液晶偏振光栅是一种基于几何相位的衍射光学元件,具有体积小、重量轻、可编程控制等特点,在激光雷达、空间光通信、自动驾驶等领域有着广泛的应用,其通过电控方式改变液晶的取向,从而调控入射光的相位与偏振态,实现非机械式光束偏转,克服了传统机械式光束偏转系统体积大、功耗高、控制系统复杂的缺点。然而,单片液晶偏振光栅只能偏转三个角度,为实现多角度与大视场的光束偏转,需要将多片液晶偏振光栅级联使用。但是级联技术会导致光束倾斜入射到后面的液晶偏振光栅,此外,在实际工程应用中,系统装调不匹配会造成入射光倾斜入射到级联系统,这两种情况都会造成液晶偏振光栅工作电压改变与衍射效率下降。因此,本文开展了液晶偏振光栅斜入射下光束偏转技术的研究。论文主要工作如下:研究了液晶偏振光栅光束偏转机理与衍射特性,首先探究了液晶的各向异性和连续弹性体形变理论,明晰了光的偏振及其表示方法;然后从制备原理出发,研究了液晶偏振光栅的基本结构,探索了液晶偏振光栅的光束偏转机理;最后研究了液晶偏振光栅的电光特性,结合琼斯矩阵推导出垂直入射下液晶偏振光栅相位延迟量与衍射效率的关系,分析了垂直入射下液晶偏振光栅的衍射特性,为斜入射下液晶偏振光栅光束偏转技术研究提供理论支撑。研究了斜入射下液晶偏振光栅光束偏转特性,分析了液晶盒厚度、双折射率和菲涅尔损耗对液晶偏振光栅衍射效率的影响,提出了一种液晶偏振光栅斜入射下衍射效率分析方法。该方法在液晶连续体弹性形变理论基础上,采用差分迭代法求解了驱动电压与液晶分子倾斜角的关系,推导了不同斜入射角度下液晶偏振光栅的相位延迟量,利用扩展琼斯矩阵表征了不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率,结合矢量衍射理论,得到了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的数学表达式。搭建斜入射下液晶偏振光栅衍射效率测试实验平台,对所提方法进行了验证。结果表明:通过该方法可定量求解出不同斜入射角度下液晶偏振光栅最优衍射效率与最优工作电压。开展了级联式液晶偏振光栅设计与斜入射下系统性能研究,探索了二进制、二进制和值及类二进制级联方案,对三种方案的液晶器件个数、系统透过率、最大偏转角进行了对比分析,设计了基于类二进制的光束偏转系统,实现了最大偏转角度为10.05°,角度分辨率为0.67°的光束偏转;研发了级联系统的多路可编程驱动器与控制软件,提出了一种级联液晶偏振光栅斜入射下光束偏转特性分析方法,利用该方法分析了入射光束倾斜与级联系统内部的斜入射对系统衍射效率和工作电压的影响。通过实验对两种斜入射情况进行了验证。结果表明:当光束垂直入射时,由于级联内部结构造成的斜入射,导致级联系统在不同偏转角度下,出射光束的衍射效率也不相同,并且随着光束偏转角度的增大,液晶偏振光栅的工作电压逐渐增加,在光束偏转10.05°时,系统斜入射角度为4.69°,工作电压增加了0.1V,通过修正工作电压衍射效率提高了3%;当光束倾斜10°入射到级联系统时,工作电压变化了0.2V,系统衍射效率降低了17.4%,通过修正工作电压衍射效率提高了5%。