高平均功率激光用电控液晶光栅器件性能失效的基础问题研究

Electro-controlled Liquid Crystal Grating Device (ELCGD), with the advantages of non-mechanical steering and low power cost, is an alternative for gimbaled mirrors to steer laser beam. It is a promising technique for laser radar, laser communication and electro-optical countermeasure. However, the low laser capacity hampers its applications because of insufficient understanding of the mechanisms for degradation of the devices under high power lasers. This projects will focus on the failure mechanisms of ELCGD under high average power laser radiation. In order to understand the carrier and principle driven by laser field and thermal field, we will try to analyze the whole physical process of absorption, response of materials and optical-phases-controlling by time-resolved . A new pump-probe technique based on two variable modulation frequencies has been proposed, which can measure the absorption (including thermal absorption and nonlinear absorption) and optical phase shift (including transient and steady phase shift) synchronously. This project will be helpful to optimize the ELCGD according to dynamic responses for high average power laser applications.

电控液晶光栅是实现光束转向技术的新型器件，具有非机械式扫描、低功耗等优势，有望替代传统机械调节光束转向，在激光雷达、激光通讯及光电对抗等领域具有重要的应用前景。然而，由于对器件在激光辐照下性能演化失效的机理问题缺乏系统性研究，器件激光负载能力不足，难以应用于高功率激光系统。本项目将研究电控液晶光栅器件在高平均功率激光辐照下的失效问题，通过建立材料吸收、响应以及器件对光场相位调控全过程的时域分辨研究，解析激光场和激光诱导温度场等物理场对器件性能影响的驱动载体和驱动机制，建立全过程的完整物理图像。创新提出结合变频的双调制频率激光泵浦-探测技术，巧妙实现吸收特性（光热线性吸收、非线性吸收）和附加相位特性（瞬态相移、稳态相移）的同步测量，掌握电控光栅器件应用的动态演化规律，为器件性能优化提供“精准”调控目标。

液晶器件由于具有空间分辨率高、可主动调控、快速响应以及非机械调制等优势，在诸多方面得到了广泛的应用和研究。受限于液晶材料自身吸收特性及双折射特性的限制，液晶器件还主要工作在可见和近红外波段，其中在聚变点火、光电对抗、激光雷达、激光通讯等领域的应用面临着近红外高功率激光辐照的现实。目前对液晶器件在激光辐照下性能演化及失效机理缺乏系统性研究。本项目针对液晶器件在不同激光参数辐照下的失效问题，厘清了液晶器件相位调制性能动态演化规律及机制，为器件性能优化提供了“精准”调控目标。研究发现液晶器件在高峰值功率激光应用下，透明导电层会瞬时吸收激光能量产生上千度温升并汽化，首先损伤；在高平均功率激光应用下，透明导电层吸热温升缓慢，热量传导后器件内温度梯度较小，液晶器件的相位调制曲线在会首先出现整体下移的现象，随后当温升达到液晶材料清亮点时，液晶分子会首先失效。热效应导致的温升是液晶器件在高平均功率激光加载下性能退化和失效的有效判定参数。对于被动液晶器件，热传导模型结合温度依赖的双折射率关系，可以有效预判器件在高平均功率激光加载下的相位退化；对于主动液晶器件，激光诱导的温升降低了液晶双折射率的同时，还增加了液晶分子的偏折角度，双折射率降低和偏折角度增大共同造成了液晶器件相位调制曲线的下移，这可以过绘制不同激光功率加载下LCD相位响应随电压的曲线来预配置，使主动液晶器件在更高激光功率下按照预定相位调制特性输出。上述研究对高功率激光系统中液晶器件的设计、制备以及实际应用提供了重要的指导。