袁方，譚慶貴，2，王光耀，袁瑞，胡偉*

（1.西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710100；2.空間微波技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100；3.南京大學(xué) 現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093）

1 引言

光束偏轉(zhuǎn)是指對(duì)發(fā)射的激光光束的方向進(jìn)行精確動(dòng)態(tài)控制的一種技術(shù)。該技術(shù)在諸如航空航天、激光通信、車載雷達(dá)、光信息處理與存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)和軍事對(duì)抗等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)依靠機(jī)械裝置（如萬(wàn)向節(jié)等）改變光軸方向來(lái)實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、體積大、能耗高，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還需要克服慣性的影響，性能會(huì)受到很大的制約［1］。相比之下，新型的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)不再依賴于光軸方向的機(jī)械改變，而是通過(guò)波前相位的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)光束方向的電調(diào)控制，具有輕便、靈活、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于受到材料特性、物理極限以及工藝水平等因素的限制，某一項(xiàng)獨(dú)立的技術(shù)很難兼顧偏轉(zhuǎn)角度、效率、精度以及響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)來(lái)完全滿足現(xiàn)代光電系統(tǒng)應(yīng)用的需求。目前，新型的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)主要有液晶光學(xué)相控陣、基于微機(jī)電系統(tǒng)的微鏡陣列等。其中，液晶光學(xué)相控陣［2-3］由于其隨機(jī)可編程、高精度波束偏轉(zhuǎn)以及支持多鏈路多目標(biāo)同時(shí)處理的特點(diǎn)得到了極大的關(guān)注。但是，由于其像素電極之間存在間距以及液晶層厚度較大，導(dǎo)致其光束偏轉(zhuǎn)的角度范圍較小，并且存在明顯的插入損耗，價(jià)格也較為昂貴；因此，實(shí)現(xiàn)低成本、大角度、高效率的光束偏轉(zhuǎn)仍是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)［4］。微機(jī)電系統(tǒng)的微鏡陣列是指利用磁力或者靜電的作用使微透鏡陣列發(fā)生平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光束偏折的效果，但驅(qū)動(dòng)電壓高、制備復(fù)雜、偏轉(zhuǎn)角度小的問(wèn)題限制了其應(yīng)用場(chǎng)景［5］。而液晶偏振光柵具有制備成本低、衍射效率高的特點(diǎn)，使得基于液晶偏振光柵的光束偏折技術(shù)在非機(jī)械光束偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域也逐漸受到科研團(tuán)隊(duì)的關(guān)注。近年來(lái)，以液晶偏振光柵為代表的平面光學(xué)元件在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和3D全息等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［6-9］。

對(duì)于偏振光柵的研究可以追溯到20世紀(jì)80年代，不同于振幅和相位型光柵，偏振光柵可以通過(guò)調(diào)整入射光的偏振態(tài)從而實(shí)現(xiàn)分光的作 用［10-11］。1984年 保 加 利 亞 科 學(xué) 家Nikolova和Todorov等發(fā)現(xiàn)控制入射光的偏振態(tài)可以調(diào)整±1級(jí)之間的能量分布，并且可以將絕大部分能量聚集到其中一個(gè)衍射級(jí)上［12］。直到2004年，美國(guó)布朗大學(xué)的Crawford小組才真正利用偏振全息的方式制備出液晶偏振光柵，但衍射效率最高只達(dá)到了10%［13］。2007年，Provenzano改善了液晶偏振光柵的制備工藝，使得衍射效率可以達(dá)到98%［14-15］。2017年，中國(guó)兵器裝備研究院的徐林等設(shè)計(jì)了一種新型的可制備大口徑的液晶偏振光柵的曝光裝置［16］。2018年，北京航空航天大學(xué)的郭琦等將液晶偏振光柵與基于鐵電液晶的相位開(kāi)關(guān)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)的光束偏振器件［17］。2019年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（中科院長(zhǎng)光所）的李松振成功制備了光柵周期為3～500 μm的液晶偏振光柵，最高衍射效率高達(dá)98%［18］。2020年，同為中科院長(zhǎng)光所的趙志偉實(shí)現(xiàn)了多層液晶旋涂后能夠保持15 mm以上直徑的無(wú)缺陷光柵面積，制備出2 μm周期、口徑14 mm×14 mm的液晶偏振光柵，可以使532 nm激光的偏轉(zhuǎn)角達(dá)到±15°、衍射效率可達(dá)98%［19］。2021年，南京大學(xué)袁瑞等利用級(jí)聯(lián)鐵電液晶半波片和液晶聚合物偏振光柵的方式實(shí)現(xiàn)了32個(gè)自旋角動(dòng)量的快速編碼，編碼時(shí)間低于70 μs，整體效率高于85%［20］。

目前，國(guó)內(nèi)在液晶光控取向薄膜制備、高分辨液晶（聚合物薄膜）取向結(jié)構(gòu)制備、大尺寸高精度光控取向曝光系統(tǒng)等諸多方面已取得一定成績(jī)，但尚需朝向大口徑、快響應(yīng)、大角度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行更加深入研究。本文結(jié)合兩種不同的圓偏振全息光路制備周期互補(bǔ)的大孔徑偏振光柵，優(yōu)化液晶聚合物薄膜涂覆工藝實(shí)現(xiàn)半波條件的精確匹配，獲得了1064 nm處液晶聚合物偏振光柵高達(dá)99.3%的衍射效率，設(shè)計(jì)鐵電液晶/液晶聚合物波片組并級(jí)聯(lián)不同偏振光柵組件，實(shí)現(xiàn)了70 μs級(jí)快速響應(yīng)的大角度光束偏折，最大偏折角可達(dá)22.9°，有望在激光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

2 液晶偏振光柵

液晶偏振光柵是通過(guò)兩束正交且振幅相等的圓偏振光相互干涉的圓偏振全息手段制備的衍射元件［10-11］，如圖1（a）所示，左旋圓偏光和右旋圓偏光在取向?qū)痈缮?，形成偏振方向周期性變化的線偏振光場(chǎng)。光控取向材料偶氮苯磺酸鈉（SD1）分子長(zhǎng)軸會(huì)垂直于線偏光的偏振方向分布，再通過(guò)分子間相互作用力誘導(dǎo)液晶分子定向，就可以實(shí)現(xiàn)液晶分子指向矢的周期性排列，如圖1（b）［21-23］所示。在一個(gè)周期內(nèi)液晶分子的指向矢會(huì)發(fā)生180°的變化［24］，這種在x軸方向的液晶分子的周期性分布可以描述為：

圖1 （a）圓偏振全息示意圖；（b）液晶偏振光柵；（c）不滿足半波條件的線偏光入射示意圖；（d）滿足半波條件的左右旋圓偏光入射示意圖。Fig.1（a）Schematic diagram of circular polarization holography；（b）Liquid crystal polarization grating；（c）Incidence of linearly polarized light onto the liquid crystal polarization grating that does not meet the half-wave condition；（d）Incidence of circularly polarized lights onto the liquid crystal polarization grating that perfectly meets the half-wave condition.

其中：Λ是液晶聚合物偏振光柵的周期，α0為初始方位角，這里。一般使用瓊斯矩陣描述液晶偏振光柵的光學(xué)性質(zhì)［25-27］，其透過(guò)率函數(shù)為：

其中，旋轉(zhuǎn)矩陣R（α）為：

Γ為光經(jīng)過(guò)液晶后引入的動(dòng)力學(xué)相位，將旋轉(zhuǎn)矩陣代入式（2）可以得到液晶偏振光柵的透射率函數(shù)為：

利用歐拉公式對(duì)式（4）進(jìn)行改寫(xiě)：

從式（5）可知存在3個(gè)衍射級(jí)次，分別為0級(jí)和±1級(jí)，其 中ei2α和e-i2α項(xiàng) 是 引 入 的 兩 個(gè) 共 軛 的幾何相位。對(duì)于線偏光入射時(shí)，入射光電場(chǎng)的瓊斯矢量為，經(jīng)過(guò)液晶偏振光柵后出射光的電場(chǎng)矢量如下：

出射光束包括0級(jí)的線偏光、+1級(jí)的左旋圓偏光和-1級(jí)的右旋圓偏光。

根據(jù)矢量衍射理論，光柵的m級(jí)衍射效率是由于透射光場(chǎng)的矢量傅里葉系數(shù)決定的［28-29］：

對(duì)應(yīng)的衍射效率計(jì)算方式如式（8）：

將透射率函數(shù)式（5）代入式（7），得：

而對(duì)于m＞1的衍射級(jí)次，理論上其矢量傅里葉變換系數(shù)為0。將矢量傅里葉展開(kāi)系數(shù)代入式（8），求得各級(jí)衍射效率為：

其中：S3為描述入射光圓偏振程度的斯托克斯參量，Γ=Δnd。當(dāng)左旋圓偏振光入射時(shí)，S3=1。當(dāng)液晶層對(duì)光波產(chǎn)生的相位延遲為π時(shí)，+1級(jí)衍射效率為100%。根據(jù)理論推導(dǎo)可知：對(duì)于不滿足半波條件的線偏光入射，出射光束包括保持原來(lái)偏振狀態(tài)的0級(jí)線偏光，以及+1級(jí)的左旋圓偏光和-1級(jí)的右旋圓偏光，如圖1（c）。而滿足半波條件的左（右）旋圓偏光將會(huì)完全轉(zhuǎn)換為右（左）圓偏光，如圖1（d）。液晶分子的周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致衍射光光束偏折的現(xiàn)象，可以利用光柵方程［19］式（15）計(jì)算衍射角度：

其中，λ為入射光的波長(zhǎng)，±代表衍射方向。

3 液晶聚合物偏振光柵的制備

液晶聚合物偏振光柵可以采用偏振全息的方式制備，利用兩束振幅相等的正交圓偏光干涉對(duì)光控取向SD1材料，而這種取向可以通過(guò)分子間作用力傳遞給液晶分子，通過(guò)修改液晶聚合物的濃度和旋涂參數(shù)就可以制備出滿足不同半波條件的液晶聚合物偏振光柵。這里采用兩種分別對(duì)應(yīng)大小周期液晶聚合物偏振光柵的偏振全息光路：基于馬赫-曾德?tīng)柛缮娴拇罂趶狡袢⒐饴?、基于傳統(tǒng)雙光束干涉的大口徑偏振全息光路。

基于馬赫-曾德?tīng)柛缮娴拇罂趶狡袢⒐饴啡鐖D2所示。選擇功率為1 W的405 nm波長(zhǎng)的單縱模長(zhǎng)相干激光器（DLC HOLO-LITHO 405，Toptica），前端使用可耐受高功率激光的偏振分光棱鏡進(jìn)行分束，可充分利用激光光強(qiáng)。光束通過(guò)偏振分光棱鏡后可以變?yōu)橄嗷フ坏木€偏光，再經(jīng)過(guò)1/4波片生成旋性相反的圓偏光。光束偏振處理后經(jīng)過(guò)透鏡系統(tǒng)擴(kuò)束，再經(jīng)過(guò)定制的大尺寸分光棱鏡對(duì)兩束光合束，形成大口徑偏振全息。該光路的分束、反射、偏振處理等在擴(kuò)束透鏡組之前，可降低器件尺寸要求從而降低成本。此外，該光路只需旋轉(zhuǎn)分光棱鏡即可改變兩束光之間的夾角，實(shí)現(xiàn)不同周期的偏振光柵制備。

圖2 （a）基于馬赫-曾德?tīng)柛缮娴拇罂趶狡袢⒐饴肥疽鈭D；（b）實(shí)物光路圖。Fig.2（a）Schematic illustration of a large-aperture polarization hologram setup based on Mach-Zendel interference；（b）Practical optical path.

基于馬赫-曾德?tīng)柛缮娴拇罂趶狡袢⒐饴犯缮娣桨负蠖斯馐暮鲜捎梅止饫忡R，在制備小周期偏振光柵時(shí)，需要增大兩束光的夾角，使得兩束正交圓偏振光交疊區(qū)域變小，會(huì)限制光束直徑，因此，該系統(tǒng)只勝任大周期偏振光柵的制備。我們采用傳統(tǒng)雙光束干涉大口徑圓偏振全息光路來(lái)解決這一問(wèn)題（圖3）。光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束透鏡組再經(jīng)過(guò)反射鏡反射到樣品表面形成干涉圖案，該光路同樣在保證降低元器件成本的同時(shí)，兼顧到了制備大尺寸偏振光柵的需求。基于傳統(tǒng)雙光束干涉的大口徑偏振全息光路在制備小周期偏振光柵方面具有優(yōu)勢(shì)；制備大周期偏振光柵時(shí)，光束夾角小，要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離才能有效交疊，對(duì)光學(xué)平臺(tái)空間帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，利用上述兩種全息光路的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，即可同時(shí)滿足不同周期偏振光柵的大口徑、高質(zhì)量的制備。

圖3 （a）基于傳統(tǒng)雙光束干涉的大口徑偏振全息光路示意圖；（b）實(shí)物光路圖。Fig.3（a）Schematic illustration of a large-aperture polarization hologram setup based on conventional doublebeam interference；（b）Practical optical path.

液晶聚合物偏振光柵所需要的材料準(zhǔn)備包括光取向劑SD1溶液和液晶聚合物溶液的配制。將SD1以0.5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶解于二甲基甲酰胺（DMF）溶劑中形成SD1光取向劑。液晶聚合物材料選用UCL-P100（DIC）并以5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶解于丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）形成液晶聚合物溶液。液晶聚合物偏振光柵制備流程主要包括光取向薄膜涂覆、圓偏振全息曝光和液晶聚合物薄膜涂覆聚合。光取向薄膜涂覆：將SD1光取向劑旋涂在玻璃基板表面，然后將基板置于100℃的熱臺(tái)上退火處理以形成均勻薄膜；圓偏振全息曝光：樣品置于圖2或圖3樣品放置處曝光7 min，完成取向信息寫(xiě)入；最后將液晶聚合物旋涂于SD1層之上，并置于80℃熱臺(tái)上烘干2 min以蒸發(fā)溶劑。取下基板使其在室溫下冷卻2 min，將所得基板置于365 nm波長(zhǎng)的LED燈（20 mW/cm2）下照射2 min，完成聚合。多次重復(fù)該旋涂和聚合步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)波長(zhǎng)半波條件的精確匹配，得到液晶聚合物偏振光柵。

我們使用鹵素?zé)簟⒄黄衿凸庾V儀等組成測(cè)試系統(tǒng)對(duì)均一取向的液晶聚合物波片的相位延遲量進(jìn)行測(cè)試。將波片置于正交的偏光片之間，旋轉(zhuǎn)樣品使透射光譜強(qiáng)度最低，將此狀態(tài)設(shè)置為光譜儀的Dark state，再旋轉(zhuǎn)樣品45°，將此狀態(tài)下透射光譜設(shè)置為Bright state，旋轉(zhuǎn)檢偏器使得正交偏振片變?yōu)槠叫袪顟B(tài)，使用光譜儀的Reference模式尋找波谷位置，此處即為滿足半波條件的波長(zhǎng)［30］。優(yōu)化的濃度和旋涂參數(shù)直接應(yīng)用于液晶聚合物光柵旋涂，即可實(shí)現(xiàn)波谷位置與目標(biāo)波長(zhǎng)的精準(zhǔn)匹配，獲得高衍射效率的液晶聚合物偏振光柵。可進(jìn)一步使用光學(xué)透明膠（Optically Clear Adhesive，OCA）將液晶聚合物薄膜從玻璃基板轉(zhuǎn)移到透明柔性基底上，形成柔性聚合物偏振光柵。

基于前述兩類全息曝光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2 μm～2 mm范圍內(nèi)周期可任意設(shè)定的液晶偏振光柵制備。圖4（a）展示了滿足633 nm半波條件的液晶聚合物偏振光柵樣品在偏光顯微鏡下的顯微圖，圖4（b）展示了滿足1064 nm半波條件的液晶聚合物偏振光柵樣品在偏光顯微鏡下的顯微圖。圖4（c）為我們制備1064 nm波段的16.6 μm大孔徑樣品的實(shí)物照片，光柵區(qū)域直徑為46 mm。圖4（d）中，圖4（b）的4個(gè)光柵對(duì)1064 nm入射光的衍射角度依次為7.0°、5.4°、4.7°和3.7°，與光柵方程仿真的曲線相吻合。我們還進(jìn)行了衍射效率測(cè)試，衍射效率定義為目標(biāo)衍射級(jí)光強(qiáng)與整體透射光強(qiáng)之比。對(duì)4個(gè)樣品分別以五點(diǎn)法進(jìn)行衍射效率測(cè)試，平均衍射效率均超過(guò)了99%，8.7 μm的液晶聚合物偏振光柵最高效率達(dá)到99.3%。圖4（e）展示了制備的柔性液晶聚合物偏振光柵。圖4（f）直觀展示了液晶聚合物偏振光柵對(duì)日光燈的高效色散而形成的彩虹。

圖4 （a）偏光顯微鏡下的液晶聚合物偏振光柵（633 nm）；（b）偏光顯微鏡下的液晶聚合物偏振光柵（1064 nm）；（c）液晶聚合物偏振光柵實(shí)物圖；（d）偏振光柵（1064 nm）的衍射效率和衍射角度測(cè)試數(shù)據(jù)和光柵方程曲線；（e）柔性偏振光柵；（f）樣品對(duì)日光燈的衍射效果圖。Fig.4（a）Polarizing microscope image of liquid-crystalbased polarization gratings（633 nm)；（b）Polarizing microscope image of liquid-crystal-polymerbased polarization gratings（1064 nm)；（c）Photographs of the fabricated liquid-crystal-polymerbased polarization grating（1064 nm)；（d）Diffraction efficiency and diffraction angle test data and grating equation curves for polarization grating（1064 nm)；（e）Flexible polarization grating；（f）White light diffraction of the sample.

4 液晶聚合物偏振光柵的級(jí)聯(lián)

當(dāng)液晶聚合偏振光柵的周期變小時(shí)，液晶聚合物偏振光柵的制備難度劇烈增加，導(dǎo)致衍射效率大幅下降，因此不能通過(guò)直接減小光柵周期來(lái)實(shí)現(xiàn)大角度的偏轉(zhuǎn)。如圖5（a）所示，采用級(jí)聯(lián)偏振光柵的方式來(lái)獲得大偏轉(zhuǎn)角，經(jīng)過(guò)第二個(gè)光柵之后的衍射角［19］θout為：

圖5 （a）光束快速調(diào)制的光路圖；（b）鐵電液晶半波片在相反極性電壓下液晶指向矢以及對(duì)應(yīng)的正交偏光顯微圖，比例尺大小為100 μm；（c）級(jí)聯(lián)器件實(shí)物圖；（d）衍射圖案；（e）驅(qū)動(dòng)鐵電液晶500 Hz的方波信號(hào)（上）及-1級(jí)（中）和-2級(jí)（下）的開(kāi)關(guān)響應(yīng)。Fig.5（a）Optical setup for fast optical beam steering；（b）Orientations of liquid crystal director with opposite polarity voltage and its corresponding mcrographs of FLC half wave plate；（c）Practical smaple；（d）Diffraction patterns；（e）Waveform of 500 Hz square wave（top）with a driving voltage of 20 V.Switching responses of-1st order（middle）and-2st order（bottom）.The scale bar is 100 μm.

其中：θin為入射角，±代表衍射方向。利用鐵電液晶來(lái)實(shí)現(xiàn)半波片的快速開(kāi)關(guān)［20］。基于鐵電液晶（Ferroelectric Liquid Crystal，F(xiàn)LC）半波片實(shí)現(xiàn)左右旋圓偏光的快速切換可以使用瓊斯矩陣［20，31］來(lái)描述：

其中：JQWP、JFLCHWP是1/4波片和FLC半波片的瓊斯矩陣，1/4波片的 快 軸與x軸夾角為45°，α是FLC半波片的快軸和x軸的夾角，Ein為偏振方向在yoz平面內(nèi)的線偏光。當(dāng)α=0°時(shí)，Eout=當(dāng)α=45°時(shí)。通過(guò)控制FLC的分子指向矢（FLC半波片和x軸夾角），即可實(shí)現(xiàn)左右旋圓偏光的快速切換。由于偏振光柵對(duì)圓偏振光加載相位，故需在FLC半波片前后各添加一個(gè)1/4波片進(jìn)行偏振轉(zhuǎn)換。

將兩個(gè)不同周期液晶聚合物偏振光柵（4 μm和8.7 μm）級(jí)聯(lián)來(lái)制備一個(gè)1×4的適配1064 nm波長(zhǎng)的光束偏折器。圖5（a）為光路圖示意圖，其中兩個(gè)FLC半波片為主動(dòng)式的器件，通過(guò)施加相反電壓可以實(shí)現(xiàn)FLC主軸由x軸向黑色虛線方向偏轉(zhuǎn)。選擇性施加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)不同F(xiàn)LC波片組，即可將光束轉(zhuǎn)向4個(gè)不同衍射級(jí)上（±1級(jí)和±2級(jí)），對(duì)應(yīng)的衍射角度分別為±8.3°和±22.9°。FLC半波片作為唯一的主動(dòng)式開(kāi)關(guān)決定了光束偏轉(zhuǎn)的響應(yīng)速度。我們選用的鐵電液晶為FD4004N（DIC）。在清洗好的ITO玻璃基板上旋涂SD1，利用3.5 μm的間隔子分隔制備成盒，均一取向后在90℃的熱臺(tái)上完成灌晶緩慢降至室溫，即得到滿足1064 nm的FLC半波片。該半波片工作在電致解螺旋模式。外置電壓使其螺旋結(jié)構(gòu)完全消旋，液晶指向矢有兩個(gè)取向方向并與施加電壓的正負(fù)有關(guān)，呈現(xiàn)高對(duì)比度二值響應(yīng)［32］。如圖5（b）所示，P、A分別代表起偏和檢偏方向，狀態(tài)1和狀態(tài)2對(duì)應(yīng)了在兩種相反電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的鐵電液晶指向矢方向，兩者間的夾角為2θ=44.1°［20，33］。狀 態(tài)1的FLC指 向 矢 平 行 于 起偏方向，無(wú)相位延遲，不改變?nèi)肷淦駹顟B(tài)，故在正交偏光顯微鏡下呈現(xiàn)暗態(tài)；狀態(tài)2FLC指向矢與起偏方向夾角約為45°，具有半波相位延遲，使入射偏振旋轉(zhuǎn)90°，故呈現(xiàn)亮態(tài)。如前述推導(dǎo)，結(jié)合1/4波片和FLC半波片即可實(shí)現(xiàn)左右旋圓偏光的快速切換。對(duì)FLC半波片加負(fù)電時(shí)，其光軸平行于x軸，定義為1；對(duì)FLC半波片加正電時(shí)，其光軸與x軸呈44.1°角，定義為0。通過(guò)對(duì)加載到FLC半波片上的電信號(hào)進(jìn)行編碼控制，即可實(shí)現(xiàn)衍射級(jí)次的尋址。圖5（c）展示了我們制備的光束偏折器件，器件尺寸為20 mm×20 mm，1/4波片和偏振光柵均以柔性膜的形式粘貼在FLC液晶盒上，使得級(jí)聯(lián)器件更加輕薄。圖5（d）展示了級(jí)聯(lián)器件對(duì)直徑為2 mm的高斯光束的光束轉(zhuǎn)向效果，由于入射光波長(zhǎng)為1064 nm，我們借助于近紅外顯色卡進(jìn)行拍攝。這里借用液晶顯示中的定義方式，將透過(guò)率由10%上升到90%的時(shí)間定義為切換的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)施加20 V、500 Hz的交流電時(shí)，10～11編碼切換的響應(yīng)時(shí)間分別為67 μs和69 μs，相較于傳統(tǒng)向列相液晶提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)測(cè)器件整體效率達(dá)到86.3%，驗(yàn)證了光束的高效、快速、大角度偏轉(zhuǎn)。

在上述級(jí)聯(lián)方式的基礎(chǔ)上，可以級(jí)聯(lián)更多的液晶偏振光柵和偏振控制組件實(shí)現(xiàn)更大角度的光束偏轉(zhuǎn)，也可以正交疊加偏振光柵組件實(shí)現(xiàn)二維光束偏轉(zhuǎn)。進(jìn)一步與高精度、小角度的液晶光學(xué)相控陣技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光束粗掃與細(xì)掃的互補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)大角度、高精度、高效率的電控光束掃描［2-3］。該級(jí)聯(lián)器件可用于信號(hào)的原路接收［34］，大的天線孔徑有效減小了光束發(fā)散角，允許接收器從特定方向收集更多的光，可以更好地抑制背景輻射噪聲［35］，在雷達(dá)探測(cè)、視野拓展和偏振成像等技術(shù)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用［36-37］。

5 結(jié)論

研究了液晶偏振光柵大角度偏轉(zhuǎn)控制方法，成功建立了兩套圓偏振全息光路用于周期互補(bǔ)的液晶偏振光柵制備，優(yōu)化旋涂工藝并采用半波條件標(biāo)定測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了衍射效率高達(dá)99.3%、光柵周期跨越2 μm～2 mm、通光孔徑達(dá)到46 mm的液晶偏振光柵制備與性能驗(yàn)證。進(jìn)一步通過(guò)級(jí)聯(lián)偏振光柵和鐵電液晶半波片，實(shí)現(xiàn)了高斯光束四衍射級(jí)間的高效快速切換，響應(yīng)時(shí)間小于70 μs，效率達(dá)到86.3%。