液晶光相位阵列（LC-OPA）是一种新兴的非机械式光束转向装置，它利用液晶（LC）的电光效应实现快速精确的光束转向[1]、[2]。通过施加在LC层上的空间变化电压，可以准确控制LC director的方向，从而调节入射光波前的空间相位分布，实现高精度的光束转向[3]。这一能力确保了转向光束能够以高精度可靠地到达目标位置。与传统机械扫描方法相比，LC-OPA具有诸如高指向精度、紧凑性、低功耗以及无机械退化等优点，因此在自由空间光通信（FSO）、激光雷达系统和红外成像领域展现出巨大潜力。最近的发展，由于对激光光束转向需求的增长，使得响应时间得到改善、光圈扩大，并实现了多光束操作[4]、[5]、[6]。
然而，大多数先前的研究都集中在理想化实验室条件下提高设备性能上，未能充分解决复杂现实世界环境中遇到的关键挑战。随着LC-OPA技术向实际应用迈进，一个根本性的限制变得越来越明显：转向效率对入射光束的偏振状态非常敏感。这种敏感性源于向列型LC的固有双折射特性，因为只有特定的线性偏振方向才能实现最佳相位调制[7]、[8]、[9]。因此，当入射光具有其他偏振状态时，调制效率会大幅下降，严重限制了LC-OPA的实际应用范围。
在理想的实验室条件下，可以通过使用偏振器精确控制入射光的偏振状态，从而确保LC-OPA的最佳调制效率。但在现实场景中，入射光的偏振状态通常是未知的或随机变化的，导致转向效率出现显著波动[10]。这些波动会降低接收到的光功率的一致性，并严重影响光通信链路的稳定性，可能在关键的光通信应用中造成瞬态中断[10]、[11]、[12]。因此，减少或消除LC-OPA的偏振敏感性对于提高其性能和可靠性至关重要。解决这一偏振敏感性问题是实现稳健的非机械式光束转向技术的关键技术挑战。尽管这一技术挑战已被广泛认识，但在学术界和工业界仍缺乏普遍接受的解决方案。
尽管如此，已经探索了几种策略来解决这个问题，主要集中在材料层面的创新和结构层面的优化。一种代表性的方法是使用聚合物稳定的蓝相液晶（BPLCs），它们在关断状态下表现出近乎各向同性的折射率，从而减少了偏振敏感性[13]。尽管BPLCs具有固有的偏振独立性，但通常需要高驱动电压（通常为数十伏特）才能达到2π的相位调制深度[14]。此外，BPLC材料还存在一些实际限制，如操作温度范围窄、光散射损失增加以及长期稳定性有限[15]。这些缺点使得BPLCs不太适合LC-OPA系统，因为这些系统需要低电压操作、大光圈和长期可靠性。
除了材料上的进步，研究人员还提出了几种解决LC-OPA偏振敏感性的结构改进方法。典型的例子包括双层正交LC结构[16]、[17]和基于偏振分束器（PBS）的架构，在这些架构中，两个正交偏振分量被空间分离并分别调制[10]。虽然这些方法可以在概念上减轻偏振敏感性，但每种方法都有明显的缺点。例如，双层LC结构大大增加了驱动和控制系统的复杂性，因为它们通常依赖于两个独立控制的电极层和电驱动通道来调制正交偏振分量。此外，基于PBS的方法需要较大的外形尺寸和严格的对准要求，从而阻碍了紧凑集成。因此，尽管在一定程度上减轻了偏振敏感性，但现有的结构方法往往无法满足简单性、鲁棒性和紧凑性的实际工程需求。
总之，大多数现有的减少LC-OPA偏振敏感性的解决方案不可避免地引入了更高的系统复杂性、更大的设备占地面积或更严格的对准要求，从而限制了其实际应用范围。此外，许多所谓的偏振无关解决方案仅仅采用了其他液晶器件的传统策略——例如空间光调制器[18]、[19]和光开关[20]。具体来说，这些方法往往忽略了LC-OPA的特定要求，如连续相位调制、高转向精度、偏振兼容性和紧凑集成。因此，它们难以在LC-OPA系统中高效实现。因此，实现高效、稳定且不受偏振影响的光束转向，同时不增加复杂性、功耗或尺寸，仍然是LC-OPA研究中的一个紧迫挑战。开发更高效、更紧凑的偏振无关光束转向方法是加速LC-OPA商业化和大规模应用的关键。
最近，液晶偏振光栅（LCPG）作为一种有前景的透射型衍射元件，用于偏振光束分离而受到关注。它利用了几何相位（Pancharatnam-Berry）调制[21]。与依赖于折射率变化的动态相位调制不同，几何相位调制是由空间变化的偏振旋转引起的，且与物理路径长度无关。由于其简单的结构、紧凑的占地面积、高传输效率（>95%）[22]和可定制的衍射角度[23]，LCPG可以显著简化光学系统布局，相比传统的反射式PBS。此外，LCPG的透射特性避免了反射元件的庞大外形和严格的对准要求，使其非常适合紧凑型LC-OPA系统。然而，作为一种衍射光学元件，LCPG本身会在±1阶光束与光轴之间引入角度偏差[24]、[25]。这种偏差会导致LC-OPA的入射角度不正，除非进行校正，否则会导致指向误差和相位调制效率降低。
基于这些考虑，我们提出了一种创新的偏振无关光束转向系统，该系统集成了LCPG（用于偏振分离）、透镜系统（用于角度校正）、两个QWPs（用于偏振转换）和LC-OPA（用于相位调制），以高效处理任意入射偏振状态。实验验证表明，所提出的系统在测试的C波段（1530–1560 nm）内表现出低偏振依赖性，偏振依赖性变化（PVD）保持在大约0.96–2.1%之间，并在1550 nm附近达到最小值。作为对比，表1提供了所提出的偏振无关（PI）系统与代表性的基于LC的相位调制方法在驱动电压、偏振依赖性和占地面积方面的比较概述。特别是，所提出的系统采用了在线的透射配置，光路展开，从而减少了对准复杂性并简化了系统集成。
总体而言，比较表明，所提出的PI系统在相对较低的驱动电压下实现了低偏振依赖性，同时保持了紧凑的光学架构，尽管略有额外的插入损耗。这项工作为未来自由空间光通信和激光雷达系统中的稳健光束转向模块提供了实用途径。
