基于正交取向法的多衍射模式液晶光栅及其在3D显示与光通信中的应用

针对传统平行取向液晶(LC)光栅衍射模式单一、精度不足的问题，研究人员提出一种基于正交取向技术的多衍射模式LC光栅。通过设计双层电极结构，实现了横向、纵向一维及二维衍射的动态切换，实验表明其工作电压低至4.0 V且衍射精度显著提升，为3D显示、宽视角全息和光通信系统提供了革新性解决方案。

　　

液晶光栅技术近年来在3D显示和光学通信领域展现出巨大潜力，但传统平行取向液晶光栅存在衍射模式单一、精度受限等瓶颈。衍射效率低、驱动电压高、制造工艺复杂等问题制约了其实际应用。例如，聚合物稳定蓝相液晶(PS-BPLC)光栅需高压驱动，而双周期光栅的电极设计增加了工艺难度。这些挑战促使研究者探索更高效、灵活的光栅设计方案。

中国的研究团队在《Displays》发表论文，提出了一种基于正交取向法的多衍射模式液晶光栅。该结构创新性地采用双层交叉电极设计：顶部和底部玻璃基板分别设置宽度为10 μm的像素电极与公共电极，间隙为10 μm，液晶层厚度为10 μm。通过TechWiz LCD 3D和MATLAB仿真结合实验验证，使用E7-LC材料(λ=550 nm)证实了三种衍射模式的可行性。

Device structure and principle
研究通过正交排列的液晶分子层与双层交错电极，实现了电场方向的多维调控。顶部电极通电产生横向一维衍射，底部电极激发纵向一维衍射，双电极协同作用则形成二维衍射。这种设计突破了传统平行取向的对称性限制，使相位调制更精确。

Simulation results and discussion
仿真显示，正交取向结构在相同电压下衍射效率提升约20%，且二维衍射模式的光斑均匀性显著优于平行取向。关键参数如电极宽度与间隙比(w/l=1:1)被证实为优化衍射精度的黄金比例。

Experimental results and discussion
实验制备的器件在4.0 V低电压下即实现全功能驱动，偏振显微镜观测到清晰的焦线分布。衍射测试显示，一维模式衍射角可达±15°，二维模式形成4×4点阵，效率达78%，较传统结构提高32%。

Conclusion
该研究成功开发出首例正交取向多模式LC光栅，其创新点在于：1) 通过电极正交排布实现三维电场调控；2) 衍射精度较平行取向提升40%；3) 单器件兼容三种衍射模式。这项技术为下一代裸眼3D显示、动态全息投影和光路由系统提供了核心器件支持，特别是其低电压特性对便携设备具有重要价值。研究获得国家重点研发计划(2023YFB3611500)和国家自然科学基金(62105012)支持，相关技术已申请专利保护。