一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法

摘要

本发明提供一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法。本发明液晶光学相控阵器件，自下至上依次包括：基底、阵列电极层、取向层、液晶层、取向层、导电层、基底；所述阵列电极层的每个电极上以及导电层上设置有亚波长阵列孔结构。本发明巧妙绕开了常规的技术思路，通过在导电层薄膜表面制备亚激光波长的增透阵列结构，实现需求激光波段的高透过性能，从而弥补当前液晶相控阵光束偏转器件在耐受激光功率方面的技术短板。该技术途径不仅可以有效降低激光能量在器件内部形成的热累积，又极大程度地提高了光能利用率，进而提升整个器件的功能性水平。

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法，属于高功率激光应用技术领域。

背景技术

当前，以激光技术为核心的激光雷达、光电对抗、空间光通信等领域已逐渐发展成熟，已成为国家重要的现代科技指标。液晶光学相控阵(LC-OPA)由于其小体积、低功耗、高精度指向、波束捷变、非机械偏转等优势，被广泛应用于激光空间光调制、高功率激光光束偏转等诸多领域。随着应用领域的不断拓展，所需LC-OPA器件的功能特性及其相关技术指标也在不断拔高。其中很重要的一个考量指标就是LC-OPA器件的耐受激光功率。近年来，LC-OPA器件能否耐受高激光功率已成为该领域的研究重点和难点，一旦突破该技术壁垒，高功率的LC-OPA将成为未来科技和军事的主流发展方向。

由于高功率激光相控阵技术在未来多方面科技和军事领域有着巨大的应用前景，因而对于该技术领域，国外一直处于技术封锁阶段，相关的公开和详细报道甚少。2007年3月，美国Raython公司公布其所研制的液晶光学相控阵的耐受功率达到了113W/cm

耐受激光功率对LC-OPA器件的功能使用影响极大。以LC-OPA移相器(光束偏转器件)为例，当器件经受高功率激光辐照时，光热效应会导致器件内部温度升高，并呈现一定的不均匀温度场分布。温度不均会导致器件内部液晶分子物理参量的改变，进而影响到液晶分子的预设旋转角度；不仅如此，当热累积温度超过液晶分子本身的清亮点时，液晶器件还会失去光学移相功能。图1为传统的LC-OPA移相器示意图。移相器主要由基板、导电层、取向层和液晶层四部分组成。其中，基板一般为低吸收的高纯熔石英材料；上下两层导电层用于对液晶层内部电场进行控制，导电材料一般选用氧化铟锡(ITO)等透明导电薄膜；取向层用于保证液晶分子拥有初始的指向矢排布，一般选用聚酰亚胺(PI)等聚合物薄膜。通过分析相控阵器件结构特点可以发现，器件在高功率激光作用下产生强吸收的材料主要是具有金属属性的ITO薄膜和具有高分子特性的PI薄膜。图2给出了不同激光功率加载下ITO薄膜和PI薄膜的温升情况，通过对比可以发现，PI耐受高功率激光的能力远高于ITO薄膜，在1000W/cm

现阶段，提高相控阵光束偏转器件激光耐受功率的技术途径主要集中在发展新型导电薄膜材料。例如，有人提出利用石墨烯在红外波段的高透过率优势来取代传统ITO薄膜，但是在液晶光学相控阵制备过程中，涉及到电极光刻，而石墨烯的电极光刻是一个十分困难的问题。有机聚合物导电薄膜(例如乙烯二氧噻吩/聚乙烯磺酸钠(PEDOT：PSS))是另一研究重点，但其高透过性也只局限在可见波段，其整体透过率不足85％，在高功率激光入射后，器件内部过高的热沉积会直接破坏PEDOT：PSS导电薄膜。因此，该有机物薄膜也难用于制备高激光功率液晶光学相控阵器件的电极。在2008年1月，美国发明专利中公布了一种透明导电薄膜(CdO掺杂In)，其最高透过率甚至可以达到99％，且导电率可以达到比较成熟的ITO薄膜导电率。但Cd为毒性较强的物质，会污染空气、严重影响人体健康。此外，该薄膜材料的制备仍处于实验室阶段，并未在高功率液晶光学相控阵器件制备中得到广泛的使用。

因此，研究如何提高导电层对激光的透过率，减少其对激光的吸收，从而实现耐受高功率激光的液晶光学相控阵器件的制备，具有重大的研究意义。

发明内容

现有技术主要通过发展新型光学高透导电材料来降低导电层薄膜基材自身对光能的吸收，从而提高整个器件的激光耐受功率。但目前来看，仍未在材料角度有所突破。针对现有技术存在的不足，本发明提供一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件及其制备方法。本发明巧妙绕开了常规的技术思路，通过在导电层薄膜表面制备亚激光波长的增透阵列结构，实现需求激光波段的高透过性能，从而弥补当前液晶相控阵光束偏转器件在耐受激光功率方面的技术短板。该技术途径不仅可以有效降低激光能量在器件内部形成的热累积，又极大程度地提高了光能利用率，进而提升整个器件的功能性水平。

本发明的技术方案如下：

一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件，自下至上依次包括：基底、阵列电极层、取向层、液晶层、取向层、导电层、基底；所述阵列电极层的每个电极上以及导电层上设置有亚波长阵列孔结构。

根据本发明优选的，所述基底均为熔石英材料，厚度在0.5mm-3mm。

根据本发明优选的，所述阵列电极层中的电极为透明氧化铟锡(ITO)材料或Au金属材料，相邻电极之间为聚酰亚胺(PI)材料；阵列电极层的厚度为100nm-10μm。阵列电极层的阵列电极结构按现有技术即可。

根据本发明优选的，亚波长阵列孔为圆孔并贯穿阵列电极层或导电层；亚波长阵列孔的直径为400nm-1000nm；每行或每列中，相邻两孔的间距相同，且为100nm-1000nm。亚波长阵列孔尽可能多的设置于导电层上或每个电极上；优选的，导电层上或每个电极上的边缘孔与导电层或电极边缘的最小垂直距离为50nm-250nm。

根据本发明优选的，所述取向层均为聚酰亚胺(PI)材料，取向层的厚度为30nm-150nm。

根据本发明优选的，所述液晶层的厚度为3-15μm。液晶层按现有技术即可。

根据本发明优选的，所述导电层为透明氧化铟锡(ITO)材料或Au金属材料，厚度为100nm-300nm。

上述耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的制备方法，包括步骤：

(1)采用极紫外光刻方法和磁控溅射方法在基底表面制备阵列电极层；

(2)在另一块基底表面采用极紫外光刻方法和磁控溅射方法制备满镀的导电层；

(3)利用旋涂技术在阵列电极层和导电层表面分别制备取向层；并利用摩擦机对其进行取向；

(4)使用密封胶进行封盒，灌注液晶，然后再进行封盒，即得到耐受激光功率的液晶光学相控阵器件。

本发明耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的具体制备方法和参数可按现有技术。

本发明的技术特点及有益效果如下：

1、基于液晶光学相控阵的光束偏转技术拥有捷变、无惯性、低功耗等诸多机械式光束偏转技术不具备的好处，因而在现代科技和军事等多方面领域应用广泛。而在高功率激光的应用背景下，液晶光学相控阵器件(例如典型的LC-OPA移相器)的功能特性和使用寿命均受到其耐受激光功率的极大限制。本发明抓住了限制移相器耐受激光功率提高的关键技术瓶颈，通过在阵列电极层和导电层表面制备亚入射激光波长的阵列结构，有效实现了激光光场在器件上的透射增强，从而降低了器件使用过程中光能热累积，极大提升了器件的综合性能。

2、本发明创造适用于绝大多数激光波段的液晶光学相控阵器件研制，因而极大地拓展了相控阵器件在高功率激光领域的应用范围。此外，传统的LC-OPA移相器之所以选用ITO作为电极材料，主要原因在于其既具有常规金属材料的电学特性，又具有较好的可见-近红外波段光学透过率。然而随着激光功率水平的逐渐提升，剩余未透过激光能量在ITO膜层产生的热累积同样会影响液晶的功能特性。而本发明创造所提出的对导电层的亚波长增透结构设计(理论透过率可做到约99％)，并不局限于ITO导电薄膜材料，而是可以直接拓展至其他不透光金属材料，这将极大地丰富LC-OPA器件的材料体系，使得器件的综合性能得到巨大改善，甚至实现器件更加多样化的功能。

3、本发明亚波长阵列孔的几何结构参数会影响阵列电极层和导电层的激光透过性能，未透过部分更多地会以热量的形式留在膜层表面，因而对最终制备器件的激光耐受功率性能影响极大。亚波长微孔阵列结构对光能的增透原理主要基于表面等离激元(SP)共振和波导(WG)共振两个经典理论。SP共振主要与阵列的周期特性有关，其物理图像是金属表面阵列结构为入射电磁波提供了额外的波矢量，当波矢满足共振条件，就会在金属表面激发SP，这些SP通过孔隧穿到金属膜的另一端，然后通过一个逆过程将电磁波辐射出去，从而实现电磁波的亚波长透射。WG共振的基本原理类似于亚波长衍射光栅，它不是沿着界面传播而是局域在孔的附近，即入射电磁波与孔结构附近的自由电子相互耦合，产生剧烈的集体震荡，从形成过程来看，该模型与结构的排布无关，而与单个结构的几何形状有关。实际上，这两种模型一般是共同存在的，且随着结构和周期的变化二者权重也会发生变化。因此，合理调控亚波长阵列的几何结构参数，使得微结构与光场发生有效共振，对于实现相控阵器件的高激光耐受功率意义极大。

附图说明

图1为传统液晶光学相控阵结构示意图；

图2为不同激光功率加载下ITO薄膜(左图)和PI薄膜(右图)的温升情况；其中，左图中，横坐标为功率密度，纵坐标为温度；右图中，横坐标为时间，纵坐标为温度。

图3为不同厚度ITO薄膜的激光透过率。

图4(a)为实施例1中液晶光学相控阵整体结构示意图；图4(b)为ITO电极阵列层的结构示意图(左)、ITO电极阵列放大图(中)和电极阵列上的增透孔阵列结构示意图(右)。

图5为实施例1中导电层在1064nm附近的透过率仿真结果图；其中，横坐标为波长，纵坐标为透过率。

图6为实施例1中导电层的形貌图。

图7为实施例1中熔石英基底表面/导电层的光学透过率图。

图8为实施例1中液晶光学相控阵器件的最高温升图。

图9为实施例2中导电层在1064nm附近的透过率仿真结果图；其中，横坐标为波长，纵坐标为透过率。

图10为实施例2中导电层的形貌图。

图11为实施例2中熔石英基底表面/导电层的光学透过率图；其中，横坐标为波长，纵坐标为透过率。

图12为实施例2中液晶光学相控阵器件的最高温升图。

图13为实施例2中导电层和实施例1中导电层对激光场强调控的仿真结果图。

图14为试验例中不同孔径尺寸条件下金属导电层在1064nm的光学透过率图。

图15为试验例中不同微孔阵列周期结构单元尺寸对不同激光波段的光学透过率图。

图16为试验例中不同导电层厚度下的光学透过率曲线图；其中横坐标为波长，纵坐标为透过率。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例中所涉及的方法，如无特殊说明，均为现有方法；所用试剂和材料，如无特殊说明，均可市购获得。

实施例1

一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件，如图4(a)所示，自下至上依次包括：高纯熔石英基底(厚度为1mm)、阵列电极层(ITO电极，厚度为100nm)、PI取向层(厚度为100nm)、液晶层(厚度为7μm)、PI取向层(厚度为100nm)、导电层(ITO薄膜，厚度为100nm)、高纯熔石英基底(厚度为1mm)。

所述阵列电极层如图4(b)所示，其中的电极为透明氧化铟锡(ITO)材料，相邻电极之间为PI绝缘层。阵列电极层的阵列电极结构为现有结构，透明氧化铟锡(ITO)电极与PI绝缘层交替排列，电极间隔为2μm。

如图4(b)所示，所述阵列电极层每个电极上设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿阵列电极层；亚波长阵列孔的直径为800nm；每行或每列中，相邻两孔的间距为200nm；每个电极上的边缘孔与电极边缘的最小垂直距离为100nm。

所述的与ITO电极相对应的导电层为满镀的ITO薄膜，且其上同样设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿满镀导电层；孔结构参数与阵列电极层的参数保持一致。

液晶层按现有技术即可。

上述耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的制备方法，包括步骤：

(1)采用极紫外光刻方法和磁控溅射方法在基底表面制备阵列电极层；

(2)在另一块基底表面采用极紫外光刻方法和磁控溅射方法制备满镀的导电层；

(3)利用旋涂技术在阵列电极层和导电层表面分别制备取向层；并利用摩擦机对其进行取向；

(4)使用密封胶进行封盒，灌注液晶，然后再进行封盒，即得到耐受激光功率的液晶光学相控阵器件。

本发明耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的制备方法和参数按现有技术即可。

图5为通过有限时域差分仿真得到的熔石英基底表面上导电层(ITO圆孔阵列膜层)的光学透过率结果，基于上述亚波长圆孔特征尺寸，ITO圆孔阵列膜层在1064nm的光学透过率达98.22％。基于该仿真模型，制备的导电层的ITO亚波长圆孔阵列形貌如图6所示，可以发现，圆孔阵列尺寸基本满足上述设计结果。

利用白光干涉仪测得了熔石英基底表面/导电层的光学透过率，如图7所示，在1064nm波段透过率可达92％(其中包含熔石英基底单层约3％的反射率)。

将最终制备的相控阵器件在1080nm连续激光条件下进行辐照，器件整体温升得到了有效控制，在900W/cm

实施例2

一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件，结构如实施例1所述，所不同的是：

采用具有光学增透特性的金属Au替换阵列电极层的ITO和导电层的ITO；

所述阵列电极层每个电极上设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿阵列电极层；亚波长阵列孔的直径为460nm；每行或每列中，相邻两孔的间距为120nm；每个电极上的边缘孔与电极边缘的最小垂直距离为75nm。

所述导电层为满镀的Au材料，且其上同样设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿满镀导电层；孔结构参数与阵列电极层的参数保持一致。

其它结构、参数和实施例1一致。

上述耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的制备方法同实施例1。

其它步骤的制备方法和参数按有技术即可。

图9为通过有限时域差分仿真得到的熔石英基底表面上导电层(Au圆孔阵列膜层)光学透过率结果，基于上述亚波长圆孔特征尺寸，Au圆孔阵列膜层在1064nm的光学透过率达98.1％。基于该仿真模型，制备的Au导电层的亚波长圆孔阵列形貌如图10所示，可以发现，圆孔阵列尺寸基本满足上述设计结果。

利用白光干涉仪测得了熔石英基底/导电层的光学透过率，如图11所示，在1064nm波段透过率可达92％(其中包含熔石英基底单层约3％的反射率)。

将最终制备的相控阵器件在1080nm连续激光条件下进行辐照，器件整体温升得到了有效控制，在900W/cm

实施例3

一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件，结构如实施例1所述，所不同的是：

采用具有光学增透特性的金属Au替换阵列电极层的ITO和导电层的ITO；

所述阵列电极层每个电极上设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿阵列电极层；亚波长阵列孔的直径为511nm；每行或每列中，相邻两孔的间距为660nm；每个电极上的边缘孔与电极边缘的最小垂直距离为75nm。

所述导电层为满镀的Au材料，且其上同样设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿满镀导电层；孔结构参数与阵列电极层的参数保持一致。

其它结构、参数和实施例1一致。

上述耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的制备方法同实施例1。

其它步骤的制备方法和参数按有技术即可。

实施例4

一种耐受激光功率的液晶光学相控阵器件，结构如实施例1所述，所不同的是：

采用具有光学增透特性的金属Au替换阵列电极层的ITO和导电层的ITO；

导电层的厚度为1μm；

所述阵列电极层每个电极上设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿阵列电极层；亚波长阵列孔的直径为495nm；每行或每列中，相邻两孔的间距为645nm；每个电极上的边缘孔与电极边缘的最小垂直距离为75nm。

所述导电层为满镀的Au材料，且其上同样设置有亚波长阵列孔结构。亚波长阵列孔为圆孔并贯穿满镀导电层；孔结构参数与阵列电极层的参数保持一致。

其它结构、参数和实施例1一致。

上述耐受激光功率的液晶光学相控阵器件的制备方法同实施例1。

其它步骤的制备方法和参数按有技术即可。

试验例：

亚波长阵列孔结构的结构尺寸参量对阵列电极层/导电层的透光性能以及整个器件的激光耐受功率影响很大。典型的结构尺寸参量包括孔径、亚波长阵列孔周期、阵列电极层/导电层厚度等。

液晶光学相控阵器件如实施例2所述，为Au材料导电层，所不同的是：变化导电层上的亚波长阵列孔结构的孔径，为400nm-600nm。图14为通过有限时域差分仿真得到的不同孔径尺寸条件下金属导电层在1064nm的光学透过率结果，可以看到当孔径尺寸在400nm-555nm范围内金属导电层的透过率可达到95％以上，继续增大孔径透过率反而极具下降。

液晶光学相控阵器件如实施例3所述，为Au材料导电层，所不同的是：变化相邻两孔的间距，为600-1000nm。图15为不同微孔阵列周期结构单元尺寸(即相邻两孔的间距)对不同激光波段光学透过率的影响，可以发现，当周期结构单元尺寸为660nm左右时，金属导电膜在1064nm的光学透过率达到最大值(约为98％)；周期结构单元尺寸优选为625-675nm。

另外，通过改变导电层厚度，可以发现微孔阵列只有与特定波段的激光形成一定的共振匹配关系，才能实现导电层的高透过率。液晶光学相控阵器件如实施例4所述，所不同的是：变化导电层的厚度，为100nm-10000nm。如图16所示，通过有限时域差分仿真得到，膜材厚度改变后，不仅光学透过率曲线的峰值在发生改变，其增透稳定性也发生了变化，较大的膜厚形成较为波动的透过率曲线。在上述条件下，最优导电层厚度为1μm。

因此，实现液晶相控阵器件较高的激光耐受功率，需要最优化微孔阵列结构尺寸参量。