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1、液晶空间光调制器(LC-SLM)相位调制特性,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。,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,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
2、振,右旋圆偏振光,右旋椭圆偏振光,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
3、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.液晶定义 一方面具有象液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有象晶体一样的各向异性的中间状态的物质。显然，处于中间状态的物质仍保留着晶体的某些有序排列，只有这样才会在宏观上表现出物理性质的各向异性。这样的有序流体就是液晶。2.液晶分类（按分子排列方式）向列相液晶(nematic)近晶相液晶(smectic)胆甾相液晶(cholestevic),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
4、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，
5、向列相液晶为光学正性单轴晶体。,n,ne=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
6、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。,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
7、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,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。,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()为液晶有效双折射率，为 的函数；ne 为液晶的异
8、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；是液晶分子指向矢和电场方向的夹角。,对于光学正性液晶：neno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。,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，neno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）,液晶分子转角后的排列方向（加电场）,在oxz平面内,A点的坐标为(xA,z
9、A),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。,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
10、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
11、 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：,为液晶盒的扭曲角度，这里为0，为入射波长，n=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,应用于反射式空间光调制器 入射到其下表面的光被反射膜反射，光经过反射式SLM被调制后，光的相位调制相当于连续经过两个透射式光调制器,反射式空间光调制器位相调制量,4.3 斜入射情况下调制分析,正入射时需用分光镜等元件将入射光和出射光分开，光强被极大衰减，实际应用常采用斜入射。,将斜入射等效为正入射后，液晶对光的位相调制量为：,END,
