《Optical Materials》：Liquid crystal polarization gratings with wide incidence angle and high diffraction efficiency
编辑推荐：
液晶偏振光栅通过多层多扭曲结构设计，在1064nm波长下实现-30°至+30°宽角度范围内97%以上高衍射效率，优于现有双扭曲结构，为激光雷达和光束偏振应用提供新方案。
陈毅|王建国|王发家|王冰冰|王泽文|王晓东|赵元安
中国科学院上海光学精密机械与物理研究所精密光学制造与测试中心，中国上海201815
摘要
液晶偏振光栅（LCPG）是一种高效且用途广泛的液晶器件，常用于光场调节、光束偏振和激光雷达等多种技术中。本文采用266纳米激光干涉曝光方法制备了一种三层多扭曲结构的LCPG，分别得到了周期为7微米和15微米的两种LCPG。使用1064纳米波长激光进行测试，并与仿真结果进行比较后发现，该偏振光栅在1064纳米波长下，在-30°至+30°的入射角度范围内仍能保持较高的衍射效率。这项研究为LCPG在激光雷达和光束偏振等领域的应用奠定了基础。
引言
液晶偏振光栅（LCPG）[1],[2]是一种通过调制入射光的偏振状态来实现光谱分离的液晶光学器件。由于其体积小、重量轻且寿命长，被广泛应用于光 phased 数组[3]、近眼显示[4],[5]、激光加工[6],[7]以及激光雷达[8],[9]等多种光学系统中。这种光栅的薄膜厚度仅为微米级别，非常适合多级级联使用，级联系统能够扩展扫描范围。相比之下，传统的机械式光束转向系统[10]体积庞大、能耗高且成本高昂，难以满足日益增长的应用需求。新一代非机械式光束转向系统——基于液晶的光 phased 数组技术[11],[12]在能耗降低、体积缩小、指向精度提高以及响应速度加快等方面具有显著优势。
Provenzano[13]优化了LCPG的制备工艺，使其衍射效率提升至98%。其他研究人员通过使用创新的光对准材料、优化光路等方式进一步提高了LCPG的衍射效率。传统的LCPG仅在其设计波长下才能实现高衍射效率，偏离该波长会导致其衍射效率迅速下降。为了解决这一问题，Oh等人在2008年提出了对称双扭曲结构[14]。该结构基于双扭曲层相互补偿的原理，扩展了LCPG的工作波长范围。基于这一设计，他们建立了双扭曲结构的物理模型，确定了制备宽带LCPG的理想扭曲角度和厚度参数，并通过实验验证了这些结果。2012年，Tan等人提出了类似的结构以解决由于光束斜入射导致LCPG衍射效率降低的问题[15]，该结构确保LCPG在±20°范围内保持高衍射效率。最近，在2020年，Zou等人提出了三层多扭曲结构的LCPG，这种结构在斜入射条件下不仅提高了衍射效率，还实现了更好的消色差性能[16]。
基于液晶（LC）的光束转向系统采用多级级联设计[17]，结合了多级液晶偏振光栅（LCPG）和电压控制液晶可调谐波片。这种组合方式可实现较大的衍射角度和高衍射分辨率。在多级结构中，光束以一定角度斜入射到LCPG上，后续级的入射角度逐渐增大。因此，除了多级结构本身导致的光效率降低外，级数增加还会进一步降低斜入射条件下的衍射效率。2023年，Qin等人提出了一种针对被动级联LCPG的最佳控制策略，通过调整液晶可变延迟器（LCVR）的电压和控制系数来减小组件间的入射角度，从而提高斜入射条件下的衍射效率[18]。同样在2023年，Yu等人利用电抑制螺旋铁电液晶（ESHFLC）和多层补偿膜设计了一种高速圆偏振转换器（CPC），通过结构优化有效克服了斜入射引起的效率下降问题[19]。2025年，Li等人提出了级联LCPG系统中液晶半波片（LC HWPs）的电压补偿模型，实现了二维斜入射条件下的稳定相位调制，显著提升了大角度应用的光束转向效率[20]。这体现了从被动控制方法向主动补偿模型的发展，反映了人们在非机械式光束转向技术中不断努力应对斜入射挑战的现状。本文介绍了一种采用干涉曝光方法制备的三层多扭曲结构LCPG，该光栅在1064纳米波长下工作，能在-30°至+30°的入射角度范围内保持高衍射效率。实验结果与仿真数据进行了对比，制备了周期分别为7微米和15微米的三种三层多扭曲结构LCPG，这两种结构在-30°至+30°入射角度范围内均保持了超过97%的衍射效率。与Zou等人制备的LCPG相比，该结构在特定波长下的斜入射衍射效率得到了提升。
部分内容摘录
器件设计
LCPG通过空间可变的双折射效应改变透射光的偏振状态，从而实现光束偏转。当光束进入LCPG时，会衍射成±1级和0级三种不同的光束。传统的LCPG是由不含手性分子的液晶聚合物制成的。在常规LCPG中，液晶分子的方位角在单个光栅周期内连续变化（参见
结果与讨论
如图7所示，使用偏振显微镜观察了制备的三层多扭曲结构LCPG的形态。成品LCPG呈现出周期为7微米和15微米的明暗条纹，符合周期性设计要求。实验使用1064纳米连续激光对样品进行照射，使用了三种不同类型的光：线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光（见图
结论
本研究利用偏振全息技术和光学准直技术制备了周期为7微米和15微米的三层多扭曲结构LCPG，波长为1064纳米，该光栅由三层LC和手性分子组成。通过显微镜观察和1064纳米连续波激光的测试，实验数据与理论仿真结果进行了对比，表明制备样品基本符合设计要求。
作者贡献声明
王泽文：资源获取、数据分析。王发家：软件开发、实验研究。王冰冰：数据分析、概念构思。陈毅：初稿撰写、验证、数据整理、概念设计。王建国：撰写审查、方法设计、数据分析。王晓东：数据分析。赵元安：项目监督、行政管理
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。
竞争利益声明
? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了上海市科学技术委员会（项目编号：24TS1416600）、中国科学院国际合作局（项目编号：111GJHZ2024025MI）、山东大学晶体材料国家重点实验室（项目编号：KF2305）、上海市科学技术委员会支持的港澳台合作项目（项目编号：22220760300）以及国家自然科学基金等机构的支持。
