扭曲向列型液晶空间光调制器偏振分光特性的实验测试
Experimental Test for Polarized Splitting Light Characteristic of Twisted Nematic Liquid-Crystal Spatial Light Modulator

作者: 王斌虎 , 徐永祥 , 白福忠 :内蒙古工业大学机械学院,内蒙古 呼和浩特;

关键词: 扭曲向列型液晶空间光调制器(TN-LCSLM)晶体双折射偏振分光特性测试Twisted Nematic Liquid-Crystal Spatial Light Modulator (TN-LCSLM) Crystal Birefringence Polarized Splitting Light Characteristic Test

摘要:
实验测试了线偏振光入射至扭曲向列型液晶空间光调制器(TN-LCSLM)后,输出光强与TN-LCSLM前后放置的两个偏振片旋转角度间的关系。结合理论分析验证了扭曲角为90˚的TN-LCSLM在零灰度图像驱动下的偏振分光特性与强度合成原理。研究结果为深入认识TN-LCSLM的调制特性提供新的研究思路。

Abstract: When a linearly polarized light is incident to a twisted nematic liquid-crystal spatial light modu-lator (TN-LCSLM), the relationships of output intensity and rotating angles of two polarizers placed in front and behind of it are tested experimentally. Cooperated with theoretical analysis, it confirms the principle of polarized splitting light and composed intensity of TN-LCSLM with twisted angle of 90° under zero gray image unloaded. The studied conclusion can provide new idea for clearly understanding the TN-LCSLM’S modulation characteristic.

1. 引言

液晶空间光调制器(liquid-crystal spatial light modulator,简称LCSLM)能够将信息通过控制驱动信号加载于二维的光学场上,从而改变入射光波的相位、振幅、偏振等光学信息。LCSLM具有空间分辨率高、响应速度快、可编程性、实时性强等优点,受到国内外学者和工程技术人员的青睐,在空间激光通信、多目标跟踪指向与制导、激光加工、光学信息处理、激光惯性核聚变、微光光学等领域有着重要的应用 [1] [2] 。

LCSLM按照控制信号不同可分为光寻址和电寻址两类;根据其调制对象的不同可分为振幅型、相位型、复合型;按照光输出方式分为反射式和透射式两种;按照液晶内部分子排列可分为扭曲相列型(Twisted Nematic LCSLM,简称TN-LCSLM)和零扭曲相列型(Zero Twisted Nematic LCSLM,简称ZTN-LCSLM)。TN-LCSLM也属于向列型液晶空间光调制器,不加电压时内部液晶分子从前表面到后表面呈递进扭曲,总扭曲角一般为90˚。TN-LCSLM具有旋光作用,可以对入射光束振幅、相位和偏振进行调制,是当代处理光学信息的重要器件。

针对TN-LCSLM的输出特性、时间特性以及空间特性的测试已有许多研究,例如针对相位调制深度、相位以及振幅调制特性的测试已经提出众多测试方法,包括马赫增德尔干涉法 [3] 、双缝干涉法 [4] 、共路干涉法等 [5] [6] [7] 。在上述针对TN-LCSLM特性测试实验或者是将其用于其它应用光学系统时,均需在TN-LCSLM的前后面分别增加一个偏振片,进而考虑第二偏振片后输出光的特性。而对于两个偏振片之间、尤其是入射光进入TN-LCSLM后以及由TN-LCSLM后表面出射后,这一阶段光束的变化情况以及相关理论分析很少有过研究。事实上,有关ZTN-LCSLM在该研究方向的探讨却比较深入,例如将其作为共光路偏振分束装置 [8] [9] 或用来产生特定的偏振光 [10] [11] ,进一步可将其应用于共光路干涉仪、光开关 [12] 等。

工程技术中,在共光路下实现光束的分离有着重要的用途,分束以后实现能量、波前相位、光束方向的可控性,对空间光调制器性能的提升有着很大的影响。基于这一特性,可以将这种LCSLM用于实现双折射透镜 [13] 、二元分光元件 [14] [15] 、共光路偏振移相器 [16] 、以及用于可调对比度干涉仪中,等等。

本文借助ZTN-LCSLM偏振分光的研究思路,以晶体双折射原理出发,重点利用实验的方法来讨论TN-LCSLM的偏振分光特性。TN-LCSLM价格相对较低,响应速度较快,针对其偏振分光特性进行研究,可以进一步扩大其应用领域。同时,还可以帮助我们进一步深入认识TN-LCSLM的自身特性。

2. 理论分析

2.1. 液晶双折射原理

TN-LCSLM液晶分子结构排列模型如图1所示。根据晶体的双折射效应 [17] [18] [19] ,线偏振光束

Figure 1. Molecular structure model of TN-LCSLM

图1. TN-LCSLM分子结构模型

沿z方向在液晶中传播时,由于液晶分子在其长轴和短轴上对光束折射率不同(沿分子长轴的折射率为ne、垂直于分子长轴的折射率为no),从而发生双折射现象。将分解成振动方向相互垂直、传播速度不等的线偏振光(即o光和e光)。o光为寻常光,服从折射定律;e光为非寻常光,不服从折射定律。

TN-LCSLM液晶分子的排列从前表面至后表面逐层递进发生扭曲,每一层上所有液晶分子的扭曲角相等。当液晶前后表面不施加电场时,液晶分子自然扭曲;当所加电场超过阈值电压后,液晶分子沿电场方向发生偏转。液晶片厚度为d,入射光波长为λ,o光和e光之间的相位差可表示为:

δ = 2 π λ | n o n e | d (1)

当外加电场变化时,ne将随之变化,从而产生不同的相位延迟δ。

图2所示液晶分子双折射示意图是根据液晶分子长轴和短轴所建立坐标系,假设长轴与短轴分别沿x轴与y轴方向;P为起偏器,其偏振方向与液晶分子长轴方向呈45˚。一束振动方向与液晶分子呈45˚角的线偏振光束沿z轴方向垂直入射至液晶分子层时,出射光将可分解为两束线偏振光,由此产生双折射现象。两束光的振幅相等、振动方向垂直。振动方向与液晶分子长轴平行的称为e光,相垂直的称为o光,二者的复振幅分别用Ex和Ey表示。

2.2. 光学实验结构

用于测试TN-LCSLM偏振分光特性的光学结构示意图如图3所示。实验中被测对象为大恒公司GCI-770102型透射式液晶空间光调制器,其扭曲角为90˚,我们在前面的工作中已经进行了测试 [20] 。为了便于理论分析和说明,我们将液晶前后表面分子长轴方向分别定义在x和y轴方向。在TN-LCSLM的前后两侧分别放置两个偏振片P1和P2,P1的偏振方向与x轴的夹角为θ1;P2的偏振方向与y轴的夹角为θ2。定义:迎着光的传播方向(z轴)看,P1、P2沿逆时针方向旋转时,θ1和θ2为正。

偏振片P1与TN-LCSLM前表面、以及偏振片P2与后表面之间的几何矢量图如图4所示,图中Ee和Eo分别表示e光与o光的复振幅分量。

2.3. 偏振分光与强度合成原理

根据图4所示几何矢量关系,当偏振方向与TN-LCSLM前表面液晶分子长轴方向呈θ1的一束线偏振光(振幅为A)入射至液晶后,在x和y轴上的复振幅分量为:

Figure 2. Liquid crystal molecular birefraction sketch

图2. 液晶分子双折射示意图

Figure 3. Optical configuration of experimental test

图3. 实验测试光路简图

(a) (b)

Figure 4. Geometric vector diagram between polarizer P1 and input face of TN-LCSLM (a); polarizer P2 and output face (b)

图4. 偏振片P1与TN-LCSLM前表面(a)、P2与后表面(b)之间的几何矢量图

E x = A cos θ 1 E y = A sin θ 1 (2)

与前表面液晶分子长轴相平行的分量为e光(Ex),另一束相垂直的光为o光(Ey)。二者穿过液晶层时,由于前后表面扭曲角的影响,根据图3图4,有如下假设:

e光由x轴方向旋转至y轴方向(后表面液晶长轴方向),并将引入相位调制δ,即

E y = A cos θ 1 e i δ (3)

o光由y轴方向旋转至x轴方向,复振幅不发生变化,即

E x = A sin θ 1 (4)

二者再经过偏振片P2后,分解到P2偏振方向的分量分别为

E y = A cos θ 1 cos θ 2 e i δ E x = A sin θ 1 sin θ 2 (5)

合成光强为:

I = | E x + E y | 2 = A 2 cos 2 ( θ 1 θ 2 ) A 2 sin 2 θ 1 sin 2 θ 2 sin 2 ( δ / 2 ) (6)

实验中为液晶加载零灰度图像从而产生零相位差,即δ = 0。

如果θ1 = 45˚,即偏振片P1的偏振方向与TN-LCSLM前表面液晶分子长轴方向夹角为p/4,式(6)可以写成:

I = A 2 cos 2 ( π 4 θ 2 ) (7)

上式表示当偏振片P1处于θ1 = 45˚位置时,出射光强与偏振片P2旋转角度之间的关系。

如果θ2 = 0˚或90˚,即偏振片P2与后表面液晶分子长轴方向之间的夹角等于0或p/2,式(6)可以写成:

I = A 2 cos 2 θ 1 , θ 2 = 0 (8)

I = A 2 cos 2 ( θ 1 π 2 ) , θ 2 = 90 (9)

上式表示当偏振片P2处于0˚和90˚位置时,出射光强与偏振片P1旋转角度之间的关系。

假设入射光的振幅A = 1,根据公式(7)至(9),仿真得到出射光强I与角度θ21 = 45˚)、与角度θ12 = 0˚或90˚)之间的关系曲线,分别如图5(a)、图5(b)所示。

3. 实验及结果分析

实验中使用波长为632.8 nm的He-Ne激光作为入射光,经扩束准直形成1.5 × 1.5 cm2的方形孔径平行光束,入射至图3所示实验系统;使用8位CCD相机记录光强信息。

根据文献 [20] 提出的方法测量出该TN-LCSLM(大恒公司GCI-770102型)的扭曲角为90˚;同时得到TN-LCSLM前后两个表面液晶分子长轴方向,将它们的位置分别作为偏振片P1和P2的零度位置。

然后为TN-LCSLM加载零灰度图像,分别旋转P1和P2完成以下两个实验,由此验证实验结果与理论分析的相符程度。

3.1. 偏振片P2旋转角度对出射光强的影响

将偏振片P1旋转至θ1 = 45˚的位置,然后旋转P2、使θ2从0˚至210˚、以10˚为步长进行变化;共记录22帧光强图像,经过平均处理后作为光强数据。图6显示了出射强度与θ2之间的关系曲线。

对比图6实验结果与图5(a)仿真结果可以发现,两曲线非常相近,而且实验测试曲线接近余弦变化规律;当θ2等于45˚时,出射光强达到最小值;当θ2等于135˚时,出射光强达到最大值;而在0˚、90˚、180˚位置时,出射光强近似等于最大光强的一半。

由此说明,当θ1 = 45˚时,LCSLM将入射线偏振光分解为两束振幅相等的正交线偏振光;进一步当θ2 = 45˚和135˚时,o光和e光分别发生干涉相消和干涉相长,从而使出射光强达到最小和最大值。

3.2. 偏振片P1旋转角度对出射光强的影响

将偏振片P2旋转至θ2 = 0˚的位置,相当于出射光中仅包含e光分量。然后旋转P1、使θ1从−40˚至

(a) (b)

Figure 5. Simulated curves of the relation between the exiting intensity and θ2 and θ1 respectively

图5. 出射光强与θ2和θ1之间的仿真关系曲线

Figure 6. Experimental result of exiting intensity vs. θ2 under θ1 = 45˚

图6. θ1 = 45˚时出射光强与θ2之间的实验测试结果

140˚、以10˚为步长进行变化;共记录18个光强数据。另外,将偏振片P2旋转至θ2 = 90˚的位置,相当于出射光中仅包含o光分量,重复上述实验过程。两次测试得到的实验结果如图7所示。

对比图7实验结果与图5(b)仿真结果可以发现:

1) 实验结果近似符合余弦曲线规律,并且变化趋势与仿真结果相近。

2) 当θ2 = 0˚时,偏振片P2的振动方向与e光振动方向平行,因此出射光中仅包含e光分量。此时出射强度的变化是由于旋转P1引起入射光在液晶分子长轴方向上的分量的变化而造成。当θ1接近0˚时,入射线偏振光的振动方向与液晶分子长轴方向平行,进入液晶的e光分量达到最大值,因此出射光强也达到最大值。

同理,当θ2 = 90˚时,出射光中仅包含o光分量,此时强度变化是由于旋转P1引起入射光在垂直液晶分子长轴方向上的分量的变化而造成。

3) 当P1处于θ1 = −45˚、45˚和135˚这几个位置时,o光和e光的强度相等;这说明,此时线偏振光入射至液晶后产生两个振幅相等的偏振分量。进一步地,上述角度之间相差90˚、包括图7中两条曲线相

Figure 7. Experimental result of exiting intensity vs. θ1

图7. 出射光强与θ1之间的实验测试结果

差半个周期(90˚),说明两个偏振分量的振动方向相差π/2、即为正交偏振。

4. 结论

论文首先从理论角度分析了TN-LCSLM的分光特性与出射光强的变化规律。然后通过两个实验测试了出射光强与前后两个偏振旋转角度之间的关系,实验测试结果与理论分析吻合较好。由此说明了TN-LCSLM具有与ZTN-LCSLM器件类似的偏振分光特性。如果入射至液晶的线偏振光的振动方向与TN-LCSLM前表面液晶分子长轴方向既不平行也不垂直时,即θ1不等于0˚或90˚时,将产生两个分别与液晶分子长轴方向平行和垂直的近似线偏振的偏振分量;如果θ1等于45˚时,这两个偏振分量拥有相等的振幅。论文的研究结果可以对TN-LCSLM的深入认识、特性测试以及工程应用提供新的思路与指导。本文讨论的内容是在为TN-LCSLM加载零灰度图像情况下完成,进一步关于TN-LCSLM的调制特性与驱动灰度间的关系在后面的工作进行研究。

基金项目

国家自然科学基金(51765054),内蒙古自治区自然科学基金(2016MS0620)。

参考文献

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 王斌虎 , 徐永祥 , 白福忠 (2018) 扭曲向列型液晶空间光调制器偏振分光特性的实验测试。 仪器与设备, 6, 12-19. doi: 10.12677/IaE.2018.61003

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