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液晶相位调控器件的高功率激光应用相关问题

刘晓凤 赵元安 彭丽萍 汪小双 李大伟 邵建达

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液晶相位调控器件的高功率激光应用相关问题

    作者简介: 刘晓凤(1982-), 女,博士,副研究员,从事激光辐照效应与机理研究;liuxiaofeng@siom.ac.cn.
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11874369,11774319);脉冲功率激光技术国家重点实验室开放基金项目
  • 中图分类号: O436

Application problems of liquid crystal phase modulators to high power lasers

  • CLC number: O436

  • 摘要: 液晶相位调控器件在聚变点火、激光加工、光电对抗、激光雷达、激光通讯、激光防护等高功率激光领域有着非常广泛的应用及应用前景。但受限于构成器件材料自身抗激光损伤能力的限制以及缺乏对高功率激光辐照下液晶相位调控器件相位调控性能退化及损伤特性的系统研究,目前液晶相位调控器件的激光耐受力还难以满足高功率激光系统的应用和发展需求。为指导高激光耐受力液晶相位调控器件的制备工艺优化,对液晶相位调控器件在高峰值和高平均功率激光应用下出现的损伤现象以及性能退化进行了综述,最后对液晶相位调控器件激光耐受力提升方法做了总结和归纳。
  • 图 1  阈值附近ITO的典型损伤形貌,其中(b),(c)(d)分别对应(a)中1,2,3所示的方框位置

    Fig. 1  Typical damage morphology of ITO/glass at a lower fluence (near the LIDT). (b), (c), and (d) show local magnified views of micro-areas outlined by the rectangles 1, 2, and 3 in (a), respectively

    图 2  ITO薄膜在100%损伤几率能流下的典型损伤形貌及损伤深度

    Fig. 2  Typical damage morphology and depth profile of the ITO/glass sample at a higher fluence (near 100% damage probability)

    图 3  PI/ITO薄膜的典型损伤形貌

    Fig. 3  Typical damage morphologies of the PI/ITO/glass sample

    图 4  高峰值功率激光辐照下,ITO和PI薄膜的温度场分布

    Fig. 4  Temperature distribution of the irradiated center in the samples. The dashed lines represent the vaporization temperature of the ITO film

    图 5  高平均功率激光辐照下,液晶光学器件相位特性变化的检测原理图[35]

    Fig. 5  Schematic diagram of measuring phase modulation of the liquid crystal device induced by the high-average-power laser[35]

    图 6  连续激光辐照功率141W/cm-2 下降到133 W/cm-2的过程中,偏光显微镜下观察到器件内部液晶材状态的变化[35]

    Fig. 6  Morphologies observed by the polarized light microscope for decrease in the laser power density from 141W/cm2 to 133W/cm2

    图 7  不同功率密度激光辐照液晶器件的过程中,通过检偏器的He-Ne透射光强度随液晶器件加载电压的变化[36]

    Fig. 7  Transmitted He-Ne light intensity after the analyzer varies with voltage apllied on the liquid crystal device when the liquid crystal device is irridiated by different laser power densities [36]

    图 8  不同功率密度激光辐照下的损伤形貌

    Fig. 8  Damage morphologies induced by different power densities

    图 9  3000 W/cm2 激光辐照下,30 s内ITO/PI样品的纵向温度变化

    Fig. 9  Vertical temperature distribution in first 30 s under 3000 W/cm2 laser irradiation

    图 10  通过检偏后的探测光归一化透过率模拟结果和实测结果[37]

    Fig. 10  Simulation and measurement results of the normalized ransmitted power of the probe laser after the analyzer[37]

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-13
  • 录用日期:  2020-01-06
  • 刊出日期:  2020-03-01

液晶相位调控器件的高功率激光应用相关问题

    作者简介: 刘晓凤(1982-), 女,博士,副研究员,从事激光辐照效应与机理研究;liuxiaofeng@siom.ac.cn
  • 1. 中国科学院 上海光学精密机械研究所 薄膜光学实验室,上海 201800
  • 2. 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037
  • 3. 中国科学院 强激光材料重点实验室,上海 201800
  • 4. 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京 100049
  • 5. 华中科技大学 光学与电子信息学院,武汉 430070

摘要: 液晶相位调控器件在聚变点火、激光加工、光电对抗、激光雷达、激光通讯、激光防护等高功率激光领域有着非常广泛的应用及应用前景。但受限于构成器件材料自身抗激光损伤能力的限制以及缺乏对高功率激光辐照下液晶相位调控器件相位调控性能退化及损伤特性的系统研究,目前液晶相位调控器件的激光耐受力还难以满足高功率激光系统的应用和发展需求。为指导高激光耐受力液晶相位调控器件的制备工艺优化,对液晶相位调控器件在高峰值和高平均功率激光应用下出现的损伤现象以及性能退化进行了综述,最后对液晶相位调控器件激光耐受力提升方法做了总结和归纳。

English Abstract

  • 液晶材料具有流动性、各向异性以及分子取向可电控等特点,可以根据应用需求与透明导电膜和取向膜等组合制备成各类液晶相位调控器件。液晶相位调控器件通过改变入射光束非寻常光的相位,可以实现对光束振幅、波前、偏振和指向等参数的精密调节,加之具有分辨率高、动态非机械调节、结构紧凑、质量轻、功耗低、成本低等优点,除了被广泛应用于液晶显示[1]、全息成像[2]、高光谱成像[3]、自适应光学[4-5]等显示成像及天文领域,在高功率激光领域也得到了非常广泛的研究及应用。

    液晶相位调控器件在高功率激光系统的应用始于1979年,当时天然双折射晶体难以满足高功率激光系统对元件大尺寸的要求,迫使科研工作者不得不去寻找合成材料来替代传统的天然晶体,各项异性液晶材料的灵活性使其成为解决这个问题的理想途径。美国罗切斯特大学在20世纪80年代对液晶器件的设计、制备及性能进行了大量的研究,成功地研制了适用于高峰值功率激光系统的液晶波片、液晶偏振片/隔离器、液晶光阑等[6],并随后在60路OMEGA高峰值功率激光装置中安装使用了超过300个大口径液晶器件,据报道部分液晶器件工作了15年甚至更长时间,其性能都没有出现明显退化[7]。液晶相位调控器件在美国国家激光聚变点火装置(NIF)、中国神光系列高功率激光系统上也得到了成功应用,被用于光束强度空间分布的主动调制,以实现光束整形、损伤点“预屏蔽”等目的[8-9]

    除了上述在高峰值功率激光系统的应用,液晶相位调控器件在高平均功率激光系统中也有着广泛的应用及应用潜力。例如在飞秒激光加工领域,常利用液晶相位调控器件将扩束准直后的飞秒激光空间光场精确地调制成预设的图案阵列,达到高效并行加工的目的[10-11]。在光电对抗、激光通讯、激光雷达等领域,基于液晶相位调控器件的光束偏转技术一直是国内外研究的热点[12-15]。传统的光束偏转系统依靠万向节机械结构调节反射镜实现光束偏转,结构复杂、精度低、重量大、能耗高,在运动过程中还需要克服惯性的影响,非常不利于微型化,液晶相位调控器件有望成为替代传统基于万向节机械结构调节实现光束转向的颠覆性技术。美国在基于液晶相位调控器件的光束偏转技术研究方面目前处于绝对领先的地位,突破了对光束大角度、快速转向的系列关键技术问题。20世纪90年代,美国Raytheon公司已经研制了多款不同口径和独立寻址数的液晶光学相位调控器件[16-17]。随后2007年,美国Raytheon公司利用基于液晶相位调控器件的7个子口径阵列式原型样机,实现了大口径光束偏转[18]。2008年,美国Vescent Photonics 公司研制的基于液晶的一维光束偏转器件,其最大偏转角度可以达到±40°[19]。2012年,美国BNS 公司成功研制了基于液晶材料的商业化小口径(通光口径~5 cm)光束偏转产品,实现了112°×112°的偏转视场,光束偏转误差可控制在mrad量级[20]。2017年,BNS公司又成功研制了大口径宽角度液晶偏转器件,器件通光口径达到10 cm,偏转视场可达64°×64°[21]。此外,液晶相位调控器件用于全光开关在自激活激光防护方面也有着诱人的吸引力[22]

    可见,随着高功率激光技术的发展,液晶光学相位调制器在各类高功率激光装置中具有明确的应用需求。液晶相位调控器件的激光耐受能力是其在高功率激光装置中应用必须要考虑的问题。液晶相位调控器件由多层材料构成,除了受限于液晶相位调控器件组成材料自身抗激光损伤能力的限制,液晶相位调控器件在激光辐照下性能演化失效的机理问题也还缺乏系统性研究,这造成目前液晶相位调控器件的激光耐受力还难以满足高功率激光系统的发展需求和实际应用。本文结合液晶相位调控器件在高功率激光系统中的实际应用,归纳总结了液晶相位调控器件在高峰值功率以及高平均功率激光应用下的激光损伤问题及其抗激光损伤能力的途径。

    • 实际应用于高峰值功率激光系统的液晶相位调控器件,可以根据器件能否对光束参数进行动态实时调节分为主动型和被动型液晶相位调控器件两类[6,23]

    • 主动型液晶相位调控器件通常主要由透明导电层、取向层、液晶材料和玻璃基底构成,构成上述器件的单一材料的抗激光损伤能力为:透明导电层<取向层<液晶材料<玻璃基底[24]。实验表明主动型液晶相位调控器件在1 064 nm波段高峰值功率纳秒脉冲激光辐照下的抗激光损伤能力与透明导电层的抗激光损伤能力相当,仅在2~3 J/cm2(15 ns)[24],甚至数百mJ/cm2(10 ns)[25-26]。高峰值功率激光辐照下,透明导电膜吸收激光能量使得其附近的液晶材料受热产生气泡,近阈值激光能流辐照诱导的气泡会随后溶解,而随着辐照能量的升高,不可恢复的永久性气泡产生,最终造成液晶光学器件出现固定的可见损伤,形成残碳[24]。可见,主动型液晶相位调控器件在高峰值功率激光下的抗激光损伤能力主要受限于透明导电材料。对于常见的ITO(氧化铟锡)薄膜,降低膜层沉积温度、减少镀制厚度、选择高热扩散系数的基底、在表面沉积热扩散系数比较大的保护层等均可以进一步提升ITO薄膜的激光损伤阈值[27-29]。但目前主动型液晶相位调控器件在高峰值功率激光辐照下的损伤研究仍局限在表象和基本物理过程的规律性描述,或是单一材料抗激光损伤能力的研究,整体器件制备工艺优化的方向还不明确。加上液晶器件的制备工艺还主要是针对器件的光学性能,器件抗激光损伤能力的提升还需要在原有制备工艺基础进行大量的优化。有报道在传统的扭曲相列液晶中混合极性液晶,可以将主动型液晶相位调控器件的抗激光损伤能力从0.2 J/cm2提升到0.4 J/cm2(1 064 nm,10 ns),在此基础上通过增加透明导电层的方块电阻、利用高损伤阈值尼龙取向材料取代低损伤阈值聚酰亚胺(PI)取向材料、使用新的天鹅绒滚轮摩擦、提高液晶材料的纯度、控制液晶分子在0.22 μm、增加环境的洁净度等,主动型液晶相位调控器件的抗激光损伤能力可进一步提高到0.6 J/cm2[30]。需要指出的是,目前单一参数以及全参数优化对器件抗激光损伤能力的影响还未见深入系统的研究,尤其是关于单一改善透明导电材料对主动型液晶器件在高峰值功率激光下抗激光损伤能力的提升程度还未见相关实验报道。所以目前关于主动型液晶相位调控器件在高峰值功率激光辐照下的抗激光损伤潜力还不清楚。

      为了层析器件整体抗激光损伤能力与构成材料之间的物理关联,明确高激光耐受能力主动型液晶器件制备工艺的优化方向,课题组对比分析了透明导电层和取向层的高峰值功率激光(1064 nm,10 ns)损伤特性[31]。参考主动型液晶相位调控器件的结构,实验中将制备液晶相位调控器件最常用的ITO透明导电材料镀制玻璃基底,再将常用的聚酰亚胺(PI)取向材料旋涂于ITO薄膜上。

      研究发现ITO薄膜的典型损伤形貌如图1图2所示。在近阈值能流辐照下,损伤表现为熔融、蒸发,损伤中心ITO材料完全蒸发,玻璃基底裸露出来,基底没有破坏。在损伤的外围可以看到熔融的凸起(图1(b),凸起周围出现了裂纹(图1(c)),未损伤区的ITO薄膜不存在裂纹(图1(d))。辐照能流略高,仅是ITO薄膜被大片蒸发,基底未出现破坏,如图2(a)所示。图2(b)的深度测试结果表明破坏深度在25 nm左右,与ITO薄膜的厚度相同,ITO薄膜已经被完全移除。

      图  1  阈值附近ITO的典型损伤形貌,其中(b),(c)(d)分别对应(a)中1,2,3所示的方框位置

      Figure 1.  Typical damage morphology of ITO/glass at a lower fluence (near the LIDT). (b), (c), and (d) show local magnified views of micro-areas outlined by the rectangles 1, 2, and 3 in (a), respectively

      图  2  ITO薄膜在100%损伤几率能流下的典型损伤形貌及损伤深度

      Figure 2.  Typical damage morphology and depth profile of the ITO/glass sample at a higher fluence (near 100% damage probability)

      高峰值功率激光辐照下,PI/ITO薄膜的典型损伤形貌如图3所示,激光辐照过程中损伤表现内部熔融凸起,辐照过后凸起冷却,能量的进一步升高导致内部熔融突破表面的束缚,凸起破裂。

      图  3  PI/ITO薄膜的典型损伤形貌

      Figure 3.  Typical damage morphologies of the PI/ITO/glass sample

      ITO和PI薄膜的损伤主要归因于ITO薄膜的强吸收。基于热传导的温度场模拟结果表明近阈值附近,ITO薄膜的温度在瞬时上升到上千度如图4(a),达到ITO薄膜的融化温度,甚至汽化温度,这与ITO薄膜的融化、蒸发现象相吻合。底层ITO的温度高于表层PI的温度如图4(b)所示,所以底层的ITO薄膜首先受热融化、蒸发,表层的PI随着底层ITO体积的膨胀而发生塑性形变,出现如图3所示的损伤。同一激光能流辐照下,PI/ITO薄膜的温升较ITO薄膜温升高,这主要是与PI的热导率比较低、ITO薄膜产生的热扩散不出去有关。

      图  4  高峰值功率激光辐照下,ITO和PI薄膜的温度场分布

      Figure 4.  Temperature distribution of the irradiated center in the samples. The dashed lines represent the vaporization temperature of the ITO film

      ITO薄膜和PI薄膜的损伤特性及温度场分析结果意味着液晶相位调控器件在高峰值功率激光作用下,ITO层吸收的热来不及扩散,ITO层会瞬时吸收产生上千度的温升并汽化,首先破坏。所以,优化透明导电膜材料是制备高峰值功率激光用的主动型液晶相位调控器件首先需要考虑的关键因素。

    • 被动型液晶器件主要包括取向层、液晶层及玻璃基板,研究表明其抗激光损伤能力主要受限于取向层[32]。应用于美国OMEGA高峰值功率激光装置中的基于尼龙6/6材料取向层的100 mm口径液晶偏振片长期安全工作在3~5 J/cm2(1 053 nm,1 ns)能流密度辐照下[6]。国内上海光学精密机械研究所基于偶氮苯(azobenzene)光控取向材料研制的二元液晶面板的损伤阈值达15 J/cm2(1 064 nm,10 ns)[33]。随着取向膜材料及其制备工艺的不断深入研究和优化,研究人员已经成功解决了被动型液晶器件在脉冲高功率激光系统长时间安全应用的问题。通过紫外光照射而形成的光控香豆素(coumarin)取向层的抗激光损伤能力可达60 J/cm2(1 053 nm,1 ns),基于香豆素光控取向材料所研制的被动型液晶光学器件的激光损伤阈值已经达到30 J/cm2(1 053 nm,1 ns)[34]

    • 应用于高平均功率激光的液晶相位调控器件通常是带有导电层的主动型液晶器件。由于高峰值功率激光作用时间非常短,所以高峰值功率激光作用下液晶相位调控器件的激光耐受力研究主要是关于高峰值激光辐照过后在线CCD下可以观测的宏观损伤,还未见高峰值功率激光辐照过程中对器件瞬时相位调控性能的影响报道。而高平均功率激光作用是一个长时间缓慢的升温过程,激光辐照对器件相位性能的影响比较容易探测,所以大部分是关于液晶相位调控器件在高平均功率激光辐照下相位调制性能退化的研究。

    • 当入射光偏振方向介于液晶分子的长轴和短轴之间,如果液晶相位调控器件的相位调制特性发生变化,经过器件的出射光偏振态会发生改变,所以液晶相位调控器件在高平均功率激光加载条件下的相位调制特性变化常用起偏检偏的方法进行测量,基本工作原理如图5所示。通常氦氖(He-Ne)探测光经过起偏器产生偏振方向相对于液晶分子光轴45°的偏振光,偏振光入射到液晶相位调控器件上高平功率激光辐照的位置,出射后的He-Ne探测光再通过检偏器检偏,最后通过透射光的强度来反演激光加载条件液晶相位调控器件相位调制特性的变化。

      图  5  高平均功率激光辐照下,液晶光学器件相位特性变化的检测原理图[35]

      Figure 5.  Schematic diagram of measuring phase modulation of the liquid crystal device induced by the high-average-power laser[35]

      中国科学院长春光学精密机械与物理研究所报道了未加电状态下的液晶相位调控器件在808 nm高平均连续激光辐照下的性能退化研究[35]。当辐照激光平均功率密度低于133 W/cm2时,通过检偏器后的出射光强度没有变化,显微镜下液晶材料表现为均匀的明亮状态;当辐照激光平均功率密度大于133 W/cm2,检偏器后的出射光强度开始发生变化,辐照区域出现明显的亮暗交替区域;当辐照激光平均功率密度从325 W/cm2下降到133 W/cm2以下时,材料又恢复为均匀的明亮状态,如图6所示。

      图  6  连续激光辐照功率141W/cm-2 下降到133 W/cm-2的过程中,偏光显微镜下观察到器件内部液晶材状态的变化[35]

      Figure 6.  Morphologies observed by the polarized light microscope for decrease in the laser power density from 141W/cm2 to 133W/cm2

      美国空军实验室研究了实际加电工作状态下的液晶相位调控器件在1 083 nm高平均功率连续激光辐照下的相位调控能力变化规律[36]。实验表明当辐照激光功率密度低于102 W/cm2时(其中入射光斑高斯直径为5 mm,10 W的入射功率对应102 W/cm2的辐照功率密度),通过检偏器的透射光的强度随输入电压(像素)的变化与未辐照时基本一致,液晶器件的相位调控能力器件基本不受影响;在辐照激光功率逐渐升高至~1 000 W/cm2的过程中,相同电压加载情况下通过检偏的透射光强度发生变化,液晶器件的相位调控深度随辐照激光功率密度升高而降低,如图7所示。当激光关闭或者降低辐照激光功率到102 W/cm2以下时,液晶器件的相位调制特性又可逐渐恢复。

      图  7  不同功率密度激光辐照液晶器件的过程中,通过检偏器的He-Ne透射光强度随液晶器件加载电压的变化[36]

      Figure 7.  Transmitted He-Ne light intensity after the analyzer varies with voltage apllied on the liquid crystal device when the liquid crystal device is irridiated by different laser power densities [36]

      英国利物浦大学报道了1 064 nm,10 ps皮秒准连续激光(10 kHz~2 MHz)辐照下,液晶器件在实际加电状态的相位调制特性变化[37]。研究表明液晶相位调控器件的温度随着辐照激光功率的增加而上升,仅管当入射激光功率为220 W时,红外热像仪测量的器件温度上升仅为5 ℃,但实际测量发现超过130 W激光辐照时,经过检偏器后的出射激光强度已经开始发生变化,器件的相位调制深度开始小于2π。

      由上可见,高平均功率激光加载下液晶相位调控器件相位调控特性的变化规律基本不随辐照激光波长、脉宽、重复频率变化,表现为相位调制深度的降低,在一定范围高平均功率激光辐照下,相位调制特性可以恢复。

    • 为了明确液晶相位调控器件在高平均功率激光辐照下的性能退化机理与构成材料之间的关联,课题组对ITO和PI薄膜在高平均功率下的激光损伤特性进行了分析[38-39]。实际研究中发现3.1节报道的导致液晶器件性能退化的激光功率密度远未达到ITO和PI薄膜的激光损伤阈值。对于PI/ITO薄膜来说,初始损伤均表现为鼓包;随着辐照功率的增加,鼓包高度增加;损伤的横向直径远大于纵向高度;近阈值附近的损伤高度在~25 nm,最大损伤高度在~200 nm;近阈值附近的损伤直径在~200 μm,最大损伤直径在~1 mm。SEM下无法识别样品表面的鼓包,这意味着膜层没有出现熔融蒸发等现象,膜层表面也没有出现破裂等突变性结构。通过去除表面膜层,对比相应区域的基底损伤,发现相应区域的基底并未出现损伤,这说明凸起是在膜层内,损伤仅与膜层有关。

      图  8  不同功率密度激光辐照下的损伤形貌

      Figure 8.  Damage morphologies induced by different power densities

      高平均功率激光辐照下PI/ITO薄膜表面的凸起与PI/ITO薄膜的低温升有关。PI/ITO薄膜的温度场模拟结果表明辐照中心的最高温度仅在百K量级,这会诱导一定程度的热应力,从而造成PI/ITO薄膜表面的的几十纳米的凸起。从图9所示近阈值功率辐照下,PI/ITO薄膜纵向温度随时间变化的模拟结果可以看出高平均功率激光辐照下,PI/ITO薄膜在30 s内辐照温升达到稳定,整个膜层是主要吸收热源,基底是主要热传导源。这与表面凸起主要局限在膜层内,不涉及基底的实验现象相吻合。这同时也意味着不同于高峰值功率激光条件下,液晶器件在高平均功率激光作用下,ITO层吸热温升缓慢,热量传导后器件内温度梯度小,由于常用液晶材料的清亮点温度通常比较低(~100 ℃)[35,40],所以液晶分子会首先失效。

      图  9  3000 W/cm2 激光辐照下,30 s内ITO/PI样品的纵向温度变化

      Figure 9.  Vertical temperature distribution in first 30 s under 3000 W/cm2 laser irradiation

      高平均功率激光辐照下,液晶相位调控器件的整体温升较低,但是关于这个低温升对器件相位调控性能的具体影响机制大家认识还不统一。线偏振光经过反射型液晶纯相位调控器件的相位变化可以表示为[37,41]

      $\phi = \left( {4{{\text{π}}}/\lambda } \right)\Delta nL = \left( {4{{\text{π}}}/\lambda } \right)\left( {{n_{\rm{e}}}\left( \theta \right) - {n_0}} \right) = \left( {4{{\text{π}}}/\lambda } \right)\left( {\frac{{{n_0}{n_{\rm{e}}}}}{{\sqrt {n_{_0}^2{{\cos }^2}\theta + n_{\rm{e}}^{\rm{2}}{{\sin }^2}\theta } }} - {n_0}} \right)$

      (1)

      式中:$\lambda $是入射激光波长;$L$是液晶材料的厚度;$\Delta n$是液晶分子的双折射率,与液晶分子长轴折射率$n_{\rm{e}}$、短轴折射率$n_0$以及液晶分子转动角度$\theta $有关。可以看出,液晶器件的相位调制特性主要与液晶材料的折射率、转动角度、液晶盒厚度这三个因素影响。

      电子科技大学建立了连续激光辐照下液晶器件的相位调制模型[40,42],认为温度影响了液晶分子的折射率以及转动角度。该课题组首先利用有限元建模分析激光辐照下器件的温度场分布,然后结合液晶分子折射率、倾斜角度与温度的关系,获得不同温度下液晶分子的折射率、倾斜角。其中,液晶分子长轴和短轴方向的折射率与温度的关系可以通过vuks理论获得

      ${n_0}\left( T \right) = A - BT + \frac{{{{\left( {\Delta n} \right)}_0}}}{3}{\left( {1-\frac{T}{{{T_{\rm{c}}}}}} \right)^\beta }$

      (2)

      ${n_{\rm{e}}}\left( T \right) = A - BT + \frac{{2{{\left( {\Delta n} \right)}_0}}}{3}{\left( {1-\frac{T}{{{T_{\rm{c}}}}}} \right)^\beta }$

      (3)

      式中:${(\Delta n)_0}$是温度为0 K时液晶分子对应的双折射率;${T_{\rm{c}}}$是液晶分子清亮点的温度;AB$\beta $是与液晶材料有关的常量,可以通过拟合液晶双折射率与温度的依赖关系获得[43]

      液晶分子倾斜角与温度之间的依赖公式如下

      $ - {\varepsilon _0}\Delta \varepsilon \left( T \right)E\sin \theta \cos \theta - \left\{ {{K_{33}}(T) - {K_{11}}(T)} \right\}\sin \theta \cos \theta \left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial z}}} \right) - \left\{ {{K_{11}}(T){{\cos }^2}\theta + {K_{33}}(T){{\sin }^2}\theta } \right\}\left( {\frac{{{\partial ^2}\theta }}{{\partial {z^2}}}} \right) = 0 $

      (4)

      式中:${\varepsilon _0}$是真空介电常量;液晶材料的介电各项异性$\Delta \varepsilon (T)$;弹性系数${K_{ii}}(T)$均受温度影响,影响关系如下

      $\Delta \varepsilon (T) = {\left( {\Delta \varepsilon } \right)_0}{\left( {1 - \frac{T}{{{T_{\rm{c}}}}}} \right)^\beta }$

      (5)

      ${K_{ii}}(T) = {\left( {{K_{ii}}} \right)_0}{\left( {1 - \frac{T}{{{T_{\rm{c}}}}}} \right)^{2\beta }}$

      (6)

      模拟表明对于整体吸收率为5%,带有冷却流速为0.01 m/s高效散射系统的硅基板反射式液晶光学器件,在140 W/cm2激光功率入射下,激光诱导的相位畸变不到0.06,中心的最大温升不超过1 K[40]。。

      英国利物浦大学通过对比分析对高平均功率激光辐照下液晶相位调控器件的温度测试以及相位调制特性的测试结果和模拟结果,研究了液晶分子折射率和液晶盒厚度变化对液晶相位调制特性的影响,认为高平均功率激光辐照下液晶器件相位调制的变化主要是由于器件受热厚度发生了变化[42]。液晶双折射率随温度的变化可以由下面的经验公式获得[44]

      $\Delta n = \Delta {n_0}{\left( {1 - T/{T_{\rm{c}}}} \right)^\beta }$

      (7)

      $T = 293\;{\rm{K}}$(20 ℃),${T_{\rm{c}}} = 333{\rm{K}}$(60 ℃),$\Delta n = 0.30$$\beta = 0.19$的条件下,可以计算$\Delta {n_0} = 0.45$,所以当升温5 ℃时,根据公式(1)计算的相位变化仅为$-0.06{\rm{\pi }}$。液晶双折射率随温度的变化引起的光束相位变化非常小,因此作者指出导致液晶器件相位调制性能变化的主要因素不是液晶折射率随温度的变化,而是液晶器件受热后的厚度变化。考虑激光辐照在器件表面温度分布,作者将高平均功率激光辐照引起液晶相位调控器件厚度的变化假设为三个同心圆。依据上述厚度模型模拟的通过检偏后的探测光归一化透过率与实际测量结果具有比较好的一致性,如图10所示。

      图  10  通过检偏后的探测光归一化透过率模拟结果和实测结果[37]

      Figure 10.  Simulation and measurement results of the normalized ransmitted power of the probe laser after the analyzer[37]

      美国空军实验室认为高平均功率激光辐照下,液晶相位调控器件相位调控性能的变化是由于器件边缘隔离垫和密封胶的热胀冷缩造成的[36]。当温度升高时,液晶不如隔离垫和密封胶膨胀的多。膨胀过程中,隔离垫和密封胶将玻璃推离硅基背板,液晶的体积不足以填充背板和玻璃基板之间的体积,空气从密封胶线上任何未密封的空隙进入填充剩下的体积。随后,冷却使隔离垫和密封胶收缩,使得玻璃基板更靠近背板,这个过程挤出一些空气,同时也会将空气前面的液晶材料排出。

      尽管目前对高平均功率激光辐照导致的温度对液晶器件相位调控性能的具体影响机制还不明确,但是要提高高平均功率激光用液晶器件的激光耐受力必须降低器件的温升,主要可以从减少激光能量吸收、增加辅助散热、提高器件的热扩散等方面去考虑[11, 45-46]。电子科技大学从器件整体吸收率、热沉积结构、冷却流速、基底材料四个方面分析了激光加载对液晶光学器件相位调制性能的影响,认为冷却流速和热沉积结构是降低器件温升,提升入射激光功率的两个最重要的因素,并建议采用热传导系数较高的硅基板取代背板玻璃。该课题组研制的以ITO材料为导电层,PI材料为取向层,带有风冷和水冷散热系统的石英基反射式液晶光学器件在1 064 nm连续激光辐照下能够耐受功率达272 W/cm2,此时液晶层温度仅仅上升10 ℃左右[45]。有报道采用低吸收导电层材料,带有水冷散射系统的硅基板反射式液晶光学器件在1.55μm,400 W/cm2连续激光辐照1 min没有出现损伤[46]

    • 液晶相位调控器件在高峰值功率激光应用下,ITO层会瞬时吸收激光能量产生上千度的温升并汽化,冲破PI层的束缚,形成器质性损伤;液晶相位调控器件在高平均功率激光应用下,ITO层吸热温升缓慢,热量传导后器件内温度梯度较小,但由于液晶材料的清亮点比较低,液晶分子会首先失效。高峰值功率激光用液晶相位调控器件制备工艺的优化应首先考虑降低透明导电层的吸收;高平均功率激光用液晶相位调控器件制备工艺的优化除了需要降低透明导电层的吸收外,增加辅助散射以及采用热扩散率较大的基底也是非常有效的优化手段。上述分析总结对应用于高功率激光系统中液晶相位调控器件的设计、制备以及实际应用提供了重要的指导。

      致谢 感谢中国科学院上海光学精密机械研究所黄大杰高级工程师和中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所高妍琦副研究员给予的指导和帮助。

参考文献 (46)

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