用前景尤其令人側(cè)目，可以對激光束實現(xiàn)高效、大角度、高精度、高可靠性和快速

2、的掃描，有望在今后的激光通信、激光雷達和光電對抗等領域?qū)崿F(xiàn)變革性的應用。雖然目前的液晶相控陣已由美國Raytheon公司實現(xiàn)了原理性應用（甚至有可能已經(jīng)在個別領域?qū)崿F(xiàn)了工程應用），然而仍需對制約液晶相控陣性能的關鍵因素進行進一步深入研究，同時國內(nèi)在該方面的研究仍處于起步階段，需不斷加強，因此本論文的目的就是對制約液晶相控陣性能的若干關鍵因素進行研究，同時指出其今后發(fā)展需要繼續(xù)解決的問題。
　　本文主要針對目前制約液晶相控陣器件的關

3、鍵因素進行研究，包括液晶相控陣的器件物理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型液晶材料、液晶相控陣相位模式的波控技術(shù)等進行研究。液晶相控陣的制備工藝是完成本論文工作內(nèi)容的基礎，目前在國內(nèi)的發(fā)展并不成熟，因此在論文中也進行了簡要的闡述。提出芯片級聯(lián)和TFT分時尋組驅(qū)動的方法增加通光孔徑，實驗驗證了采用芯片級聯(lián)的方式將有效通光孔徑提高了一倍。
　　在器件物理與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，基于電場作用下液晶指向矢的歐拉拉格朗日方程和光束標量傳播理論，針對液晶相控陣的偏轉(zhuǎn)角

4、度和衍射效率等光學性能，對制約液晶相控陣相關性能的液晶材料參數(shù)與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，認為通過減小液晶各向異性介電常數(shù)、提高雙折射率并減小液晶盒厚度可以提高器件性能。偏轉(zhuǎn)范圍與衍射效率是一個耦合量，器件設計時往往存在此消彼長的關系，制約因素主要是毗鄰像素間的液晶彈性關聯(lián)和邊緣場效應等非線性關聯(lián)機理。對非線性關聯(lián)效應及其在相位重置點處誘發(fā)的回程區(qū)進行了討論。提出了閾值像素和閾值電極填充因子的概念，對器件的制備工藝具有指導作用。另外對液晶相

5、控陣的工作方式進行了初步討論，分析兩種工作方式下毗鄰像素非線性關聯(lián)對器件性能的影響，指出透射式與反射式工作方式的優(yōu)缺點。
　　在新型液晶材料方面，主要關注兩類液晶材料。一種是高雙折射率液晶，這種液晶材料是目前制備液晶相控陣器件必須的液晶材料，可以降低非線性關聯(lián)效應、提高器件響應速度，論文中利用新制備的雙折射率達0.42的向列相液晶制備了2.9μm盒厚的液晶相控陣器件，可以發(fā)現(xiàn)相同衍射效率與相同周期相位臺階數(shù)下該器件的光束偏轉(zhuǎn)角度更

6、大，減弱了非線性關聯(lián)效應。另外一種液晶材料，也是本論文重點關注的是響應時間達亞毫秒量級的聚合物網(wǎng)絡液晶材料，如果應用于液晶相控陣，可以實現(xiàn)響應速度達kHz量級的液晶相控陣器件。制約聚合物網(wǎng)絡液晶進行相位調(diào)制的因素主要包括電壓加載下的光散射強度和瞬態(tài)響應特性。研究了聚合物網(wǎng)絡液晶制備條件對其光散射強度和瞬態(tài)響應特性的影響。從聚合物網(wǎng)絡形貌的角度分析聚合物網(wǎng)絡液晶的光散射機理和瞬態(tài)響應機制，認為聚合物網(wǎng)絡形貌中的交聯(lián)纖維網(wǎng)絡特征和交聯(lián)纖維束

7、網(wǎng)絡特征是主要原因，交聯(lián)纖維特征可以降低光散射強度但容易誘發(fā)電致伸縮效應;交聯(lián)纖維束特征可以耐受較高的加載電壓，然而引入較強的光散射強度。制備聚合物網(wǎng)絡液晶相位調(diào)制器時需要綜合考慮光散射和高電壓特性，從聚合單體分子結(jié)構(gòu)、液晶溶劑和聚合條件多方面對聚合物網(wǎng)絡液晶的聚合物網(wǎng)絡形貌進行控制，有望實現(xiàn)亞毫秒響應、相位調(diào)制型聚合物網(wǎng)絡液晶相控陣及其它液晶空間相位調(diào)制器件。
　　在液晶相控陣相位模式的控制方面，發(fā)展了兩種優(yōu)化控制方法并有望應用

8、于今后的液晶相控陣波控技術(shù)。首先發(fā)展了一種基于相位模式測量的方法，通過簡單的迭代算法實現(xiàn)相位模式的優(yōu)化控制，這種控制方法中，可以實時觀測每一迭代過程中實際相位模式與理想相位模式的差別，并根據(jù)這種差別實時對相位模式進行控制、調(diào)整，提高衍射效率。另外提出了一種優(yōu)化控制的方法，在對液晶相控陣電控-相移特性進行多項式分解的基礎上，通過隨機并行梯度下降算法對多項式分解的系數(shù)進行優(yōu)化，以衍射效率作為評價函數(shù)實現(xiàn)衍射效率的優(yōu)化提高，生成的新的多項式系

9、數(shù)可以作為新的波控數(shù)據(jù)。在未來，擬將兩種相位模式控制方法結(jié)合在一起，以實現(xiàn)相位模式的快速精確控制。
　　液晶器件經(jīng)常出現(xiàn)的向錯線無疑也是影響對液晶相控陣波控特性的一個重要因素。論文中提出了一種新型器件結(jié)構(gòu)，以最大程度避免液晶相控陣中向錯線的形成。由于結(jié)構(gòu)制備的復雜性，我們在同樣存在向錯線困擾的液晶微透鏡陣列中進行了實驗驗證。基于模式電極和液晶層之間的超薄介質(zhì)隔板結(jié)構(gòu)，改善了液晶微透鏡陣列的光學性能，實現(xiàn)了良好的變焦性能。從液晶材料

10、參數(shù)和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的角度對對這種新型液晶微透鏡陣列的光學特性與優(yōu)化作了進一步的討論，同時利用制備的液晶微透鏡陣列進行了原理性的畸變波前動態(tài)探測驗證性試驗，獲得較好的實驗結(jié)果。
　　在解決液晶相控陣快響應液晶材料研究的同時，利用獲得的聚合物網(wǎng)絡液晶同時嘗試了快響應相位調(diào)制器的實驗，采用光尋址的方式實現(xiàn)了光控快響應液晶空間光調(diào)制技術(shù)，初步進行了光束偏轉(zhuǎn)、調(diào)制傳遞函數(shù)等研究，并對光尋址時尋址光波長、強度和驅(qū)動放波信號頻率的影響進行了詳細