液晶空间光调制器相位调制的色散特性研究

对比测试

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摘要：提出用椭偏仪法测试了自制液晶空间光调制器（LCSLM）的相位调制色散特性．椭偏仪法具有光路简单单，结果准确，测试自动化等优点，相比单色光源干涉仪测量方法更加简单实用．结果表明，在短波长（450nm）处，LCSIM的相位调制能力为1．54λ（λ=450nm）．在长波长（800nm）处,LCSLM的相位调制能力为0．70λ（λ=800nm），与理论分析的色散特性基本一致．
关键词：液晶；空间光调制器；色散；椭偏仪
中图分类号：0753；TP217文献标识码：A文章编号：10044213（2007）0610653

0引言
在不同波长和电压作用下，液晶空间光调制器具有不同的相位值．这种色散特性可以应用在色散补偿，白光波前校正，光通信等许多领域，具有十分广泛的应用前景．目前，对液晶色散特性的研究主要是对液晶双折射△n和光强的研究，但没有考虑到施加电压后的相位色散特性．大多数相位都是通过干涉仪进行测量，所以相位都是在单波长下测得的．干涉测量光路复杂，测试手段麻烦，而且对于色散相位测量需要通过引入分光仪产生单色光源，再对不同波长下的单色光源分别测量．本文提出用光谱型椭偏仪测量法进行测量，该方法具有光路简单，结果准确，测试自动化等优点．利用光谱型椭偏仪实现了液晶光调制器在450nm到800nm波长范围内的相位测量．

1液晶空间光调制器光电特性的理论计算
根据液晶连续弹性体理论，电场作用下液晶的Gibbs自由能可表示为[7]

式中K11,K22,K33分别是液晶分子的展曲弹性常量、扭曲弹性常量和弯曲弹性常量n（x,y,z）是液晶分子的指向矢，D、E分别是电位移矢量和电场强度矢量．对于平行排列液晶的Gibbs自由能公式可以写为[8]

式中εο是真空介电常量，分别是垂直和平行方向的介电常量，z轴是液晶层的法线方向，D是轴方向的电位移矢量，d为液晶层厚度，θ是液晶分子的倾角．由式（2）可得沿z轴方向上某一位置与该位置液晶倾角的关系为角，通过两边界层的边界条件解方程（3）可知给定电压下液晶和内部分子倾角的分布．根据各向异性介质的折射率椭球公式2实验过程
光谱型椭偏仪是一种专门测试薄膜厚度和折射率的器件，通过特殊光路的搭建，它可用于测量透射式液晶空间光调制器的相位，而且可以进行多波长测量．实验中使用的空间光调制器是经过特殊加工的．将640×480的TFT一彩色液晶屏去掉彩膜和前后偏振片，前后两基板摩擦方向互相平行，再注入油墨公司生产的RDP一92975型向列相液晶，制作成盒厚为5μm的平行排列液晶空间光调制器．实验使用的是法国JY公司生产的UVISELSPME型椭偏仪．它由氙灯光源、起偏器、光弹调制器、检偏器、分光光谱仪、光电探测计算机和信息获取与控制计算机组成．进行液晶空间光调制器的相位测量时，如图1水平放置起偏器，光弹调制器，检偏器，将液晶空间光调制器放在起偏器与光弹调制器之间．起偏器的偏振方向与x轴成45度，液晶空间光调制器的液晶排列方向与x轴成0度，检偏器的偏振方向与x轴成0度．这样由氙灯发出的光经起偏器产生线偏振光，在x轴和y轴上有EX,EY两个分量，垂直入射到液晶空间光调制器产生轴方向和Y轴方向的光程分别为，是液晶空间光调制器的驱动电压．由于光弹调制器可以检测出轴方向和Y轴方向的光延迟．所以液晶空间光调制器的相位一电压关系为光谱型椭偏仪可以测量不同波长下的光延迟，这样就可以测量液晶空间光调制器在不同波长下的相位一电压关系．

3模拟计算与实验结果的比较
实验中选取450nm～800nm波段进行测量，光源谱（450nm～800nm）的分辨率为10nm，即
每个实验点之间的间隔只有10nm．实验上采用日本油墨公司的RDP一92975型向列相液晶，其参量为

有限，只能测出不同波长下的An（A）值．又因为不同波长下△n（λ）。值相差很小，所以这里假设压，2．5V中值电压，3．5V饱和电压下指向矢倾角与空间位置关系如图2．

图2液晶指向矢在外加电压作用下倾角与空间位置的关系
Fig．2ThetiltanglealongthenormalofLCcellasafunctionofatdifferentappliedvoltagessimulatedbycomputer

图中z为液晶层的不同深度，d为液晶盒的厚度，z/d即为液晶层的空间位置关系．再由图2．倾角与空间位置关系和no（λ）,ne（λ）模拟计算出在不同电压下相位与波长之间的关系如图3中的实线所示，相应的实验值在图中以实心方块表示．

图3液晶空间光调制器在不同电压下，相位与波长之间的关系
Fig．3Thephaseasafunctionofwavelengthatdifferentappliedvoltages

从图3可以看出，在不同电压下色散特性的模拟计算结果与实验值符合得较好．至于实验值与计算值的偏离除了实验误差等因素外，与ne（λ）,no（λ）,的准确性也有关系．从上述计算结果来看，本文的相位波长关系的模拟计算提供了比较可靠的液晶色散特性．

从图3中还可以看出，在短波长450nm处，LCSLM的相位调制能力强，有1．54λ（λ=450nm）．随着波长的逐渐变大，LCSLM的相位调制能力逐渐变小，在长波长800nm下，LCSLM的相位调制能力只有0．70λ（λ=800nm），相应地LCSLM的调制准确度也随之变小．由此可以得知，在大范围相位调制的要求下，可以选取短波长光源进行相位调[5]制．而在高准确度相位调制的要求下，就应选取长波长光源来进行相位调制．

4结论
本文研究了自制平行排列透射式液晶空间光调制器的相位色散特性，理论仿真计算了它的相位调制，并用实验进行了验证，两者基本吻合．介绍了利用光谱型椭偏仪测量色散特性的方法，能够大幅度
降低色散相位测量的难度，为空问光调制器的相位补偿提供了有效的测试手段．

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TheInvestigationofPhaseDispersiveCharacteristicsAboutPhaseonly
LiquidCrystalSpatialLightModulator
LIDayu～，MUQuanquan～，HULifa，CAOZhaoliang～，LUXinghal，XUANLi
（1StateKeyLaboratoryofAppliedOptics，ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，
ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China）
（2GraduateUniversity0_，theChineseAcademyofSciences，Bei极ng100039，China）
Receiveddate：20060322
Abstract：Themeasurementsofphasedispersionscharacte“sticsofliquidcrystalspatiallightmodulatorby
ellipsometeraredescribed．Itwasfoundthatdispersionsphaseofliquidcrystalis1．092at1．5Vthreshold
voltageand0．242at3．5Vsaturationvoltagein450nm～800nmwaveband．Theoryondispersions
characteristicswasanalysedandfoundtohaveagreementwithexperimentalresult．
Keywords：Liquidcrystal；Spatiallightmodulator；Dispersive；Ellipsometer
LIDayureceivedhisB．S．degreeinElectronicsfromJilinUniversityin2002．Currently，he
isworkingforthePh．D．degreeinStateKeyLaboratoryofAppliedOpticsinCIOMP，
ChineseAcademyofSciences．HisresearchinterestsincludeLCdeviceanditsoptical
application．

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2004-09-06