中红外液晶光学移相器的相位调制和响应时间特性

王 瑞， 吴双红*， 汪相如*， 贺晓娴， 胡明刚， 李 曼 ， 汪 晟， 李鸣凤

(1. 电子科技大学 光电科学与工程学院， 四川 成都 611731；2. 西安近代化学研究所， 陕西 西安 710065；3. 光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津 300308)

1 引 言

随着激光控制技术的快速发展，以液晶光学相控阵为主流的非机械式光束扫描不断成熟。液晶光学相控阵作为一种电控可编程的光束控制技术，具有精度高、分辨率高、重量轻、功耗低等优点，使其在激光雷达、激光武器、空间激光通信等多个领域起到至关重要的作用[1]。中红外液晶光学相控阵能够满足中波红外的非机械相控波束扫描的应用需求，解决当前中红外激光雷达的机械扫描子系统所存在的惯性大、体积重量大、无法实现捷变指向等技术缺陷[2]。随着中红外激光器的不断发展，中红外液晶光学相控阵的波束扫描技术受到高度重视，而移相器作为中红外液晶光学相控阵器件的核心组件，其在激光雷达系统中的应用价值不言而喻。

现如今，液晶光学移相器的移相控制技术在近红外波段比较成熟，但在中红外波段研究很匮乏。由于中红外光学材料研制成本较高，国内起步较晚，而国外研究仅局限于中红外液晶材料。1988年，S. T. Wu报道了4-腈基-4-戊基-二苯乙炔结构的红外液晶材料，该材料在中红外波段下透过率为50%左右[3]。2002年，S. T. Wu通过对戊基联苯腈(5CB)进行全氘化得到全氘代戊基联苯腈(D-5CB)，使C—H键在3.5 μm的吸收转移至C—D键的4.7 μm。但是由于氘代的不完全，D-5CB在3.4 μm中红外波段的透射率仍小于80%[4-5]。2011年，Y. Chen等人合成了以三氟甲氧基为端基的三联苯类液晶FT，其在3～5 μm中红外波段透过率达到90%以上，但是该液晶分子在中红外波长下双折射率会下降至0.18左右，远远达不到中红外光学移相器相位调制量的需要[6]。2016年M. G. Hu等人以2,2-二氟乙烯氧基为核心研制了一种在中红外波段低吸收的新型甲苯胺液晶,该液晶材料具有低吸收损耗、宽向列相范围、低熔点和高双折射特性[7]。S. T. Wu等人于2018年提出了一种氟化三苯基化合物，该液晶材料具有较大的折射率各向异性Δn和介电各向异性Δε，并且为了抑制液晶材料在中红外波段的吸收，用较重的原子F或者Cl代替H，通过合适的极性基团将吸收带移出光谱区域[4]。

针对中红外激光光束偏转的应用场景，本文研究制备了应用于中红外波段的液晶光学移相器。为了减少吸收损耗，选用在中红外波段具有高透过率的蓝宝石晶片作为基底，超薄氧化铟锡(ITO)薄膜作为透明电极，高透过率的中红外液晶作为功能材料，在3.9 μm的中红外激光照射下实现2.59 π的相位调制深度。

2 中红外液晶光学移相器结构

中红外液晶光学移相器是一个由蓝宝石基底、超薄ITO导电膜、聚酰亚胺(PI)取向膜和中红外液晶材料组成的7层结构，器件结构如图1所示。从上往下依次是蓝宝石基底层、超薄ITO透明导电膜层、PI取向层、中红外液晶分子层、PI取向层、超薄ITO透明导电膜层、蓝宝石基底层。其中中红外液晶分子层的内部喷洒高度为20 μm的间隔子作为支撑；第一基板与第二基板的边缘通过边框胶进行密封封装。本文所用的液晶材料是C09-202025中红外液晶[6-7]，具体参数如表1所示，中红外液晶材料的分子式如表2所示。

图1 中红外液晶光学移相器器件结构Fig.1 Device structure of mid-infrared liquid crystal optical phase shifter

表1 C09-202025中红外液晶材料的具体参数Tab.1 Specific parameters of mid-infrared liquid crystal material C09-202025

3 中红外液晶光学移相器制备

中红外液晶光学移相器是将两片镀超薄ITO导电薄膜的蓝宝石基底作为底片和盖片，首先利用旋涂机在超薄的ITO导电薄膜上旋涂均匀的PI；其次利用绒布在PI层向同一个方向进行摩擦形成取向层，中红外液晶分子按照取向层的摩擦方向平行排列，形成一致的取向。然后利用点胶机在取向完成的底片边缘涂一圈热固性边框胶，在盖片上喷洒20 μm的间隔子作为支撑，利用热台在高温条件下将底片和盖片完全贴合。

最后对空的移相器进行真空处理，将C09-202025中红外液晶材料滴在封口处，使中红外液晶完全覆盖封口处，之后通过气体压强将液晶灌入盒中，以此完成了中红外液晶光学移相器的制备[8-9]。

中红外液晶光学移相器在灌注液晶之后，需要将液晶光学移相器器件放在热台上，在略高于中红外液晶材料清亮点的温度(127 ℃)依靠加热使液晶分子之间相互作用，从而调整液晶分子指向矢的排列状态，以此达到中红外液晶光学移相器中液晶分子的规则排列。

4 中红外液晶光学移相器特性分析

4.1 中红外液晶光学移相器透过率测试

蓝宝石晶体在中红外波段具有良好的透过率，因此作为中红外液晶光学移相器的光学窗口材料。蓝宝石晶体相比于碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)，具有硬度大、热扩散率大、表面致密性好等优点，并且具备优良的光电特性和化学稳定性[10-12]。

透明电极作为中红外液晶光学移相器的馈电部分。通过对比ITO 、Ti∶Sn2O3、Al∶ZnO、石墨烯、碳纳米管薄膜等不同透明电极材料的光电特性，发现超薄ITO导电薄膜具有较宽的带隙范围、良好的导电性、高的红外透射率和低的电阻率。在工艺制备过程中，超薄ITO导电膜容易被刻蚀，与PI取向膜的吸附作用强。因此选择在蓝宝石基底上镀超薄ITO导电薄膜作为中红外液晶光学移相器的透明电极。

图2 蓝宝石基底、透明电极、移相器器件在3～5 μm中红外波段的透过率。Fig.2 Transmittance of sapphire substrate, transparent electrode, and phase shifter device in the mid-infrared band of 3～5 μm.

利用傅里叶红外光谱仪对蓝宝石基底、超薄ITO透明电极、制备完成但未灌入中红外液晶的移相器和灌入C09-202025中红外液晶的移相器进行光学透过率测试，测试结果如图2所示。测试结果表明，蓝宝石基底在3～5 μm的中红外波段透过率约为78%，相比于透明玻璃、CaF2、MgF2等基底材料具有较高的透过率。蓝宝石基底上镀超薄ITO导电薄膜形成的透明电极在3～5 μm的中红外波段透过率范围在40%～60%，能够满足中红外液晶光学移相器的功能要求。未灌入中红外液晶的移相器在3～5 μm的中红外波段透过率均高于20%，灌入C09-202025中红外液晶材料的液晶移相器在3～5 μm的中红外波段的透过率相比于未灌入液晶的器件下降了约5%。灌晶后的液晶光学移相器具有法布里-玻罗(FP)效应，在透过率光谱中有周期性振荡，但不影响器件的性能。未灌晶与灌晶的液晶移相器，透过率均呈现一个稳定的变化趋势。

4.2 液晶移相器电压-相移测试

电压-相移(U-PHi)关系是描述液晶光学移相器电控相移特性。根据U-PHi关系能够确定中红外液晶材料的介电常数ε∥和ε⊥、双折射率n∥和n⊥、弹性系数k、粘滞系数η对相位调制深度δ和阈值电压Vth的影响；同时还能够确定液晶盒厚度d和驱动电压V对相位调制深度δ的影响。

中红外液晶材料C09-202025具有电控双折射特性，通过给中红外液晶材料两级加载电压，改变中红外液晶分子指向矢的方向，从而改变入射中红外激光与中红外液晶分子指向矢之间的夹角。入射的中红外激光经过中红外液晶分子，出射光束相对于入射光束发生相位延迟，故出射光相对入射光方向发生了偏转。通过对制备完成的中红外液晶光学移相器进行U-Phi测试，定量地确定中红外液晶光学移相器是否具有2π的相位调制深度。

利用功率等效法进行中红外液晶光相控阵器件的U-Phi测试。

根据马吕定律，出射光为：

(1)

其中：I0为入射激光的光强,δ为相移量，根据公式(1)可以得到出射光强I和相移量δ之间的关系。

透射光的光强满足：

(2)

测试流程图如图3(a)所示，测试结果如图3(b)、(c)示。入射的中红外激光(λ=3.9 μm)经过液晶光学移相器在正交偏振光下，透射光强由最大值变到最小值，而后又从最小值变回到最大值，形成一个振荡曲线，具有周期性[13]。测试结果表明，电压的有效值从0.99 V到7.07 V的变化过程中，中红外液晶移相器的功率值从7.39 mW降低到0.562 mW,又从0.562 mW上升到9.48 mW，达到饱和状态，最后从9.48 mW变化到0。根据上述公式将光强I转化成对应的相位如图3(c)所示。图3(b)、(c)中A点到B点为一个周期，具有360 °的相位调制深度；A点到D点具有467°的相位调制深度;C点为功率的峰值点。20 μm盒厚的中红外液晶光学移相器可以实现467°的相移，即2.59π的相位调制深度。

图3 (a) U-Phi测试流程图；(b) 20 μm盒厚的中红外液晶光学移相器有效值电压和功率(U-P)测试结果图；(c) 20 μm盒厚的中红外液晶光学移相器的U-Phi测试结果图。Fig.3 (a) U-Phi test flow chart;(b) Effective voltage and power (U-P) test results of a mid-infrared liquid crystal optical phase shifter with a cell thickness of 20 μm; (c) U-Phi test results of a mid-infrared liquid crystal optical phase shifter with a cell thickness of 20 μm.

4.3 液晶移相器响应时间测试

中红外液晶光学移相器的波束切换采用相控的方式，相位转换时间是衡量中红外液晶光学移相器波束位置捷变切换能力的技术指标。中红外液晶光学移相器的上升时间表达式为：

(3)

下降时间表达式为:

(4)

其中:η为粘度，k为弹性系数，d为液晶盒厚度，Δε为介电各向异性，V为外加电压。响应时间是决定中红外液晶光学移相器相位转变速度的关键因素。

响应时间的测试流程图如图4(a)所示，电压的有效值从2.47 V到3.37 V的变化过程中，通过对不同电压切换状态下响应时间的测试，可以得到如图4(b)(c)的测试结果。测试结果表明电压值从2.65 V变化到3.37 V,响应时间达到19 ms,能够满足中红外液晶光学移相器在高盒厚条件下快速响应的要求。

图4 (a)中红外液晶光学移相器器件响应时间的测试流程图；(b)电压值在2.47 V到3.37 V的变化范围内，响应时间的测试数据;(c)电压值从2.65 V变化到3.37 V,对应响应时间的测试结果图。Fig.4 (a) Test flow chart of the response time for the mid-infrared liquid crystal optical phase shifter; (b)Test data of response time when the voltage value is within the range of 2.47 V to 3.37 V; (c) Test result diagram of the response time when the voltage value changes from 2.65 V to 3.37 V.

5 结 论

针对国内外激光雷达和激光武器对于中红外液晶光学相控阵的需求，本文实现了应用于中红外波段的液晶光学移相器的研究制备。选用蓝宝石作为基底材料，超薄ITO作为透明电极，C09-202025的液晶材料制备中红外液晶光学移相器，并对器件进行了透过率、电压-相移(U-PHi)测试、响应时间测试。测试结果表明，液晶光学移相器在3.9 μm的中红外激光照射下有2.59π的相位调制深度，并且电压值从2.65 V变化到3.37 V,响应时间仅为19 ms,能够满足中红外液晶光学移相器在高盒厚条件下的快速响应。该研究结果极大地促进了中红外液晶光学移相器的研制。