液晶空间光调制器相位调制特性研究-课件

液晶空间光调制器(LC-SLM)相位调制特性偏振器件的琼斯矩阵液晶的光学特性液晶空间光调制器对光的调制特性1234光的偏振一光的偏振自然光和偏振光1.

自然光

由于光源发光是由大量原子发光组成,每个原子发光的电矢量和磁矢量的振动方向都是随机的,

和

在各方向的振动都存在;感光作用决定于电矢量(光矢量).一束自然光可以等效为:光振动方向相互垂直的、等振幅的、互不相干的、光强度各占一半的两束光。自然光的等效自然光的图示法：自然光自然光的等效一光的偏振2.

线偏振光

只在某一方向有光振动的光，称为线偏振光。E播传方向振动面·面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyExyx

线偏振光的表示法：光振动垂直画面光振动平行画面3、圆偏光、椭圆偏光一光的偏振右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光y

yx

z传播方向

/2xE0某时刻右旋圆偏振光随Z的变化任何一种偏振光，都可以用两个振动方向互相垂直，相位有关联的线偏振光来表示。二偏振器件的琼斯矩阵1.偏振光的琼斯矩阵表示法1941年琼斯利用一个列矩阵表示电矢量的x、y分量这个矩阵通常称为琼斯矢量。这种描述偏振光的方法是一种确定光波偏振态的简便方法。例如,x方向振动的线偏振光、y方向振动的线偏振光、45度方向振动的线偏振光、振动方向与x

轴成θ角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的标准归一化琼斯矢量形式分别为：2.

琼斯矩阵表示法考虑到光强，有时将琼斯矢量的每一个分量除以，得到标准的归一化琼斯矢量。

利用琼斯矢量可以很方便地计算偏振光

Ei

通过几个偏振元件后的偏振态：式中，为表示光学元件偏振特性的琼斯矩阵。二偏振器件的琼斯矩阵三液晶的光学特性1.液晶各向异性的描述平行(//)方向：沿分子长轴方向，指液晶分子集合体的平均长轴方向。垂直(┴)方向：沿液晶分子集合体的平均短轴方向。指向矢(n)方向：在向列液晶中长轴的平均方向也可以看作该液晶的指向矢方向。沿分子长轴平行方向的物理量，均称为平行方向物理量，而与分子长轴垂直的物理量称为垂直方向物理量。各向异性的大小和方向用它们的代数和表示。如介电各向异性可表示为：若

，则为正介电各向异性；若 ，则为负介电各向异性。三液晶的光学特性2.向列相液晶的双折射特性和光学性质向列相液晶中双折射率的表达

向列相液晶中，o光与e光折射率与分子长轴偶极矩方向的垂直/平行折射率的关系：

向列相液晶分子长轴指向矢方向是其光轴。且有ne=n//,no=n⊥，n//>n⊥。所以折射率各向异性为正。因此，向列相液晶为光学正性单轴晶体。nne=n//no=n┴光轴向列液晶(光学正液晶)四.液晶空间光调制器对光的调制特性

液晶空间光调制器(LC-SLM)即以液晶为介质，利用液晶对光的特定效应实现对光调制的器件。液晶空间光调制器一般由独立的像素单元组成矩阵阵列，矩阵的每个像素单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变空间光调制器介质本身相应的光电参数(透过率、折射率等)从而达到对入射到其单元上的光学参数(振幅、位相、偏振态等)进行调制的目的。常用的液晶空间光调制器：1.液晶光阀(光寻址液晶空间光调制器)2.铁电液晶空间光调制器3.液晶微显示面板(电寻址液晶空间光调制器)基于薄膜晶体管(TFT)技术的透射式液晶空间光调制器和基于硅基液晶(LCoS)技术的反射式液晶空间光调制器。透射式LC-SLM像素结构示意图成品率高开口率低基于LCOS的反射式SLM像素结构示意图开口率高像素小有较好的位相调制特性液晶微显示面板全息显示、干涉测量、波面整形四.液晶空间光调制器对光的调制特性液晶对光的调制原理

介于完全规则状态与不规则状态之间的中间态，由棒状或盘状分子组成的部分有序物质。一方面具有液体的流动性另一方面又呈现出晶体固有的各向异性，包括介电、磁极化、折射率等。电场、磁场作用下各向异性会发生变化。电场----分子排列状态变化----液晶的光学性质变化（实现对光的调制）液晶的光电效应：扭曲效应（扭曲向列相液晶TN+偏振片）----光振幅调制电控双折射（向列相液晶N）----纯位相调制动态散射宾主效应相变效应四.液晶空间光调制器对光的调制特性<1>扭曲向列相液晶TN振幅调制原理---控制液晶盒的透射率两块导电玻璃基板中间充入具有正介电各向异性的向列液晶(Np液晶)，液晶分子沿面排列，但分子长轴在上下基片之间连续扭曲90°，形成扭曲(TN)排列的液晶盒。若在液晶盒上加一个电压超过阈值Vth后，Np型液晶分子长轴开始沿电场倾斜，当电压达到2Vth时，除电极表面分子外，所有液晶盒两电极之间的液晶分子均变成沿电场方向排列。此时，TN型液晶的90°旋光性能消失。<2>扭曲向列相液晶TN位相调制原理---伴随振幅调制液晶的有效双折射率：ne

(θ)为液晶有效双折射率，为θ的函数；ne

为液晶的异常折射率，no为液晶的寻常折射率，ne

和no均由液晶本身决定；θ是液晶分子指向矢和电场方向的夹角。对于光学正性液晶：ne>no当施加不同的电压时液晶的分子长轴和电场之间会有不同的夹角。通过液晶有效双折射率变化来改变光通过液晶时的光程，达到相位调制的目的，位相的调制量为：液晶本身性质决定了它的最大异常折射率，所加电压不同，对应不同的调制量。<3>向列相液晶N调制原理---电控双折射效应向列相液晶：单轴晶体，分子长轴为其光轴，光学正晶，ne>no以Nn型为例（电场与分子长轴垂直时，体系能量最小）液晶分子排列的初始模式（无电场）液晶分子转θ角后的排列方向（加电场）在oxz平面内,A点的坐标为(

xA,zA),设椭圆的短半轴长为n⊥(垂直分子长轴方向振动的光折射率）,长半轴为n//

(沿分子长轴方向振动的光折射率）,有：设长轴oz为液晶分子长轴（光轴）方向，研究时选择入射面与折射面重合，即液晶分子在纸面内进行旋转。<4>反射式空间光调制器位相调制模型4.1液晶对不同偏振态入射光的调制液晶分子转θ角后的排列方向向列相液晶对不同偏振光的调制液晶介质对光的调制与光的偏振态有关，需考虑入射光偏振状态。以一个像素空间内的液晶为例，将偏振态都可以分解为两种正交状态的偏振光分量：一种分量偏振光垂直纸面（用⊥表示），另一种偏振光平行于纸面（用//表示）。1.垂直纸面偏振态分量的折射率变化

在液晶指向矢旋转过程中，垂直于纸面偏振光始终垂直面oxz，液晶对该偏振分量折射率是OB所代表的折射率，其长度在液晶分子旋转过程中始终保持不变，因此液晶分子的转动对该分量折射率不起调制作用，不能实现相位调制。该分量光为o光。当给液晶盒加电场时，该分量方向的光折射率不变，不能实现相位调制，在全息图再现时成为背景光（噪声），一般采用偏振片将其滤掉。2.平行纸面偏振态分量的折射率变化

针对平行于纸面偏振的入射光，如图OA在纸面内。随着液晶指向矢的变化，OA的长度也发生变化，即为e光，其折射率可用下式计算：结论：平行于纸面偏振分量光为e光，可实现相位调制，实验中可加一偏振片对其他偏振态的光进行过滤，如下图所示。4.2正入射情况下调制分析

由以上结论可知：若要实现纯相位调制，需选择入射光的特定偏振状态。液晶盒的琼斯矩阵：其中：Φ为液晶盒的扭曲角度，这里为0，λ为入射波长，Δn=n//-n⊥，dL为液晶盒的厚度。液晶盒与偏振片（透光轴沿x轴）的琼斯矩阵分别为：两个分量的偏振光通过液晶盒和偏振片后：Ex光的最大调制分量：结论：1）整个过程没有光强衰减2）实现了对光相位调制应用于