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摘 要：提出用橢偏儀法測試了自制液晶空間光調(diào)制器（LCSLM）的相位調(diào)制色散特性．橢偏儀法具有光路簡單單，結(jié)果準(zhǔn)確，測試自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，相比單色光源干涉儀測量方法更加簡單實(shí)用．結(jié)果表明，在短波長（450 nm）處，LCSI M 的相位調(diào)制能力為1．54λ（ λ=450 nm）．在長波長（800 nm）處,LCSLM 的相位調(diào)制能力為0．70λ（ λ=800 nm），與理論分析的色散特性基本一致．
關(guān)鍵詞：液晶；空間光調(diào)制器；色散；橢偏儀
中圖分類號(hào)：0753；TP217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—4213（2007）06—1065 3

0 引言
在不同波長和電壓作用下，液晶空間光調(diào)制器具有不同的相位值．這種色散特性可以應(yīng)用在色散補(bǔ)償，白光波前校正，光通信等許多領(lǐng)域，具有十分廣泛的應(yīng)用前景．目前，對液晶色散特性的研究主要是對液晶雙折射△n和光強(qiáng)的研究，但沒有考慮到施加電壓后的相位色散特性．大多數(shù)相位都是通過干涉儀進(jìn)行測量，所以相位都是在單波長下測得的．干涉測量光路復(fù)雜，測試手段麻煩，而且對于色散相位測量需要通過引入分光儀產(chǎn)生單色光源，再對不同波長下的單色光源分別測量．本文提出用光譜型橢偏儀測量法進(jìn)行測量，該方法具有光路簡單，結(jié)果準(zhǔn)確，測試自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)．利用光譜型橢偏儀實(shí)現(xiàn)了液晶光調(diào)制器在450 nm 到800 nm 波長范圍內(nèi)的相位測量．

1 液晶空間光調(diào)制器光電特性的理論計(jì)算
根據(jù)液晶連續(xù)彈性體理論，電場作用下液晶的Gibbs自由能可表示為[7]

式中K₁₁,K₂₂,K₃₃分別是液晶分子的展曲彈性常量、扭曲彈性常量和彎曲彈性常量n（x,y,z）是液晶分子的指向矢，D、E分別是電位移矢量和電場強(qiáng)度矢量．對于平行排列液晶的Gibbs自由能公式可以寫為[8]

式中ε_ο是真空介電常量，分別是垂直和平行方向的介電常量， z軸是液晶層的法線方向，D 是軸方向的電位移矢量，d為液晶層厚度，θ是液晶分子的傾角．由式（2）可得沿z軸方向上某一位置與該位置液晶傾角的關(guān)系為

角，通過兩邊界層的邊界條件解方程（3）可知給定電壓下液晶和內(nèi)部分子傾角的分布．根據(jù)各向異性介質(zhì)的折射率橢球公式

 

2 實(shí)驗(yàn)過程
光譜型橢偏儀是一種專門測試薄膜厚度和折射率的器件，通過特殊光路的搭建，它可用于測量透射式液晶空間光調(diào)制器的相位，而且可以進(jìn)行多波長測量．實(shí)驗(yàn)中使用的空間光調(diào)制器是經(jīng)過特殊加工的．將640×480的TFT一彩色液晶屏去掉彩膜和前后偏振片，前后兩基板摩擦方向互相平行，再注入油墨公司生產(chǎn)的RDP一92975型向列相液晶，制作成盒厚為5μm的平行排列液晶空間光調(diào)制器．

 

實(shí)驗(yàn)使用的是法國JY 公司生產(chǎn)的UVISELSPME型橢偏儀．它由氙燈光源、起偏器、光彈調(diào)制器、檢偏器、分光光譜儀、光電探測計(jì)算機(jī)和信息獲取與控制計(jì)算機(jī)組成．進(jìn)行液晶空間光調(diào)制器的相位測量時(shí)，如圖1

水平放置起偏器，光彈調(diào)制器，檢偏器，將液晶空間光調(diào)制器放在起偏器與光彈調(diào)制器之間．起偏器的偏振方向與x軸成45度，液晶空間光調(diào)制器的液晶排列方向與x軸成0度，檢偏器的偏振方向與x軸成0度．這樣由氙燈發(fā)出的光經(jīng)起偏器產(chǎn)生線偏振光，在x軸和y軸上有E_X,E_Y兩個(gè)分量，垂直入射到液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生 軸方向和Y軸方向的光程分別為， 是液晶空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓．由于光彈調(diào)制器可以檢測出軸方向和Y軸方向的光延遲．所以液晶空間光調(diào)制器的相位一電壓關(guān)系為

光譜型橢偏儀可以測量不同波長下的光延遲，這樣就可以測量液晶空間光調(diào)制器在不同波長下的相位一電壓關(guān)系．

3 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較
實(shí)驗(yàn)中選取450 nm～800 nm 波段進(jìn)行測量，光源譜 （450 nm～800 nm）的分辨率為10 nm，即
每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)之間的間隔只有10 nm．實(shí)驗(yàn)上采用日本油墨公司的RDP一92975型向列相液晶，其參量為

有限，只能測出不同波長下的An（A）值．又因?yàn)椴煌ㄩL下 △n（λ）。值相差很小，所以這里假設(shè)壓，2．5 V中值電壓，3．5 V飽和電壓下指向矢傾角與空間位置關(guān)系如圖2．

圖2 液晶指向矢在外加電壓作用下傾角與空間位置的關(guān)系
Fig．2 The tilt angle along the normal of LC cell as a functionof at different applied voltages simulated by computer

圖中z為液晶層的不同深度，d為液晶盒的厚度，z/d 即為液晶層的空間位置關(guān)系．再由圖2．傾角與空間位置關(guān)系和n_o（λ）, n_e（λ）模擬計(jì)算出在不同電壓下相位與波長之間的關(guān)系如圖3中的實(shí)線所示，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值在圖中以實(shí)心方塊表示．

圖3 液晶空間光調(diào)制器在不同電壓下，相位與波長之間的關(guān)系
Fig．3 The phase as a function of wavelength at differentapplied voltages

從圖3可以看出，在不同電壓下色散特性的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合得較好．至于實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的偏離除了實(shí)驗(yàn)誤差等因素外，與n_e（λ）,n_o（λ）, 的準(zhǔn)確性也有關(guān)系．從上述計(jì)算結(jié)果來看，本文的相位波長關(guān)系的模擬計(jì)算提供了比較可靠的液晶色散特性．

從圖3中還可以看出，在短波長450 nm 處，LCSLM 的相位調(diào)制能力強(qiáng)，有1．54λ（ λ=450 nm）．隨著波長的逐漸變大，LCSLM 的相位調(diào)制能力逐漸變小，在長波長800 nm 下，LCSLM 的相位調(diào)制能力只有0．70λ（ λ=800 nm），相應(yīng)地LCSLM 的調(diào)制準(zhǔn)確度也隨之變?。纱丝梢缘弥?，在大范圍相位調(diào)制的要求下，可以選取短波長光源進(jìn)行相位調(diào) [5]制．而在高準(zhǔn)確度相位調(diào)制的要求下，就應(yīng)選取長波長光源來進(jìn)行相位調(diào)制．

4 結(jié)論
本文研究了自制平行排列透射式液晶空間光調(diào)制器的相位色散特性，理論仿真計(jì)算了它的相位調(diào)制，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者基本吻合．介紹了利用光譜型橢偏儀測量色散特性的方法，能夠大幅度
降低色散相位測量的難度，為空問光調(diào)制器的相位補(bǔ)償提供了有效的測試手段．

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The Investigation of Phase Dispersive Characteristics About Phase—only
Liquid Crystal Spatial Light M odulator
LI Da—yu ～，MU Quan—quan ～，HU Li—fa ，CAO Zhao—liang ～，LU Xing—hal ，XUAN Li
（1 State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，
Chinese Academy of Sciences，Changchun 1 30033，China）
（2 Graduate University 0_，the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）
Received date：2006 03—22
Abstract：The measurem ents of phase dispersions characte“stics of liquid crystal spatial light m odulator by
ellipsom eter are described．It was found that dispersions phase of liquid crystal is 1．092 at 1．5 V threshold
voltage and 0．242 at 3．5 V saturation voltage in 450 nm ～ 800 nm wave band．Theory on dispersions
characteristics was analysed and found to have agreement w ith experim ental result．
Key words：Liquid crystal；Spatial light modulator；Dispersive；Ellipsometer
LI Da—yu received his B．S．degree in Electronics from Jilin University in 2002．Currently，he
is working for the Ph．D．degree in State Key Laboratory of Applied Optics in CIOM P，
Chinese Academy of Sciences．His research interests include LC device and its optical
application．
 

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