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(duì)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(gè)原子發(fā)光的電矢量和磁矢量的振動(dòng)方向都是隨機(jī)的,

和

在各方向的振動(dòng)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(dòng)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(shí)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(gè)振動(dòng)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(gè)列矩陣表示電矢量的x、y分量這個(gè)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(jiǎn)便方法。例如,x方向振動(dòng)的線偏振光、y方向振動(dòng)的線偏振光、45度方向振動(dòng)的線偏振光、振動(dòng)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(shí)將瓊斯矢量的每一個(gè)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(jì)算偏振光

Ei

通過幾個(gè)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.液晶定義一方面具有象液體一樣的流動(dòng)性和連續(xù)性，另一方面又具有象晶體一樣的各向異性的中間狀態(tài)的物質(zhì)。顯然，處于中間狀態(tài)的物質(zhì)仍保留著晶體的某些有序排列，只有這樣才會(huì)在宏觀上表現(xiàn)出物理性質(zhì)的各向異性。這樣的有序流體就是液晶。2.液晶分類（按分子排列方式）向列相液晶(nematic)近晶相液晶(smectic)膽甾相液晶(cholestevic)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(zhǎng)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(zhǎng)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)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(cè)量、波面整形四.液晶空間光調(diào)制器對(duì)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(zhǎng)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(gè)電壓超過閾值Vth后，Np型液晶分子長(zhǎng)軸開始沿電場(chǎng)傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到2Vth時(shí)，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(chǎng)方向排列。此時(shí)，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(chǎng)方向的夾角。對(duì)于光學(xué)正性液晶：ne>no當(dāng)施加不同的電壓時(shí)液晶的分子長(zhǎng)軸和電場(chǎng)之間會(huì)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(shí)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(duì)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：?jiǎn)屋S晶體，分子長(zhǎng)軸為其光軸，光學(xué)正晶，ne>no以Nn型為例（電場(chǎng)與分子長(zhǎng)軸垂直時(shí)，體系能量最小）液晶分子排列的初始模式（無電場(chǎng)）液晶分子轉(zhuǎn)θ角后的排列方向（加電場(chǎng)）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(zhǎng)為n⊥(垂直分子長(zhǎng)軸方向振動(dòng)的光折射率）,長(zhǎng)半軸為n//

(沿分子長(zhǎng)軸方向振動(dòng)的光折射率）,有：設(shè)長(zhǎng)軸oz為液晶分子長(zhǎng)軸（光軸）方向，研究時(shí)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(duì)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(duì)不同偏振光的調(diào)制液晶介質(zhì)對(duì)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(gè)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(duì)該偏振分量折射率是OB所代表的折射率，其長(zhǎng)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(dòng)對(duì)該分量折射率不起調(diào)制作用，不能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。該分量光為o光。當(dāng)給液晶盒加電場(chǎng)時(shí)，該分量方向的光折射率不變，不能實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，在全息圖再現(xiàn)時(shí)成為背景光（噪聲），一般采用偏振片將其濾掉。4.2正入射情況下調(diào)制分析

由以上結(jié)論可知：若要實(shí)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(zhǎng)，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(gè)分量的偏振光通過液晶盒和偏振片后：E