液晶偏振光栅是一种能够实现光束非机械式偏转的新型液晶器件,具有轻量化、小型化、低功耗等特性,广泛应用于激光雷达、空间光通信、扫描成像等领域。然而,单片液晶偏振光栅的扫描视场有限。为实现高分辨率与大视场的光束扫描,需要将多片液晶偏振光栅与液晶电控波片交替级联形成级联式液晶偏振光栅。但是光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中产生的斜入射现象,会使液晶电控波片出射的圆偏光发生退偏,导致液晶偏振光栅能量利用率下降,进而降低衍射效率。因此,为了实现高衍射效率的光束偏转,开展级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法研究,具有重要的理论和应用价值。论文主要研究内容如下:从液晶电光效应入手,分析了单片液晶偏振光栅的衍射特性和液晶电控波片的相位调制特性。采用二进制级联方案,设计了由四组液晶偏振光栅和液晶电控波片构成的级联系统,可实现扫描视场为±5°、角度分辨率为0.33°的光束偏转。分析了影响级联式液晶偏振光栅衍射效率的因素,结合扩展琼斯矩阵、斯托克斯参数、矢量衍射理论,构建了级联式液晶偏振光栅斜入射角度-退偏量-衍射效率的三维模型,推导了退偏量和液晶电控波片相位延迟的数学公式,为实现衍射效率优化提供了理论支撑。针对级联式液晶偏振光栅衍射效率低的问题,分析了基于免疫算法和Alopex算法的衍射效率优化方法,在级联系统不同偏转角度下,通过两种优化算法对衍射效率的优化效果进行仿真,结果表明,两种优化算法可以提升衍射效率,但易陷入局部最优。为了进一步提升级联式液晶偏振光栅的衍射效率,构建了斜入射下液晶电控波片相位延迟模型,利用液晶电控波片的相位调制特性,结合退偏量和液晶电控波片相位延迟的数学公式,提出了基于偏振补偿的衍射效率优化方法。该方法可以计算出级联系统出射光最优衍射效率对应的液晶电控波片工作电压,实现衍射效率的优化。结果表明,当级联式液晶偏振光栅偏转角度为1°时,应用偏振补偿法对级联系统衍射效率优化后,衍射效率从84.21%提高到91.75%,提升了7%;相较于免疫算法与Alopex,衍射效率分别提高了6%与4%。为实现级联式液晶偏振光栅高衍射效率的光束扫描,设计了基于偏振补偿法的级联式液晶偏振光栅控制软件总体方案。通过人机交互界面输入液晶电控波片工作电压,利用串口通讯模块给下位机发送电压指令,进而调制光束通过液晶电控波片的相位延迟,优化级联式液晶偏振光栅的衍射效率。运用扫描控制模块控制级联式液晶偏振光栅,实现了扫描视场为±5°、角度分辨率为0.33°的光束扫描,和电压优化前相比,衍射效率提升了4%以上,验证了本文所提方法在实际应用场景中的有效性。