LBTEK 棋盘光栅——技术说明

一、概述

LBTEK 棋盘光栅（Checkerboard  Grating，CG）是一种由相同大小液晶像素交替偏转构成的二维0-pi相位光栅元件，其主要利用光配相技术在玻璃基底表面制作0-pi相位交替排列的液晶聚合物薄膜，并通过精确控制液晶聚合物薄膜的厚度来操控o光和e光的光程差为工作波长的半整数倍（即λ/2延迟量），从而来实现其分束功能。

棋盘光栅主要用于实现光斑2×2均匀分束，与级联光栅的三片式结构相比，棋盘光栅单片即可实现2×2分束，更易于集成。由于棋盘光栅具有二维分束、低零级占比、高均匀度等优点，常被应用于微表面形貌测量、波前检测技术等方面。

二、产品外观结构

LBTEK棋盘光栅基于液晶聚合物双折射材料和N-BK7玻璃基底制成，呈现为典型的“前后玻璃衬底+中间LCP功能膜层”的三明治结构，无机械外壳，一侧带有切边，用于标识分束方向。

图1 棋盘光栅产品外观结构图

• 达曼光栅元件尺寸为Ø25.4×3.2 mm，裸片，未安装机械外壳；
• 一侧带有切边，切边宽度1.5 mm，切边方向与方形通光孔径的一边平行，用于标注光斑分束方向。

三、光学特性

1. 棋盘光栅具有棋盘型的相位结构，相邻像素格之间的相位差为π，可对激光进行相位调制，实现光束2×2分束；

图2 棋盘光栅相位结构及分束示意图

• 注：图中元件中心的结构图为偏光显微镜下实拍图，实际的液晶分子快轴角度分布为0-90 °，会呈现出明显的亮-暗分布；而在偏光显微镜下观察时，由于元件镀膜延迟量为λ/2，经过元件的线偏光角度会相对快轴偏转2倍的角度，所以我们实际观测到的是0-180 °，亮暗颜色就比较接近。

2. 由于棋盘光栅特殊的二值化对称性结构，导致其对于微小结构误差非常敏感。当结构随机偏差在5 μm量级时，衍射图样上的相邻光斑之间会存在一定的连线现象；

图3 棋盘光栅连线仿真及实测示意图

3. LBTEK棋盘光栅可以做到接近理论仿真的衍射效率（理论一级衍射效率为65.6 %，实际一级衍射效率大于60 %），且其一级衍射分布之间无连线现象。

图4 棋盘光栅光束质量分析仪实测效果图（衍射效率61.8 %,均匀度98.25 %）

四、参数说明

1. 衍射效率和分束均匀度

下图为测量线偏振光正入射至棋盘光栅的衍射光斑能量的光路图，其衍射光斑能量主要集中在衍射正负一级，强度分布较为均匀（不均匀性<5%），零级光斑衍射能量占比小于千分之一。基于这一测试光路对棋盘光栅衍射效率和分束均匀度作出如下定义：

图5 棋盘光栅测试光路图

• 衍射效率\( \eta \) ：定义为±1级衍射光斑的能量总和与透过棋盘光栅总光强的比值。

\( \eta=\frac{\sum_{i=1}^4I_i}{I_0}\times100\% \)

• 分束均匀度\( uni \) ：不均匀度定义为±1级衍射光斑中最大能量光斑和最小能量光斑的差值与这两个光斑能量总和的比值，则均匀度=1-不均匀度。

\( uni=1-\frac{max\{I_1,I_2,I_3,I_4\}-min\{I_1,I_2,I_3,I_4\}}{max\{I_1,I_2,I_3,I_4\}+min\{I_1,I_2,I_3,I_4\}}\times100\% \)

• 零级能量占比\( \eta_0 \) ：定义为零级衍射光斑能量与透过棋盘光栅总光强的比值。

\( \eta_0=\frac{I_5}{I_0}\times100\% \)

2. 损伤阈值

基于LCP材料的短波强吸收特性，棋盘光栅的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。经实测，LBTEK 棋盘光栅的损伤阈值参考值为：

• 2 J/cm^2@532 nm，10ns，10Hz；
• 10 J/cm^2@1064 nm，10ns，10Hz。

LBTEK 棋盘光栅——应用案例

1. 剪切干涉法检测波前

在光学系统光束传输过程中，容易因光学元件质量造成波前畸变，从而影响光束传输质量及成像系统成像质量，因此波前检测对于光学元件质量至关重要。目前，由于棋盘光栅可二维分束、低零级占比、高均匀度等优点，基于棋盘光栅的波前检测技术受到广泛关注，如图为对光学元件透射波前检测光路示意图。经过被测透镜后的会聚光束被棋盘光栅分束成2×2光束，再通过对应的2×2小孔光阑过滤掉零级及高阶衍射的影响，然后经过成像透镜使4束光互相发生干涉，最终在观察屏上得到四波横向剪切干涉图。

图1 基于棋盘光栅的剪切干涉法检测光路图

LBTEK 棋盘光栅——定制能力

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