液晶空間光調(diào)制器相位調(diào)制特性研究-課件

液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)相位調(diào)制特性偏振器件的瓊斯矩陣液晶的光學(xué)特性液晶空間光調(diào)制器對光的調(diào)制特性1234光的偏振一光的偏振自然光和偏振光1.

自然光

由于光源發(fā)光是由大量原子發(fā)光組成,每個原子發(fā)光的電矢量和磁矢量的振動方向都是隨機(jī)的,

和

在各方向的振動都存在;感光作用決定于電矢量(光矢量).一束自然光可以等效為:光振動方向相互垂直的、等振幅的、互不相干的、光強(qiáng)度各占一半的兩束光。自然光的等效自然光的圖示法：自然光自然光的等效一光的偏振2.

線偏振光

只在某一方向有光振動的光，稱為線偏振光。E播傳方向振動面·面對光的傳播方向看線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解EEyExyx

線偏振光的表示法：光振動垂直畫面光振動平行畫面3、圓偏光、橢圓偏光一光的偏振右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光y

yx

z傳播方向

/2xE0某時刻右旋圓偏振光隨Z的變化任何一種偏振光，都可以用兩個振動方向互相垂直，相位有關(guān)聯(lián)的線偏振光來表示。二偏振器件的瓊斯矩陣1.偏振光的瓊斯矩陣表示法1941年瓊斯利用一個列矩陣表示電矢量的x、y分量這個矩陣通常稱為瓊斯矢量。這種描述偏振光的方法是一種確定光波偏振態(tài)的簡便方法。例如,x方向振動的線偏振光、y方向振動的線偏振光、45度方向振動的線偏振光、振動方向與x

軸成θ角的線偏振光、左旋圓偏振光、右旋圓偏振光的標(biāo)準(zhǔn)歸一化瓊斯矢量形式分別為：2.

瓊斯矩陣表示法考慮到光強(qiáng)，有時將瓊斯矢量的每一個分量除以，得到標(biāo)準(zhǔn)的歸一化瓊斯矢量。

利用瓊斯矢量可以很方便地計算偏振光

Ei

通過幾個偏振元件后的偏振態(tài)：式中，為表示光學(xué)元件偏振特性的瓊斯矩陣。二偏振器件的瓊斯矩陣三液晶的光學(xué)特性1.液晶各向異性的描述平行(//)方向：沿分子長軸方向，指液晶分子集合體的平均長軸方向。垂直(┴)方向：沿液晶分子集合體的平均短軸方向。指向矢(n)方向：在向列液晶中長軸的平均方向也可以看作該液晶的指向矢方向。沿分子長軸平行方向的物理量，均稱為平行方向物理量，而與分子長軸垂直的物理量稱為垂直方向物理量。各向異性的大小和方向用它們的代數(shù)和表示。如介電各向異性可表示為：若

，則為正介電各向異性；若 ，則為負(fù)介電各向異性。三液晶的光學(xué)特性2.向列相液晶的雙折射特性和光學(xué)性質(zhì)向列相液晶中雙折射率的表達(dá)

向列相液晶中，o光與e光折射率與分子長軸偶極矩方向的垂直/平行折射率的關(guān)系：

向列相液晶分子長軸指向矢方向是其光軸。且有ne=n//,no=n⊥，n//>n⊥。所以折射率各向異性為正。因此，向列相液晶為光學(xué)正性單軸晶體。nne=n//no=n┴光軸向列液晶(光學(xué)正液晶)四.液晶空間光調(diào)制器對光的調(diào)制特性

液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)即以液晶為介質(zhì)，利用液晶對光的特定效應(yīng)實現(xiàn)對光調(diào)制的器件。液晶空間光調(diào)制器一般由獨(dú)立的像素單元組成矩陣陣列，矩陣的每個像素單元都可以獨(dú)立地接受光信號或電信號的控制，并按此信號改變空間光調(diào)制器介質(zhì)本身相應(yīng)的光電參數(shù)(透過率、折射率等)從而達(dá)到對入射到其單元上的光學(xué)參數(shù)(振幅、位相、偏振態(tài)等)進(jìn)行調(diào)制的目的。常用的液晶空間光調(diào)制器：1.液晶光閥(光尋址液晶空間光調(diào)制器)2.鐵電液晶空間光調(diào)制器3.液晶微顯示面板(電尋址液晶空間光調(diào)制器)基于薄膜晶體管(TFT)技術(shù)的透射式液晶空間光調(diào)制器和基于硅基液晶(LCoS)技術(shù)的反射式液晶空間光調(diào)制器。透射式LC-SLM像素結(jié)構(gòu)示意圖成品率高開口率低基于LCOS的反射式SLM像素結(jié)構(gòu)示意圖開口率高像素小有較好的位相調(diào)制特性液晶微顯示面板全息顯示、干涉測量、波面整形四.液晶空間光調(diào)制器對光的調(diào)制特性液晶對光的調(diào)制原理

介于完全規(guī)則狀態(tài)與不規(guī)則狀態(tài)之間的中間態(tài)，由棒狀或盤狀分子組成的部分有序物質(zhì)。一方面具有液體的流動性另一方面又呈現(xiàn)出晶體固有的各向異性，包括介電、磁極化、折射率等。電場、磁場作用下各向異性會發(fā)生變化。電場----分子排列狀態(tài)變化----液晶的光學(xué)性質(zhì)變化（實現(xiàn)對光的調(diào)制）液晶的光電效應(yīng)：扭曲效應(yīng)（扭曲向列相液晶TN+偏振片）----光振幅調(diào)制電控雙折射（向列相液晶N）----純位相調(diào)制動態(tài)散射賓主效應(yīng)相變效應(yīng)四.液晶空間光調(diào)制器對光的調(diào)制特性<1>扭曲向列相液晶TN振幅調(diào)制原理---控制液晶盒的透射率兩塊導(dǎo)電玻璃基板中間充入具有正介電各向異性的向列液晶(Np液晶)，液晶分子沿面排列，但分子長軸在上下基片之間連續(xù)扭曲90°，形成扭曲(TN)排列的液晶盒。若在液晶盒上加一個電壓超過閾值Vth后，Np型液晶分子長軸開始沿電場傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到2Vth時，除電極表面分子外，所有液晶盒兩電極之間的液晶分子均變成沿電場方向排列。此時，TN型液晶的90°旋光性能消失。<2>扭曲向列相液晶TN位相調(diào)制原理---伴隨振幅調(diào)制液晶的有效雙折射率：ne

(θ)為液晶有效雙折射率，為θ的函數(shù)；ne

為液晶的異常折射率，no為液晶的尋常折射率，ne

和no均由液晶本身決定；θ是液晶分子指向矢和電場方向的夾角。對于光學(xué)正性液晶：ne>no當(dāng)施加不同的電壓時液晶的分子長軸和電場之間會有不同的夾角。通過液晶有效雙折射率變化來改變光通過液晶時的光程，達(dá)到相位調(diào)制的目的，位相的調(diào)制量為：液晶本身性質(zhì)決定了它的最大異常折射率，所加電壓不同，對應(yīng)不同的調(diào)制量。<3>向列相液晶N調(diào)制原理---電控雙折射效應(yīng)向列相液晶：單軸晶體，分子長軸為其光軸，光學(xué)正晶，ne>no以Nn型為例（電場與分子長軸垂直時，體系能量最小）液晶分子排列的初始模式（無電場）液晶分子轉(zhuǎn)θ角后的排列方向（加電場）在oxz平面內(nèi),A點(diǎn)的坐標(biāo)為(

xA,zA),設(shè)橢圓的短半軸長為n⊥(垂直分子長軸方向振動的光折射率）,長半軸為n//

(沿分子長軸方向振動的光折射率）,有：設(shè)長軸oz為液晶分子長軸（光軸）方向，研究時選擇入射面與折射面重合，即液晶分子在紙面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。<4>反射式空間光調(diào)制器位相調(diào)制模型4.1液晶對不同偏振態(tài)入射光的調(diào)制液晶分子轉(zhuǎn)θ角后的排列方向向列相液晶對不同偏振光的調(diào)制液晶介質(zhì)對光的調(diào)制與光的偏振態(tài)有關(guān)，需考慮入射光偏振狀態(tài)。以一個像素空間內(nèi)的液晶為例，將偏振態(tài)都可以分解為兩種正交狀態(tài)的偏振光分量：一種分量偏振光垂直紙面（用⊥表示），另一種偏振光平行于紙面（用//表示）。1.垂直紙面偏振態(tài)分量的折射率變化

在液晶指向矢旋轉(zhuǎn)過程中，垂直于紙面偏振光始終垂直面oxz，液晶對該偏振分量折射率是OB所代表的折射率，其長度在液晶分子旋轉(zhuǎn)過程中始終保持不變，因此液晶分子的轉(zhuǎn)動對該分量折射率不起調(diào)制作用，不能實現(xiàn)相位調(diào)制。該分量光為o光。當(dāng)給液晶盒加電場時，該分量方向的光折射率不變，不能實現(xiàn)相位調(diào)制，在全息圖再現(xiàn)時成為背景光（噪聲），一般采用偏振片將其濾掉。2.平行紙面偏振態(tài)分量的折射率變化

針對平行于紙面偏振的入射光，如圖OA在紙面內(nèi)。隨著液晶指向矢的變化，OA的長度也發(fā)生變化，即為e光，其折射率可用下式計算：結(jié)論：平行于紙面偏振分量光為e光，可實現(xiàn)相位調(diào)制，實驗中可加一偏振片對其他偏振態(tài)的光進(jìn)行過濾，如下圖所示。4.2正入射情況下調(diào)制分析

由以上結(jié)論可知：若要實現(xiàn)純相位調(diào)制，需選擇入射光的特定偏振狀態(tài)。液晶盒的瓊斯矩陣：其中：Φ為液晶盒的扭曲角度，這里為0，λ為入射波長，Δn=n//-n⊥，dL為液晶盒的厚度。液晶盒與偏振片（透光軸沿x軸）的瓊斯矩陣分別為：兩個分量的偏振光通過液晶盒和偏振片后：Ex光的最大調(diào)制分量：結(jié)論：1）整個過程沒有光強(qiáng)衰減2）實現(xiàn)了對光相位調(diào)制應(yīng)用于