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0431-81702023
光學工程
液晶空間光調制器用于光束偏轉控制的衍射效應

摘要 液晶空間光調制器(LCSLM)能實現光束動態偏轉,而它的像素結構以及相位回卷方法造成的衍射效應使其光效率降低。通過數值仿真和實驗分析了像素結構造成的衍射效應,給出了像素填充因子和衍射效率的關系。利用256pixel×256pixel的液晶空間光調制器構建動態光束偏轉實驗裝置,使入射光束偏轉不同角度時測量遠場光斑強度,得到衍射效率隨光束偏轉角的變化關系。理論分析與實驗結果表明,填充比越小,像素結構造成的衍射效應越強,衍射效率降低;當填充比為0.85時衍射效率的測量值僅為51.3%。相位回卷方法使液晶空間光調制器形成類似閃耀光柵結構,隨著光束偏轉角度的增大,衍射效率降低。

關鍵詞 光學器件;液晶空間光調制器;光束偏轉;衍射

1 引 言

     目前,控制光束偏轉通常采用萬向節等機械掃描裝置來完成,能耗高、體積龐大、重量大和價格昂貴等缺點限制了它的性能和應用。采用無機械可動部件的掃描裝置實現光束控制受到越來越多的關注[1,2]。近年來,隨著液晶顯示和超大規模集成電路技術的迅猛發展以及液晶材料的豐富,電尋址液晶空間光調制器(LCSLM)在空間光束偏轉控制中得到了廣泛應用。液晶空間光調制器利用液晶分子的電控雙折射效應,通過控制電壓的改變,雙折射率變化調制入射光波的相位分布[3~5]。與傳統光束控制掃描裝置相比,具有無機械可動部件、空間分辨率高、能耗低、體積小、易于控制、價格低廉等優點[6]。

    作為一種新型可編程控制的衍射光學元件,對液晶空間 光 調 制 器 的 衍 射 效 率 的 研 究 尤 為 重 要。EmilH¨allstig等[7]分析了液晶空間光調制器相位量化分 布 特 點 對 器 件 衍 射 效 率 的 影 響。本 文 利 用256pixel×256pixel的液晶空間光調制器控制入射光束偏轉不同角度,測量器件的衍射效率隨偏轉角度的變化。分析了液晶空間光調制器的衍射效應,通過仿真分析像素結構、相位調制深度及周期內的相位級數對衍射效率的影響。

2 理論分析

2.1 液晶空間光調制器控制光束偏轉

      圖1為反射式電尋址液晶空間光調制器的結構,向列液晶層被夾在兩片表面鍍有透明導電層的玻璃中間。上層導電層作為公共電極,下層導電層被分成彼此不導通的像素結構,進行尋址控制。導電層表面鍍有定向層,使液晶分子順著一個特定且平行于玻璃表面的方向排列。在液晶兩端施加電場后,液晶分子的取向發生偏轉,非尋常光折射率改變。當入射線偏振光沿平行液晶分子非尋常光軸方向入射時,液晶空間光調制器工作在純相位調制狀態,入射波面的相位分布調制。

 

    設平面波經過液晶空間光調制器反射后偏轉,透射率函數為

 

2.2 像素結構對衍射效率的影響

       如(5)式所示,調制后遠場分布是單矩孔衍射因子調制多光束干涉因子后形成的,中心衍射斑外的光能損失使液晶空間光調制器用于光束偏轉的光能利用率降低。此時液晶的像素結構相當于兩塊黑白光柵的正交密接,光柵的零級衍射效率由填充比決定,圖2中零級衍射效率隨填充比增大而升高,填充比為85%時,衍射效率約為75%。圖2的計算結果未考慮液晶空間光調制器對入射光的相位調制,僅反映了相鄰像素間的“死區”對光能利用率的影響。(3)式中像素結構使液晶空間光調制器的相位階梯分布,同一像素區域內僅能產生一個整體相移,不能滿足相位的連續分布。當液晶空間光調制器對入射光進行相位調制時,即使填充因子為1,衍射現象仍然存在,此時液晶空間光調制器有最大的零級衍射效率。為清楚起見,利用液晶空間光調制器調制入射波面得到離焦像差波面。圖3為離焦的遠場光斑的相位分布截面曲線,與理想相位分布曲線相比,即使填充系數為1,相位的階梯分布使入射光發生衍射,在零級衍射斑周圍有其他衍射級次出現;當填充比等于0.85時,衍射效應增強,中心光斑強度進一步降低。

 

2.3 相位調制深度的影響

       假定器件的相位調制深度滿足要求,液晶空間光調制器的相位分布函數(狓,狔)具有足夠的調制動態范圍。而對于實際液晶空間光調制器器件,通常采用減小液晶層厚的方法來提高響應速度,液晶空間光調制器的相位調制深度被限定在[0~2π]。相位差超過2π,利用衍射光學中對相位函數的處理方法限制其在0~2π的整數倍范圍內,因此液晶空間光調制器的相位分布函數變為

 

 式中round(·)為取整函數符號。(6)式的方法限制了相位范圍,結果是相位分布函數以2π為步長不連續變化。相位差每變化一個2π整數倍出現一個相 位 的 轉 折 點,此 方 法 被 稱 為 相 位 回 卷 (PhaseWrapping)方法。經過(6)式處理后,液晶空間光調制器可看成為一個周期可編程控制的閃耀光柵。根據衍射標量理論,相位連續變化的衍射光學元件理想的衍射效率為100%。然而器件的像素結構特點使液晶空間光調制器以階梯狀相位輪廓逼近相位的連續分布。類階梯狀相位分布使器件衍射效率取決于光柵周期內所包含的相位級數 犕。對線性閃耀光柵,一級衍射效率為[8]

由(7)式知,周期內包含的相位級數越多,衍射效率越高,對 M =8的衍射光學元件,衍射效率幾乎是95%;當M =2 時,二 元 光 柵 的 衍 射 效 率 僅 為40.5%。利用液晶空間光調制器偏轉入射光束,偏轉角越大,光柵周期小包含的相位級數越少,衍射效率降低。需要注意的是,像素結構造成的衍射與相位調制時形成的閃耀光柵引起的衍射是完全不同的:當液晶空間光調制器相位調制時兩種衍射效應同時存在,而關閉空間光調制器或給所有像素施加同一電壓,只存在像素結構造成的衍射效應。液晶空間光調制器調制入射光束偏轉時,當像素結構的零級衍射光全部集中到閃耀光柵的一級衍射譜中時,總衍射效率最大。圖4為液晶空間光調制器的衍射效率隨偏轉角的變化關系,虛線僅表示2π調制深度形成的類閃耀光柵的衍射效率變化,實線為總衍射效率的仿真結果。由圖4可知,液晶空間光調制器的衍 射 效 率 隨 著 光 束 偏 轉 角 的 增 大 而 降 低。 對256pixel×256pixel,像素尺寸18μm×18μm的液晶空間光調制器,當相位級數等于8時,使入射光偏轉8.8mrad,得到的最大衍射效率約為70%。

     相位回卷方法使液晶空間光調制器的相位調制動態范圍擴大,如果相位調制深度為2π,相位回卷能使相位分布函數以2π為步長準確變化。然而固定的液晶層厚度及液晶的色散特性,使液晶空間光調制器的2π調制深度只針對特定工作波長,對其他波長入射光,調制深度不再滿足[0~2π],液晶空間光調制器產生的傾斜波面的擬合精度降低。圖5為不同波長的入射光偏轉時,液晶空間光調制器生成的傾斜波面和理想波面的均方根(RMS)誤差。由圖5可知,光束偏轉角越大,誤差越大;使不同波長的入射光偏轉相同角度,波長與液晶空間光調制器的工作波長偏離越大,波面的擬合誤差增大。根據文獻[7]給出的衍射效率與波面擬合誤差的關系,液晶空間光調制器的衍射效率越低。

 

 

3 實驗與討論

3.1 液晶像素結構的零級衍射效率

      實驗裝置如圖6所示。調整入射光偏振方向,使入射偏振方向平行于液晶尋常光軸方向。對所有像素施加相同控制電壓,光功率計記錄透鏡焦點位置零級衍射光強隨控制電壓的變化。改變入射偏振方向與液晶非尋常光軸方向平行,同樣記錄零級衍射光強度隨控制電壓的改變。零級衍射測量強度變化曲線如圖7所示。

      當入射偏振方向沿尋常光軸方向入射時,光線始終以尋常光折射率狀o 傳播,液晶空間光調制器對入射光沒有相位調制,零級衍射效率不隨控制電壓變化而改變。入射偏振光沿非尋常光軸方向入射時,光線將以非尋常光折射率狀e 傳播,電壓改變液晶分子逐漸趨向與液晶器件表面垂直,入射偏振光將以狀o 傳播,此時它將有最大的相位變化。實驗中在所有像素施加相同的控制電壓,入射平面波經液晶空間光調制器調制后整體平移相位分布保持不變,出射光的零級衍射效率不會發生改變,圖7中零級衍射效率基本不隨電壓的改變而變化。偏振方向平行非尋常光軸入射的平均衍射效率為51.3%;平行尋常光軸入射的平均衍射效率等于56.3%,衍射效率測量結果偏小反映了液晶基板反射損失及面型誤差帶來的散射損失。另外當灰度在0~180內,相位調制時的衍射效率略低于不調制時的測量結果,這可能是液晶分子扭曲不完全一致造成的。

3.2 液晶空間光調制器控制光束偏轉的衍射效率

      計算機控制液晶空間光調制器使入射平行光束偏轉不同角度,測量衍射效率隨偏轉角度的變化。圖6所示的實驗裝置中調整入射光偏振方向,使其實現純相位調制,光功率計記錄光束偏轉后遠場分布的零級和一級光斑強度。

      圖8給出了衍射的零級和一級衍射效率隨偏轉角的變化,測量結果未考慮像素結構造成的衍射。由圖8可知,一級衍射效率隨光束偏轉角增大而減小;與仿真結果相比,光束偏轉角度越大,光柵周期內相位級數減小,階梯狀相位分布的衍射效應增強,光能不能全部集中到閃耀光柵的一級譜線上,零級和其他高階衍射光斑出現;零級衍射效率的變化幅度不大,說明光能損失在除0,1之外的其他高階衍射級次上。

     圖9為衍射效率隨液晶空間光調制器的相位調制深度的變化。實驗中光柵周期內的相位級數為8,使不同波長的入射光均偏轉8.8mrad。當液晶空間光調制器的相位調制深度偏離2π時,一級衍射效率減 小,零 級 衍 射 效 率 增 加;當 相 位 調 制 幅 度 為1.5π時,衍射效率降低了大約30%,光能損失在其他衍射級次上。

4 結 論

      利用液晶空間光調制器的相位調制特性實現入射光束的偏轉控制。作為新型衍射光學元件,對液晶空間光調制器的衍射效率進行了理論分析和實驗研究。對電尋址液晶空間光調制器,像素結構和有限相位調深幅度是造成衍射效應的主要原因。衍射效率隨著像素填充比的增大而增大。相位回卷方法使器件的調制動態范圍擴大,然而形成一個相位型閃耀光柵結構。像素結構使光柵周期內的相位呈階梯分布并使光柵的衍射效率減小。另外調制深度與波長有關的特點也是影響器件衍射效率的一個重要原因。

 


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