CN109031737A - 一种基于双层向列相液晶的快响应相位延迟器 - Google Patents

Abstract

一种基于双层向列相液晶的快响应相位延迟器，该发明是由两片厚度相同的、光轴互相垂直的向列相液晶片构成，可实现电控相位延迟从零到最大值和最大值到零的连续、快速调控。可用于实时高精度光学测量、自适应光学和光学信息处理等。所述双层向列相液晶相位延迟器主要包括起偏器、两片厚度相同的平行取向向列相液晶片及驱动系统。该器件基于向列相液晶的电控折射率原理，通过合理的结构设计和电驱动匹配使得两向列相液晶片的相位延迟互补，实现了相位延迟从低到高和从高到低的快速调控。

Description

一种基于双层向列相液晶的快响应相位延迟器

技术领域

本发明涉及的双层向列相液晶相位延迟器，是基于向列相液晶的 电控折射率效应，通过合理的结构设计和电压驱动两个平行的向列相 液晶使得相位延迟互补，实现对入射光的相位延迟量进行从零到最大 值和最大值到零的连续、快速调制。

背景技术

相位延迟器是高精度光学测量、自适应和光学信息处理等现代光 学领域中的关键器件。相位延迟器主要分为机械式延迟器、电光式延 迟器、压光式延迟器、声光式延迟器等。其中机械调节式延迟器具有 调节范围窄、装调难度大等缺点。声光调制器虽然可以获得较大带宽， 但是衍射效率低。压光式延迟器难以保证力的均匀性，受温度影响较 大。

利用液晶材料来制备相位延迟器，它通过电压控制液晶分子的折 射率来实现对光的相位延迟量。具有驱动电压低、易控制、功耗小、 响应速度快、抗干扰能力强、价格便宜和体积小等优点，因而受到了 广泛关注。对于传统的液晶相位延迟器，使用的通常是向列相液晶， 传统的向列相液晶随着所加电压的增加，相位延迟从高到低变化，这 个过程由电场控制，速度快，但是电压减小从而使相位延迟从低到高 变化，这个过程跟液晶材料的参数有关，往往比较慢。这是向列相液 晶相位延迟器需要解决的难点问题。对此，本文提出了一种基于双层 向列相液晶的快响应相位延迟器，该装置由两个平行取向的向列单元 组成，其取向方向对称的分布在起偏器透偏方向两侧。通过合理的结 构设计和电压驱动匹配使得两个平行的向列相液晶进行相位延迟互 补，进而实现了相位延迟从零到到最大值和最大值到零的连续、快速 调制。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：利用双层向列相液晶，弥补向列相 液晶驱动电压从高到低变化时响应时间较慢的缺点，提供一种对入射 光的相位延迟量进行从零到到最大值和最大值到零的连续、快速调制 的相位延迟器。

本发明的技术解决方案是：一种基于双层向列相液晶的快响应相 位延迟器，其包括：起偏器、两片厚度相同的平行取向向列相液晶、 及驱动系统，如图1所示。

起偏器：起偏器位于双层向列相液晶相位延迟器最前端，将入射 光束转换为线偏振光。

覆盖氧化铟锡导电膜的光学玻璃及驱动系统：为向列相液晶层提 供外置驱动电场，使向列相液晶分子在不同幅度的电场驱动下进行均 匀排布。

向列相液晶层：两个平行取向液晶片的层间隙相同，将双层平行 取向的向列相液晶(PA1和PA2)放到起偏器后面。其中，两片向列 相液晶在无外加电场时的指向矢方向正交，并且相对于起偏器的偏振 方向为45°,如图2所示。

其中，向列相液晶相位延迟器是基于液晶的电控双折射原理而制 成的。向列相液晶分子呈棒状结构，其具有单轴双折射性。当一束线 偏振光垂直入射到液晶片上时(光轴平行于表面)，使入射光的偏振 方向与液晶分子光轴夹角为45°，可分解为垂直光轴方向和沿光轴 方向的振动方向相互垂直的o光和e光，其折射率分别为n_o和n_e，通 过液晶时的相位差为δ＝2πΔnd/λ(Δn＝n_e-n_o)。当不加电压时，液晶 分子平行排列，双折射Δn最大，相位延迟量最大。给液晶加变化电 压，液晶分子倾向外电场方向，产生变化倾角θ，倾斜角度由电场强 度的幅值决定而与电场强度极性无关。随θ的变化，光的双折射发生 变化，相位差也发生变化。因此，通过改变液晶两端的电压可连续调 节光学轴的指向，从而实现入射光相位延迟的连续可调。

其中，图3为电压驱动双层向列相液晶快响应相位延迟器的原理 示意图，以30Hz频率,10V电压为例。上面两条曲线分别为加载到PA1 和PA2上的驱动信号V_PA1和V_PA2。最下面的曲线a为只测PA1的相位 延迟曲线，b为只测PA2的相位延迟曲线。c为同时加PA1和PA2以及 它们的驱动电压V_PA1和V_PA2的相位延迟曲线。

其中，如图3所示，在t₀到t₁时刻，V_PA1和V_PA2均为0V，入射线 偏光经PA1后产生相位延迟，延迟量由液晶双折射率及厚度决定；由 于第二片液晶的光轴与第一片互相垂直，光通过第二片液晶产生的相 位延迟量幅度相同且方向相反，其产生的相位延迟互相补偿，经过 PA1和PA2后总相位延迟为0。

其中，如图3所示，在t₁到t₂时刻，V_PA1为10V，V_PA2为0V。PA1中 液晶分子在电场作用下，由平行排列变为垂直排列，入射光经PA1后 相位延迟为0，再经平行取向PA2后相位延迟最大。若改变V_PA1的幅值 使其从0到10V连续变化，则PA1中液晶分子倾角θ随电压变化，产生从低到高的相位延迟。同理，若保持PA1电压为0V，使PA2上电压 从0到10V变化，相位延迟的变化是一样的。

其中，如图3所示，在t₂到t₃时刻，V_PA1为10V，V_PA2为10V。PA1 和PA2中液晶分子在电场作用下，由平行排列变为垂直排列，入射光 经PA1后相位延迟为0，再经光轴与PA1垂直的PA2后产生互补的相位 延迟，此时总相位延迟为0。若改变V_PA2的幅值使其从0到10V连续 变化，则PA2中液晶分子倾角θ随电压变化，从而产生从高到低的相 位延迟。同理，若保持PA2电压为10V，使PA1上电压幅值从0到10V 变化，相位延迟的变化是一样的。

本发明与现有向列相液晶相位延迟器相比优点在于：该双层向列 相液晶相位延迟器的相位延迟量从零到最大值和从最大值到零变化 时，液晶的响应速度相同。克服了单个向列相液晶相位延迟器电压从 零到最大值变化时，响应时间受液晶分子恢复到电压对应稳态位置速 度较慢的缺点。

附图说明

图1为本发明的组成图；

图2为本发明结构图；

图3为本发明的驱动波形及响应波形；

图4为本发明的测量光路图；

图5为本发明的相位延迟曲线图；

具体实施方式

在这里将详细介绍双层向列相液晶快响应相位延迟器的原理与 实验结果。

正如我们所知道的那样，分子均匀排列的向列相液晶在光学上表 现为单轴(双折射)光学板，其光轴与液晶分子在盒中的优选方向一 致。当给液晶分子施加电压后，所有液晶分子长轴会趋向电场方向分 布，进而产生倾角θ，n₀(寻常光)会随着θ而变化，n_e(非寻常光) 不随θ变化且倾角θ随电压的变化而变化。n_e与θ的关系为：

其中n_eff为非寻常光有效折射率。由双折射为Δn＝n_e-n_o的液晶材料 引起相位延迟δ，δ＝2πdΔn/λ，λ为入射光的波长，d为液晶的厚 度。有两个完全相同的液晶盒，他们的双折射和盒厚分别为 Δn₁＝n_e1-n_o1，Δn₂＝n_e2-n_o2和d，当两个完全相同的快轴互相垂 直的向列相液晶PA1和PA2插入两个正交偏振器之间时，其中PA1的光 轴与起偏器起偏方向夹角为45°，PA2的光轴方向与起偏方向夹角为 -45°，总的相位延迟为零。当液晶盒的厚度d为常数时，可以通过施 加电压来连续调节光轴指向，其产生的相位延迟量也会随着电压的变化而变化。

实验结果

实验装置如图4所示。使用光源为532nm的固体激光器，光路 最前端放置起偏器产生线偏振光，中间插入两个光轴正交的完全相同 的平行向列相液晶，厚度为5μm，向列相液晶PA1的指向矢与起偏器 透偏方向呈45°角放置，相液晶PA2指向矢与起偏器透偏方向呈 -45°角放置。最后端放入检偏器，方便检测光强的变化。加到PA1和 PA2上的驱动信号由NI-USB-6343数据采集卡产生，频率为4000HZ 的方波，V_pp电压调节范围为10V，两路输出信号同步。最后将光电探 测器接收到的信号传入数据采集卡。上位机采用Labview软件控制输 出的驱动信号以及接收探测器的输入信号。

实验过程中在PA1的驱动电压为0V的条件下，使PA2的驱动电压 幅值从0V到10V变化，得到如图5的实线所示的相位延迟从低到高 的曲线。然后改变驱动电压，使PA2的驱动电压幅值维持10V，PA1的 驱动电压幅值从0V到10V变化，得到如图5的虚线所示的相位延迟从高到低的曲线。可见，实现了相位延迟从高到低和从低到高的连续 变化。

双层向列相液晶相位延迟器的时间响应特性

向列相液晶的响应时间受液晶层厚度，液晶黏滞系数、电压、温 度等影响，对于单片向列相液晶，其时间响应值与电压变化的方向有 关。给单片向列相液晶加压，使电压从1.5变为10V，波形频率为3HZ， 载波频率为4000HZ。此时液晶的相位延迟从最大值变为0，其响应时 间约为1.80ms，当电压从10变为1.5V时，此时液晶的相位延迟从 0变为最大值，其响应时间约为10.25ms，单片液晶(PA1)的响应 时间曲线如图3(a)所示。当电压从1.5到10V变化时，液晶的响应 时间较快。当电压10V到1.5V变化时，响应时间由液晶分子恢复到 电压所对应稳态的速度有关，所以响应时间较慢。

对于本文所设计的双层向列相液晶相位延迟器，其响应时间与电 压变化的方向无关。给双层向列相液晶同时加上如图3所示的驱动电 压V_PA1和V_PA2。使V_PA1电压从1.5变为10V，V_PA2＝10V，此时液晶的相位 延迟从最大值变为0，其响应时间约为1.83ms，当使V_PA2电压从10V 变为1.5V，V_PA1＝0V时，此时液晶的相位延迟从0变为最大值，其响 应时间约为0.87ms，双层液晶的响应时间曲线如图3(c)所示。当 相位延迟量从零到最大值和从最大值到零变化时，液晶的响应时间与 单层向列相液晶相比大大减小。

分别在PA1中发生的弛豫过程与在PA2中发生的弛豫过程之间 的微小失配可能导致在相位延迟为0状态下的略微变化，这里在 图3上用黑色圆圈标出。这个小的相位延迟变化，不会对结果造 成影响。通过适当选择液晶参数和驱动电压可降低这个小的相位 延迟波动。

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 (6)

1.一种基于双层向列相液晶的快响应相位延迟器，其特征在于，该液晶相位延迟器在外加电场驱动下，对入射光信号进行纯相位调制。

2.如权利要求1所述的相位延迟器是基于向列相液晶的电控折射率效应实现的，它可对入射光的相位延迟量进行从零到到最大值和最大值到零的连续、快速调制。

3.如权利要求1所述的向列相液晶相位延迟器，其特征在于，向列相液晶PA1(parallelalignment)的指向矢与起偏器透偏方向呈45°角放置，向列相液晶PA2指向矢与起偏器透偏方向呈-45°角放置。在外加电场强度为零时，入射线偏光透过第一片向列相液晶片后产生相位延迟，延迟量由液晶双折射率及厚度决定；由于第二片液晶的光轴与第一片的光轴相垂直，光通过第二片液晶产生的相位延迟量幅度相同且方向相反。通过两片厚度相同且快轴相互垂直的向列相液晶片使得其产生的相位延迟互相补偿。

4.如权利要求1所述的向列相液晶相位延迟器，其使用的向列相液晶在外加电场下，分子的指向矢发生倾斜，倾斜角度由电场强度的幅值决定而与电场强度极性无关，为θ(E)，此时，液晶的有效双折射率发生改变Δn_eff(θ)。

5.如权利要求1所述双层向相列相液晶相位延迟器，其特征在于，若PA2的驱动电压V_PA2为0V，改变PA1的驱动电压V_PA1的值使其从0到10V连续变化，则PA1中倾斜角θ随电压幅度增加，相位延迟量从零增加并达到饱和。

6.如权利要求1所述，若维持PA1的驱动电压V_PA1为10V，改变V_PA2的值使其从0到10V连续变化，则PA2中倾斜角θ随电压增加，液晶分子在电场作用下，由平行排列变为垂直排列，在电压驱动下相位延迟量由最大值降为零。

如权利要求1所述双层向列相液晶相位延迟器，其特征在于，该相位延迟器选用厚度相同的两片平行取向向列相液晶进行相位互补，实现相位延迟量由低到高和由高到低的双向、连续、快速调控，其响应时间可通过减小液晶厚度和增加驱动电压而进一步减小。