液晶空间光调制器

液晶空间光调制器第一页，共二十一页，编辑于2023年，星期三主要内容1SLM概述2液晶及液晶的两个光电特性3LCSLM的主要应用：液晶光阀第二页，共二十一页，编辑于2023年，星期三空间光调制器

1概念：空间光调制器(SpatialLightModulator---SLM)是一种对光波的空间分布进行调制的器件。一般地说，空间光调制器由许多独立单元组成，它们在空间上排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。

2SLM的分类

写入方式

调制方式第三页，共二十一页，编辑于2023年，星期三3SLM的结构特点：它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。①有物理边界②无物理边界③小单元可以独立改变自身光学特性第四页，共二十一页，编辑于2023年，星期三SLM的“三光”写入光/信号：控制像素的光信号或者电信号。读出光：照明整个器件并被调制的输入光。输出光：被像素单元调制后的出射光。第五页，共二十一页，编辑于2023年，星期三

5两种写入方式：

①电写入的SLM：代表待输入系统的信息的电信号直接驱动一个器件（空间光调制器），方式是控制其吸收或相移的空间分布。

②光写入的SLM：信息一开始是以光学图像的形式，而不是以电子形式输入到SLM，在这种情况下，SLM的功能是将非相干光图像转化成相干光图像，接着用相干光学系统做下一步的处理。

一种给定的SLM常常可能有以上两种不同的形式，一种适合于电寻址，一种适合于光寻址。第六页，共二十一页，编辑于2023年，星期三6什么是寻址（adressing）？写入光或写入信号应含有控制调制器各个像素的信息。把这些信息分别传送到相应像素位置上去的过程称为寻址。如果采用写入光实现，称为光寻址，采用写入电信号，称为电寻址。

第七页，共二十一页，编辑于2023年，星期三7SLM的具体功能：①输入器件电-光转换和串行-并行转换非相干光-相干光转换波长转换②处理和运算功能器件放大器乘法器与算数运算功能第八页，共二十一页，编辑于2023年，星期三第九页，共二十一页，编辑于2023年，星期三液晶

液晶是介于固体和液体之间的一种物质状态，是一种既具有液体的流动性和连续性，又具有晶体分子排列有序性的有机化合物，一般最常见的液晶为向列型液晶，分子形状为细长棒状，通常用沿分子长轴方向的单位矢量来描述液晶分子的排列状态。其特性是取向有序。在不同的电场电流作用下，液晶分子会做规则旋转排列，产生透光度的差别。第十页，共二十一页，编辑于2023年，星期三

液晶的各向异性：

由于液晶分子的细长结构，从而在形状，介电常数，折射率及电导率等方面具有各向异性的特点。当对这样的物质施加电场后，随着液晶分子轴的排列变化，其光电特性发生改变。液晶的分类按结构分：向列型近晶型胆甾型按形成方式分：热致液晶溶致夜间第十一页，共二十一页，编辑于2023年，星期三

向列相近晶相胆甾相第十二页，共二十一页，编辑于2023年，星期三向列相液晶的电控双折射效应

在麦克斯韦电磁场理论中，我们常用表示物质的极化状况，若用和分别表示液晶的指向矢平行和垂直时液晶的介电常数，则可以定义液晶的介电各向异性为：

沿着向列型晶体长轴方向传播的光波有一个最大的折射率，在垂直这个方向振动的光波有一个最小的折射率，由晶体的光学理论，长轴方向即为光轴方向。折射率的各向异性表示为，设偏振光平行于Z轴入射，且偏振方向与液晶分子长轴方向有一夹角，第十三页，共二十一页，编辑于2023年，星期三一个沿Z轴方向传播的电磁波可以表示为：入射光在X,Y,Z方向的电矢量可以表示为记，则两光场的相位差为则合成光场和由下式表示由此可知，出射光的偏振状态和各向异性有关，当施加电压后，液晶分子在电场的作用下被极化，使得液晶分子空间排列发生改变。最终导致液晶双折射率发生改变，各向异性也随之改变。下面给出外加电压及入射光与的关系，前面已经提到相位差是由各向异性造成的，而各向异性取决于寻常光和非寻常光之间的折射率差值，对非寻常光而言，折射率与光波入射角有关，但并不等于，它与的关系为

第十四页，共二十一页，编辑于2023年，星期三则各向异性表示为：施加电压后，相位差是外加电压的函数，可以表示为

从上式可以看出，通过改变电压就可以控制相位差，从此来控制输出光波的偏振状态，这种通过外加电场来控制液晶双折射率的效应就是液晶的电控双折射效应，这是液晶能够对光波进行调制的主要因素，我们设计的空间调制器也是基于液晶的这种性质第十五页，共二十一页，编辑于2023年，星期三向列型液晶的扭曲效应

液晶分子是夹在两片玻璃之间的，两片玻璃面向分子的一面都经过了预处理，有沟槽，使液晶分子顺着沟槽整齐排列，当上下两块玻璃没有施加电压时，液晶排列会依照两块配相膜而定，两配相膜角度差为液晶分子会自下而上旋转再通过检偏器。当两玻璃间加上电压时，液晶分子层的旋转角发生转动，导致偏振光与检偏器的夹角发生变化，从而使透射光收到幅度和相位调制。第十六页，共二十一页，编辑于2023年，星期三

液晶光阀

液晶光阀是一种比较成熟的SLM，在实时光学信息处理系统中可作为实时图像输入,转换，显示和记录的器件。是一种比较成熟的空间光调制器。具有广泛的应用前景。

优点：结构简单，工作电压小，造价低，性能好等。1液晶光阀的结构和工作原理：2液晶光阀用于光学图像实时相关：第十七页，共二十一页，编辑于2023年，星期三液晶光阀的结构和工作原理

液晶光阀具有多层膜结构，它由光导层和光阻层组成的光敏层和扭曲向列型液晶和介质反射镜的反射式光调制层组成，所有膜层都加在两透明电极之间。反射镜在这里的作用是：将写入光和读出光分开，这样就可以同时进行写入和读出。两定向层之间的向列型液晶分子呈45度扭曲。第十八页，共二十一页，编辑于2023年，星期三

液晶光阀是利用无电压时候向列型液晶扭曲效应和外加电压大于阈值时候的双折射效应来工作的。当无写入光照射时光导层呈高阻状态电压主要降落在光导层上。液晶上电压很小，不足以引起双折射效应，液晶显示扭曲效应。线偏振读出光两次经过液晶两次，偏振态没有改变。通过正交检偏器，呈现暗场。线偏振光经当有写入光照射时候光导层呈低阻状态。液晶上压降曾大，出现双折射效应。此时偏振读出光被液晶调制为椭圆偏