[发明专利]一种基于牛顿环干涉全息记录的电控菲涅尔透镜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件，特别涉及一种电场可控制光学衍射特性的全息聚合物分散液晶菲涅尔透镜制备方法。

背景技术

随着光学技术的发展，人们对光学元件的要求越来越高。电控镜头对于许多应用都是关键的组成部分，例如：光信号处理、图像处理、显示器和光电设备等。液晶，由于其独特的电光特性，是很好的候选的电控制切换设备，如液晶透镜和液晶光栅。作为电控光子设备，液晶的优势有：高的双折射，低工作电压，快速的响应时间，高可靠性等。各种电控的液晶镜头已经得到发展，其中，菲涅尔透镜由于其聚焦能力，使其成为更具有吸引力的器件。作为聚焦元件，与以往的透镜相比，菲涅尔透镜结构更紧凑，而且可以实现大口径的制作。菲涅尔透镜已被广泛应用于光子学、光学成像、长途通信和空间导航。

目前，基于液晶的电控透镜成为研究的热点。通常的做法是用图案化的电极，使用电子束光刻技术，通过刻蚀铟--锡氧化物（ITO）直接形成菲涅尔环带结构，在石英衬底上形成菲涅尔波带片。然而，这些制造方法相当复杂，因为需要一个高分辨率的光刻工艺和特殊的摩擦要求。这些技术所制作的菲涅尔波带片成本昂贵，耗时长，且要想得到不同焦距的波带片必须重新制作掩膜进行刻蚀，这一复杂的工艺过程极大地降低了科学研究中的实验效率，还有这些技术制作出来的菲涅尔波带片光学特性是固定不变的，在千变万化的科学实验中缺乏灵活性。

发明内容

本发明是针对现在菲涅尔透镜制备方法复杂，制作的菲涅尔波带片成本昂贵，耗时长的问题，提出一种基于全息记录牛顿环的电控菲涅尔透镜制备方法，制作工艺简单，且光学特性电场可控制，灵活性强。

本发明的技术方案为：一种基于全息记录牛顿环的电控菲涅尔透镜制备方法，包括如下具体步骤：

1）搭建制作聚合物分散液晶菲涅尔透镜光路：在同一轴线上依次搁置激光器、激光扩束器、半透半反镜、牛顿环干涉装置；

2）制备聚合物分散液晶盒：聚合物分散液晶盒从上到下包括上方玻璃基板、厚度控制垫片、下方玻璃基板，上方玻璃基板下表面和下方玻璃基板上表面分别镀有透明电极膜，两片镀有透明电极膜的玻璃基板电极向内，上下平行放置，上下两玻璃基板之间四周夹有厚度控制垫片，形成盒子，制作玻璃盒子时留有注入口，将掺了纳米银颗粒的聚合物分散液晶材料混合均匀后加热，通过注入口注入玻璃基板形成的盒子中，然后放入半透半反镜的反射区域，等待曝光；

3）激光器通电，发出的光经激光扩束器后透过半透半反镜进入牛顿环干涉装置，经牛顿环干涉装置中空气层上下表面反射后的光发生干涉，形成明暗相间的环状干涉条纹即牛顿环，该环状干涉条纹从牛顿环干涉装置发出经半透半反镜反射出去，对聚合物分散液晶盒进行曝光，曝光完毕即得到具有聚焦效果的聚合物分散液晶菲涅尔透镜；

所述步骤2）中厚度控制垫片厚度为17微米，聚合物分散液晶材料注入盒子中时保持室温为25℃～30℃，并遮光放置。

所述牛顿环干涉装置为一个曲率半径为R的平凸透镜通过三颗螺丝固定在支架上，放置在一块平板玻璃之上，平凸透镜的球面和平板玻璃相切于O点，在平凸透镜和平板玻璃之间形成一从切点到边缘厚度逐渐增加的空气薄层的装置，调整三颗螺丝在支架上的高度可控制空气薄层的厚度。当波长为                                                的单色光正入射到所述牛顿环干涉装置时，空气薄层处产生等厚干涉条纹，此条纹是以O为圆心的同心圆环，即为牛顿环，从牛顿环干涉装置的反射光中观察到的干涉条纹中心是暗环，从中心到边缘愈往外干涉级次愈高，环间距离越来越密集。第k级暗环的半径为：

若平凸透镜与平板玻璃不相切，即通过三颗螺丝调节平凸透镜的高度，但平凸透镜的平面与平板玻璃仍保持平行，若平凸透镜与平板玻璃的距离为d，相当于平板玻璃向下平移距离d，则空气层厚度均匀增加d,那么第k级暗环的半径为：

当改变平凸透镜和平板玻璃之间的空气薄层的厚度d，可以改变第一暗环的半径。

所述步骤3）所得聚合物分散液晶菲涅尔透镜的焦距，其中，是激光器工作光的波长,r₁是中心暗环的半径。