CN101464576B - 液晶相位可变延迟器特性参数定标系统 - Google Patents

Abstract

液晶相位可变延迟器(LCVR)特性参数定标系统，由可调谐离子激光器、消色差波片、起偏器、检偏器、电控箱、LCVR驱动器、光功率计和计算机组成。当光线垂直入射到LCVR上时，连续调制LCVR的驱动电压，得到相应的光强曲线图，利用曲线图中的光强极大值和被测电压下的光强值建立定标系统的穆勒矩阵表达式，即可求得LCVR在被测电压下的相位延迟表达式；当光线非垂直入射到LCVR上时，调制起偏器和检偏器的角度，利用不同调整状态下探测到的光强值建立Stokes矢量表达式，即可求得LCVR在特定电压下的相位延迟和快轴方向的表达式。本发明具有对LCVR特性参数进行定标的能力。当光线是垂直入射时，定标过程无需转动起偏器和检偏器；当光线是非垂直入射时，利用消色差波片保证了定标过程中入射光强的恒定，提高了定标精度。

Description

液晶相位可变延迟器特性参数定标系统

技术领域

本发明涉及一种液晶相位可变延迟器(LCVR)特性参数定标系统。当光线垂直入射到LCVR时，测量LCVR在某一波长下、不同电压值时的相位延迟量；当光线非垂直方向入射到LCVR时，测量LCVR在某一波长下、一定电压值、不同入射角时的相位延迟量和快轴角度。

背景技术

LCVR是基于液晶的电控双折射特性而制成的光学器件，使用向列型液晶材料，各向异性的向列型液晶分子具有单轴双折射效应，当加上适当电压时，液晶分子开始翻转，双折射效应慢慢减小，相位延迟也随之逐渐变小，实现对入射光波的相位调制作用。LCVR具有无须机械转动、响应时间快、测量精度高等优点，在偏振光学领域有广泛的应用，例如空间光调制器、可调谐滤波器、可变衰减器、偏振仪等，为了提高仪器的测试精度，精确测量LCVR在不同电压值和不同入射角度下的相位延迟是非常重要的。测量相位延迟的方法很多，比如光谱扫描法、补偿法、光强法、相位调制法等，这些方法没有利用到LCVR的电控延迟特性，并且只能测量光线垂直入射时LCVR的相位延迟，本发明针对这些不足提出了一种新型的液晶相位可变延迟器特性参数的定标系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有测量相位延迟技术中只能测量光线垂直入射时LCVR的相位延迟的不足，利用LCVR的电控延迟特性构建一种可精确测量LCVR在不同电压值和不同入射角度下的相位延迟、以及LCVR快轴角度的定标系统。

本发明的技术解决方案是：液晶相位可变延迟器(LCVR)特性参数定标系统，其特征在于包括下列部分：

可调谐离子激光器，位于定标系统的最前端，可产生待测波段的激光；

消色差波片，位于可调谐离子激光器之后，用于产生圆偏振光；

起偏器，位于消色差波片之后，用于产生所需的线偏振光；

检偏器，位于被定标的LCVR之后，用于得到某一方向的偏振光，它与起偏器均置于电控旋转支架上；

电控箱，分别与起偏器、检偏器及计算机相连，用于控制电控旋转支架的旋转角度；

LCVR驱动器，用于控制加在LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其驱动输出端与两片LCVR相接，通讯控制端与计算机的串口或USB接口相连；

光功率计，位于检偏器之后，并与计算机相连，用于探测出射光光强值；

计算机，通过计算机串口通讯对电控箱进行控制；读取光功率计探测到的光强。

本发明的工作原理为：LCVR特性参数定标分为两个部分：当光线垂直入射到LCVR上时，连续调制LCVR的驱动电压，得到相应的光强曲线图，利用曲线图中的光强极大值和被测电压下的光强值建立定标系统的穆勒矩阵表达式，即可求得LCVR在被测电压下的相位延迟表达式；当光线非垂直入射到LCVR上时，调制起偏器和检偏器的角度，利用不同调制状态下探测到的光强值建立Stokes矢量表达式，即可求得LCVR在特定电压下的相位延迟和快轴方向的表达式。

其中，所述的定标系统对LCVR的特性参数测量的方法和步骤包括：①光线垂直入射到LCVR时，将消色差波片撤离，起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°，调制可调谐离子激光器，使其输出波长为待测波长，调整光路使得激光垂直射入起偏器，连续调制LCVR的驱动电压，得到相应的光强曲线图，利用曲线图中的光强极大值和被测电压下的光强值建立定标系统的穆勒矩阵表达式，即可求得LCVR在某一波长下、不同电压值时的相位延迟表达式；②光线非垂直方向入射到LCVR时，将消色差波片置于激光器之后，调节LCVR驱动电压达到一个定值，将起偏器和检偏器透光轴角度设置为三组，利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，完成LCVR在某一波长下、一定电压值、不同入射角时的相位延迟量和快轴角度的测量。

其中，所述的LCVR驱动器由用于存储控制信息的闪存、用于对整个驱动器进行处理控制的可编程逻辑器件、进行数模转换后输出一定频率方波电压的数模转换器组成，整个驱动电路与计算机的通讯方式是串口RS232通讯。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)能够测量光线垂直入射与非垂直入射两种情况下LCVR的特性参数；

(2)当光线是垂直入射时，定标过程无需转动起偏器和检偏器，提高了定标精度；

(3)当光线是非垂直入射时，利用消色差波片保证了定标过程中入射光强的恒定，避免了因旋转起偏器而产生的光源强度的变化。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中待测量的LCVR结构图；

图3为本发明中的LCVR驱动电路结构框图；

图4为本发明的测量LCVR特性参数的控制流程图；

图中具体标号如下：

1、可调谐离子激光器            2、消色差波片    3、起偏器

4、液晶相位可变延迟器(LCVR)    41、LCVR驱动器

5、检偏器                      6、光功率计       7、电控箱

8、计算机

42、熔融石英             43、铟锡金属氧化物(ITO)

44、阵列层               45、间隔

46、电压作用下液晶分子旋转

具体实施方式

如图1所示，本发明包括可调谐离子激光器1、消色差波片2、起偏器3、检偏器5、待测LCVR4及LCVR驱动器41、光功率计6和计算机8。LCVR的特性参数测量主要包括两个方面：①光线垂直入射到LCVR时，测量LCVR在某一波长下、不同电压值时的相位延迟量；②光线非垂直方向入射到LCVR时，测量LCVR在某一波长下、一定电压值、不同入射角时的相位延迟量和快轴角度。下面分别说明两种情况下的测量方法。

(1)光线垂直入射情况。如图1所示测量装置，将消色差波片撤离，起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°，调制可调谐离子激光器，使其输出波长为待测波长，调整光路使得激光垂直射入起偏器。利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，延迟器件LCVR的穆勒矩阵为：

$M_{\mathrm{LCVR}}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\cos }^{2}2\mathrm{\θ}+{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\δ}& \sin 2\mathrm{\θ}\cos 2\mathrm{\θ}(1-\cos \mathrm{\δ})& -\sin 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ}\\ 0& \text{sin2\θcos2\θ}(1-\cos \mathrm{\δ})& {\sin }^{2}2\mathrm{\θ}+c{\mathrm{os}}^{2}2\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\δ}& \cos 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ}\\ 0& \sin 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ}& -\cos 2\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中θ表示LCVR快轴角度，δ表示LCVR产生的相位延迟。

光轴角度为90°的起偏器与检偏器的穆勒矩阵为：

$M_{P1}=M_{P2}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}1& -1& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

设入射光光强为I₀，本装置中激光偏振方向为垂直方向，入射光Stokes矢量为S_in＝I₀×(1-100)^T，设起偏器、LCVR、检偏器的透射率分别为t₁、t_LCVR、t₂，则出射光的Stokes矢量为：

$S_{\mathrm{out}}=t_2\×M_{P2}\×t_{\mathrm{LCVR}}\×M_{\mathrm{LCVR}}\×t_1\×M_{P1}\×S_{\mathrm{in}}=\frac{I_0\×t_2\×t_{\mathrm{LCVR}}\×t_1}{2}\×\left(\begin{array}{c}1+\cos \left(\mathrm{\δ}\right)\\ -1-\cos \left(\mathrm{\δ}\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(3\right)$

Stokes矢量第一个分量表示的是光强，设a＝I₀×t₂×t_LCVR×t₁/2，出射光光强为I，I＝a(1+cosδ)，则计算相位延迟δ的公式为：

$\mathrm{\δ}=2\mathrm{N\π}\±\arccos (\frac{I}{a}-1),N=\mathrm{0,1,2}...---\left(4\right)$

计算δ需先得到a值，连续调制LCVR所加电压值，由I＝a(1+cosδ)可知，相位延迟为0°时光强I有最大值I_max＝2a，则a＝0.5I_max，a值确定后，根据公式(4)可得到不同电压值下的相位延迟δ。

(2)光线偏离垂直方向入射情况。将消色差波片置于激光器之后，调节LCVR驱动电压达到一个定值，将起偏器和检偏器透光轴角度设置为三组。利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，起偏器、检偏器的穆勒矩阵分别为：

$M_{P1}=\left(\begin{array}{cccc}1& \cos \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& \sin \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& 0\\ \cos \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& {\cos }^2\left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& \sin \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)\cos \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& 0\\ \sin \left(2{\mathrm{\φ}}_1\right)& \sin \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)\cos \left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& {\sin }^2\left({2\mathrm{\φ}}_1\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

$M_{P2}=\left(\begin{array}{cccc}1& \cos \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& \sin \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& 0\\ \cos \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& {\cos }^2\left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& \sin \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)\cos \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& 0\\ \sin \left(2{\mathrm{\φ}}_2\right)& \sin \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)\cos \left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& {\sin }^2\left({2\mathrm{\φ}}_2\right)& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

入射光和出射光的Stokes矢量分别为：

S_in＝(1001)^T                   (7)

S_out＝M_P2×M_LCVR×M_P1×S_in    (8)

探测器探测到的光强与出射光Stokes矢量S_OUT的第一行相对应，假设入射光光强为I₀，出射光光强为I，起偏器、LCVR、检偏器的透射率分别为t₁、t₂、t₃，S_OUT的第一行为S_{OUT_1}，则有表达式：

I＝I₀×t₁×t₂×t₃×S_{OUT_1}＝a×S_{OUT_1}                (9)

实验过程中取三组φ₁和φ₂，分别为：

①φ₁＝φ₂＝0°，探测器光强为I_A，出射光Stokes矢量的第一行为：

1+(cos2θ)²+(sin2θ)²cosδ

②φ₁＝φ₂＝45°，探测器光强为I_B，出射光Stokes矢量的第一行为：

1+(cos2θ)²cosδ+(sin2θ)²

③φ₁＝0°，φ₂＝90°，探测器光强为I_C，出射光Stokes矢量第一行为：

1-(cos2θ)²-(sin2θ)²cosδ

利用①②③的表达式组成方程组，解方程组可得到延迟和角度的计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\arccos \left(\frac{{2I}_B-I_A-{3I}_C}{I_A+I_C}\right)\\ \mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arcsin \left(\sqrt{\frac{I_C}{I_A-I_B+{2I}_C}}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

本发明的LCVR特性参数定标流程图见图4，首先按照图1所示的原理框图搭建出定标系统，然后分光线垂直入射与非垂直入射两种情况进行定标。光线垂直入射时，将起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°，连续调制LCVR的驱动电压，得到相应的光强曲线图，利用曲线图中的光强极大值和被测电压下的光强值建立定标系统的穆勒矩阵表达式，即可求得LCVR在被测电压下的相位延迟表达式；光线非垂直入射时，将起偏器和检偏器透光轴角度设置为三组，调节LCVR驱动电压达到一个定值，利用不同调制状态下探测到的光强值建立Stokes矢量表达式，即可求得LCVR在特定电压下的相位延迟和快轴方向的表达式。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.液晶相位可变延迟器LCVR特性参数定标系统，其特征在于：该定标系统包括下列部分：

可调谐离子激光器，位于定标系统的最前端，产生待测波段的激光；

消色差波片，位于可调谐离子激光器之后，用于产生圆偏振光；

起偏器，位于消色差波片之后，用于产生所需的线偏振光；

检偏器，位于被定标的LCVR之后，用于得到某一方向的偏振光，它与起偏器均置于电控旋转支架上；

LCVR，并位于起偏器之后；

电控箱，分别与起偏器、检偏器及计算机相连，用于控制电控旋转支架的旋转角度；

LCVR驱动器，用于控制加在LCVR上的电压值，从而改变LCVR的相位延迟值，其驱动输出端与两片LCVR相接，通讯控制端与计算机的串口或USB接口相连；

光功率计，位于检偏器之后，并与计算机相连，用于探测出射光光强值；

计算机，通过计算机串口通讯对电控箱进行控制；读取光功率计探测到的光强。

2.根据权利要求1所述的液晶相位可变延迟器LCVR特性参数定标系统，其特征在于：所述的定标系统对LCVR的特性参数测量的方法和步骤包括：(1)光线垂直入射到LCVR时，将消色差波片撤离，起偏器和检偏器透光轴角度均设置为90°，LCVR快轴角度为45°，调制可调谐离子激光器，使其输出波长为待测波长，调整光路使得激光垂直射入起偏器，连续调制LCVR的驱动电压，得到相应的光强曲线图，利用曲线图中的光强极大值和被测电压下的光强值建立定标系统的穆勒矩阵表达式，即求得LCVR在待测波长下、不同电压值时的相位延迟表达式； 

其中，Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，延迟器件LCVR的穆勒矩阵为：

其中θ表示LCVR快轴角度，δ表示LCVR产生的相位延迟；

光轴角度为90°的起偏器与检偏器的穆勒矩阵为：

设入射光光强为I₀，本装置中激光偏振方向为垂直方向，入射光Stokes矢量为S_in＝I₀×(1 -1 0 0)^T，设起偏器、LCVR、检偏器的透射率分别为t₁、t_LCVR、t₂，则出射光的Stokes矢量为：

Stokes矢量第一个分量表示的是光强，设a＝I₀×t₂×t_LCVR×t₁/2，出射光光强为I，I＝a(1+cosδ)，则计算相位延迟δ的公式为：

N＝0，1，2...            (4)

计算δ需先得到a值，连续调制LCVR所加电压值，由I＝a(1+cosδ)得到，相位延迟为0°时光强I有最大值I_max＝2a，则a＝0.5I_max，a值确定后，根据公式(4)得到不同电压值下的相位延迟δ；

(2)光线非垂直方向入射到LCVR时，将消色差波片置于激光器之后，调节LCVR驱动电压达到一个定值，将起偏器和检偏器透光轴角度设置为三组，利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，完成LCVR在 待测波长下、一定电压值、不同入射角时的相位延迟量和快轴角度的测量；

其中，利用Stokes矢量与穆勒矩阵推导相位延迟的计算公式，起偏器、检偏器的穆勒矩阵分别为：

入射光和出射光的Stokes矢量分别为：

S_in＝(1001)^T                                 (7)

S_out＝M_P2×M_LCVR×M_P1×S_in                   (8)

探测器探测到的光强与出射光Stokes矢量S_OUT的第一行相对应，假设入射光光强为I₀，出射光光强为I，起偏器、LCVR、检偏器的透射率分别为t₁、t₂、t₃，S_OUT的第一行为S_{OUT_1}，则有表达式：

I＝I₀×t₁×t₂×t₃×S_{OUT_1}＝a×S_{OUT_1}         (9)

实验过程中取三组φ₁和φ₂，分别为：

①φ₁＝φ₂＝0°，探测器光强为I_A，出射光Stokes矢量的第一行为：

1+(cos2θ)²+(sin2θ)²cosδ

②φ₁＝φ₂＝45°，探测器光强为I_B，出射光Stokes矢量的第一行为：

1+(cos2θ)²cosδ+(sin2θ)²

③φ₁＝0°，φ₂＝90°，探测器光强为I_C，出射光Stokes矢量第一行为：

1-(cos2θ)²-(sin2θ)²cosδ

利用①②③的表达式组成方程组，解方程组得到延迟和角度的计算公式： 

3.根据权利要求1所述的液晶相位可变延迟器LCVR特性参数定标系统，其特征在于：所述的LCVR驱动器由用于存储控制信息的闪存、用于对整个驱动器进行处理控制的可编程逻辑器件、进行数模转换后输出一定频率方波电压的数模转换器组成，整个驱动电路与计算机的通讯方式是串口RS232通讯。 

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