CN112666727A - 一种电控可调分光比的偏振分束装置及分光比控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电控可调分光比的偏振分束装置及分光比控制方法，包括依次排列的起偏器、消色差四分之一波片和液晶偏振光栅组成的通光光路，以及与液晶偏振光栅连接的外控电压驱动装置。其中：起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度，液晶偏振光栅可以实现偏振分束，而外控电压驱动装置可以改变液晶偏振光栅的双折射，实现分光比连续变化。本发明可以实现宽波段任意入射光束的偏振分波，分光比可以通过外控电压实现连续的、精确的动态调节。

Description

一种电控可调分光比的偏振分束装置及分光比控制方法

技术领域

本发明属于可调分光比的偏振分束装置及方法，涉及一种电控可调分光比的偏振分束装置及分光比控制方法。尤其涉及一种宽波段任意光束分光比可以通过外控电压实现连续的、精确的动态调节的偏振分束方法，应用于光电领域可以实现宽波段任意光束的偏振分光，具有电可调性和极高的效率。

背景技术

分束器是光路系统中的重要器件之一，传统的分束方法主要依靠分光棱镜、偏振分光棱镜、光束位移器等，但这些分束方法的分光比是固定不可调的，且输出的光束方向角固定。

现有的具有可调偏振分光比的偏振分束器也是基于液晶材料的电光效应实现光束的偏振分波，例如申请公布号为CN104965317A的发明专利申请“电控可调偏振分光比的偏振分束器及其工作方法”，其公开了一种电控可调偏振分光比的偏振分束器，通过外控电压改变整个液晶盒的相位延迟实现入射光束偏振态的改变，再利用分光棱镜实现分光输出，但其分光元件还是传统的偏振分光棱镜，只能实现单一波长的精确可控分光。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电控可调分光比的偏振分束装置及分光比控制方法，能实现宽波段电控可调分光比的偏振分束装置及方法，偏振分光比可以通过调节外控电压实现连续的、精确的动态调节，且改变液晶偏振光栅的周期可以改变输出光束的方向角，可开发为应用于光电领域的光波器件。

技术方案

一种电控可调分光比的偏振分束装置，其特征在于包括起偏器1、消色差四分之一波片2、液晶偏振光栅3和外控电压驱动装置4；依光路设置为起偏器1、消色差四分之一波片2和液晶偏振光栅3，外控电压驱动装置4与液晶偏振光栅3连接，其中起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度；所述液晶偏振光栅包括两个平行设置的带电极透明基板，位于两基板之间的液晶薄膜层，以及两基板表面靠近液晶薄膜层一侧涂敷的光控取向膜；所述外控电压驱动装置对液晶偏振光栅施加电压。

所述振分束装置的两个输出端口的出射光束为正交偏振或同偏振。

所述振分束装置的两个输出端口的出射光束的分光比通过调节外控电压实现连续的动态调节。

所述液晶偏振光栅中液晶分子的取向有序性，使其具有光学各向异性；所述液晶偏振光栅视为一个单轴晶体，光轴为液晶分子指向矢方向。

一种采用所述电控可调分光比的偏振分束装置实施电控可调分光比的偏振分束的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：偏振器将宽波段任意入射光转换为线偏振光；

步骤2：消色差四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光；

步骤3：圆偏振光经液晶偏振光栅衍射，输出为两束正交偏振的圆偏振光；

其中：液晶偏振光栅受外控电压驱动装置4的施加电压的改变，改变光束经过液晶偏振光栅所累积的相位延迟量，调节两个输出端口的光束分光比，具体为：

所述电控可调分光比的偏振分束方法的两束出射光分光比为：

其中，I₁，I₂分别为所述偏振分束方法的两束出射光的强度值；δ为入射光经过液晶偏振光栅累积的相位延迟量；

所述位延迟量

其中，λ为入射光波的波长，d为液晶偏振光栅中液晶薄膜层的厚度；Δn为液晶偏振光栅的双折射；

所述液晶偏振光栅的双折射取决于入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ：

其中，n_o和n_e分别为液晶偏振光栅中寻常光和非寻常光的折射率；

所述液晶分子指向矢的夹角θ与调节外控电压相关：

θ＝π/2-f(U)

其中f(U)为所述电压变化引起入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ变化量的函数。

所述f(U)具有类线性关系：f(U)＝k·U，其中k为不同材料液晶分子的响应系数。

有益效果

本发明提出的一种电控可调分光比的偏振分束装置及分光比控制方法，包括依次排列的起偏器、消色差四分之一波片和液晶偏振光栅组成的通光光路，以及与液晶偏振光栅连接的外控电压驱动装置。其中：起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度，液晶偏振光栅可以实现偏振分束，而外控电压驱动装置可以改变液晶偏振光栅的双折射，实现分光比连续变化。本发明可以实现宽波段任意入射光束的偏振分波，分光比可以通过外控电压实现连续的、精确的动态调节。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明中，宽波段任意入射光束都能实现独立的偏振分束，且光束分光比可以通过调节外控电压实现精确的动态调节。

本发明中，改变液晶偏振光栅的周期，可以实现输出光束方向角的变化。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种电控可调分光比的偏振分束装置的结构图；

图中，1为起偏器，2为消色差四分之一波片，其快轴方向与起偏振器的起偏方向夹角为45度，3为带有驱动电极的液晶偏振光栅，4为外控电压驱动装置，φ为两个输出端口1和2的出射光束夹角。

图2为本发明实施例1提供的一种电控可调分光比的偏振分束装置的液晶偏振光栅结构示意图；

图中，01为透明基板，02为驱动电极，03为光控取向膜。

图3为本发明实施例1提供的液晶偏振光栅中单个液晶分子空间位置结构示意图；

图中，

为液晶分子指向矢，也是液晶分子的长轴方向；

为液晶分子的方位角；θ为液晶分子指向矢

与z轴的夹角。

图4为本发明实施例1提供的液晶偏振光栅在xoy平面的指向矢分布结构示意图。

图5为本发明实施例1提供的液晶偏振光栅在xoy平面指向矢分布模拟图。

图6为本发明实施例2提供的一种电控可调分光比的偏振分束装置结构图；

图中，1为起偏器，2为四分之一波片，其快轴方向与起偏振器的起偏方向夹角为45度，3为带有驱动电极的液晶偏振光栅，4为信号发生器，5为检偏器，φ为两个输出端口的光束夹角。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用以下技术方案：

一种电控可调分光比的偏振分束装置，包括依次排列的起偏器、消色差四分之一波片和液晶偏振光栅组成的通光光路，以及与液晶偏振光栅连接的外控电压驱动装置，其中起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度；

所述起偏器用于将任意光束转换为线偏振光；

所述消色差四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光；

所述液晶偏振光栅包括两个平行设置的带电极透明基板，位于两基板之间的液晶薄膜层，以及两基板表面靠近液晶薄膜层一侧涂敷的光控取向膜；

所述液晶偏振光栅中液晶分子的取向有序性，使其具有光学各向异性，可将所述液晶偏振光栅视为一个单轴晶体，光轴为液晶分子指向矢方向；

所述外控电压驱动装置用于对所述液晶偏振光栅施加电压。

在本发明中，所述电控可调分光比的偏振分束装置包括两个输出端口，两个端口的出射光束既可以是正交偏振的，也可以是同偏振的，且分光比可以通过调节外控电压实现连续的、精确的动态调节。

采用本电控可调分光比的偏振分束方法，实现宽波段任意光束的偏振分光包括以下步骤：

a)宽波段任意入射光经偏振器转换为线偏振光；

b)线偏振光经消色差四分之一波片转换为圆偏振光；

c)圆偏振光经液晶偏振光栅衍射，输出为两束正交偏振的圆偏振光；

d)对液晶偏振光栅施加电压，改变光束经过液晶偏振光栅所累积的相位延迟量，精确调节两个输出端口的光束分光比。

在本发明中，电控可调分光比的偏振分束方法的两束出射光分光比为：

其中，I₁，I₂分别为所述偏振分束方法的两束出射光的强度值，δ为入射光经过液晶偏振光栅累积的相位延迟量，计算公式为：

其中，λ为入射光波的波长，d为液晶偏振光栅中液晶薄膜层的厚度；Δn为液晶偏振光栅的双折射，由入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ确定。

在本发明中，通过调节外控电压可以实现两束出射光分光比的连续变化。

对液晶偏振光栅施加电压，引起液晶偏振光栅中液晶分子的转动，可以改变入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ，从而改变液晶偏振光栅的双折射Δn。入射光束与液晶分子指向矢的夹角θ与施加在液晶偏振光栅的电压满足关系式：θ＝π/2-f(U)，其中f(U)为所述电压变化引起入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ变化量的函数。当U＝0时，f(U)＝0，则θ＝π/2。在电压不超过液晶偏振光栅的临界电压时，f(U)具有类线性关系：f(U)＝k·U，其中k为不同材料液晶分子的响应系数。

当入射光束通过液晶偏振光栅时，液晶偏振光栅的双折射Δn计算公式为：

其中，n_o和n_e分别为液晶偏振光栅中寻常光和非寻常光的折射率。

根据上述原理，任意入射光束通过所述电控可调分光比的偏振分束装置，对所述液晶偏振光栅施加电压，可以改变入射光束与所述液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ，引起所述液晶偏振光栅的双折射Δn变化，使得光束经过所述液晶偏振光栅累积的相位延迟量δ覆盖0～π/2的变化范围，最终实现对两个输出端口光束分光比从∞～0的变化调节。

在本发明中，电控可调分光比的偏振分束方法的两束出射光夹角φ的大小取决于入射光波长λ与液晶偏振光栅周期Λ的比值，满足光栅方程sinφ＝λ/Λ，通过改变液晶偏振光栅的周期Λ可以改变两束出射光的夹角φ，实现出射光束方向角的变化。

实施例1

本实施例提供一种电控可调分光比的偏振分束装置，可直接将宽波段任意偏振态的入射光束分解为两束正交圆偏振光，即左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，且两束圆偏振光的能量分光比可通过外控电压控制实现精确的动态调节。如图1所示，电控可调分光比的偏振分束装置，包括依次排列的起偏器1、消色差四分之一波片2和液晶偏振光栅3组成的通光光路，以及与液晶偏振光栅3连接的外控电压驱动装置4，其中起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度。

需要特别说明的是，起偏器1采用市售的自由空间偏振片，用于将任意光束转换为线偏振光；消色差四分之一波片2为400nm-700nm、700nm-1100nm、1100nm-1650nm可选，用于将线偏振光转换为圆偏振光；液晶偏振光栅3中液晶分子的取向有序性，使其具有光学各向异性，可将所述液晶偏振光栅视为一个单轴晶体，光轴为液晶分子指向矢方向，其作用相当于一个任意波片，能够实现偏振分束；外控电压驱动装置4用于对所述液晶偏振光栅施加电压。

图2为本实施例提供的液晶偏振光栅结构示意图，包括两个平行设置的透明基板01，设置在两透明基板相对内侧的驱动电极02，位于两基板之间的液晶薄膜层，以及两基板表面靠近液晶薄膜层一侧涂敷的光控取向膜03。

图3为液晶偏振光栅中单个液晶分子空间位置结构示意图，图中，

为液晶分子指向矢方向，也是液晶分子的长轴方向；

为液晶分子的方位角；θ为液晶分子指向矢

与z轴(入射光束方向)的夹角。无外加电压时，液晶分子指向矢

垂直于z轴，θ为π/2；施加电压到液晶偏振光栅上，液晶分子将绕z轴发生转动，液晶分子指向矢

与z轴的夹角θ也随之变化。

图4为本实施例中液晶偏振光栅在xoy平面的指向矢分布结构示意图，其中液晶分子指向矢的方位角

(

Λ为液晶偏振光栅的周期)沿x轴呈线性周期性变化；通过锚定作用，液晶偏振光栅中液晶分子沿z轴方向(垂直于纸面方向)的指向矢方向均一致。

图5为本实施例中液晶偏振光栅在xoy平面的指向矢分布模拟图，反映液晶偏振光栅中液晶分子的排布情况，液晶分子指向矢的方位角

在单个周期内变化范围从0～π的，每个灰度代表液晶分子指向矢的一个固定方位角度。

图1所示的电控可调分光比的偏振分束装置两个输出端口1和2的出射光束分光比为：

其中，I₁，I₂分别为所述电控可调分光比的偏振分束装置输出端口1和输出端口2出射光的强度值，δ为入射光经过所述液晶偏振光栅累积的相位延迟量，由(2)式计算：

其中，λ为入射光波的波长，d为所述液晶偏振光栅液晶薄膜层的厚度；Δn为所述液晶偏振光栅的双折射，由入射光束(沿z轴方向)与所述液晶偏振光栅中液晶分子指向矢

的夹角θ确定。

对所述液晶偏振光栅施加电压，引起液晶偏振光栅中液晶分子的转动，可以改变入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢

的夹角θ，从而改变液晶偏振光栅的双折射Δn。入射光束与液晶分子指向矢

的夹角θ与施加在液晶偏振光栅的电压满足关系式：θ＝π/2-f(U)，其中f(U)为所述电压变化引起入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢

的夹角θ变化量的函数。当U＝0时，f(U)＝0，则θ＝π/2。在电压不超过液晶偏振光栅的临界电压时，f(U)具有类线性关系：f(U)＝k·U，其中k为不同材料液晶分子的响应系数。

当入射光束通过所述液晶偏振光栅时，所述液晶偏振光栅的双折射Δn，由(3)式计算：

其中，n_o和n_e分别为所述液晶偏振光栅中寻常光和非寻常光的折射率。

根据上述原理，任意入射光束通过所述电控可调分光比的偏振分束装置，对所述液晶偏振光栅施加电压，可以改变入射光束与所述液晶偏振光栅中液晶分子指向矢

的夹角θ，引起所述液晶偏振光栅的双折射Δn变化，使得光束经过所述液晶偏振光栅累积的相位延迟量δ覆盖0～π/2的变化范围，最终实现对两个输出端口光束分光比从∞～0的变化调节。

在实施例中，图1所示的电控可调分光比的偏振分束装置两个输出端口1和2的出射光束夹角φ的大小取决于入射光波长λ与所述液晶偏振光栅周期Λ的比值，满足光栅方程sinφ＝λ/Λ，通过改变所述液晶偏振光栅的周期Λ可以改变两个出射光束的夹角φ，实现出射光束方向角的变化。

本实施例的工作过程是：任意入射光经所述偏振器转换为线偏振光；线偏振光经所述快轴方向与起偏器起偏方向夹角为45度的消色差四分之一波片转换为圆偏振光；圆偏振光经所述液晶偏振光栅衍射，输出为两束偏振态正交的圆偏振光；对所述液晶偏振光栅施加电压，改变光束经过所述液晶偏振光累积的相位延迟量，从而精确调节输出端口的两束正交圆偏振光的分光比。

实施例2

本实施例提供一种电控可调分光比的偏振分束装置，可直接实现对任意偏振态的入射光束分解为两束同偏振的线偏振光，且两束线偏振光的分光比可通过外控电压控制实现精确的动态调节。实现任意光束的同偏振分束方法与实现任意光束的正交偏振分束方法一样，但实现同偏振分束需要在实现正交偏振分束装置(实施例1)的输出端添加一个检偏器。如图6所示，一种电控可调分光比的偏振分束装置，包括依次排列的起偏器1、消色差四分之一波片2、液晶偏振光栅3和检偏器5组成的通光光路，以及与液晶偏振光栅3连接的外控电压驱动装置4，其中起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度，检偏器5采用市售的自由空间偏振片，用于将任意光束转换为线偏振光，φ为两个输出端口的出射光束夹角。

本实施例的工作过程是：任意入射光经所述偏振器转换为线偏振光；线偏振光经所述快轴方向与起偏器起偏方向夹角为45度的消色差四分之一波片转换为圆偏振光；圆偏振光经所述液晶偏振光栅衍射，输出为两束偏振态正交的圆偏振光；两束正交圆偏振光经所述检偏器转化为两束同偏振的线偏振光；对所述液晶偏振光栅施加电压，改变光束经过所述液晶偏振光累积的相位延迟量，从而精确调节输出端口的两束线偏振光的分光比。

Claims (6)

1.一种电控可调分光比的偏振分束装置，其特征在于包括起偏器(1)、消色差四分之一波片(2)、液晶偏振光栅(3)和外控电压驱动装置(4)；依光路设置为起偏器(1)、消色差四分之一波片(2)和液晶偏振光栅(3)，外控电压驱动装置(4)与液晶偏振光栅(3)连接，其中起偏器的起偏方向与消色差四分之一波片的快轴夹角为45度；所述液晶偏振光栅包括两个平行设置的带电极透明基板，位于两基板之间的液晶薄膜层，以及两基板表面靠近液晶薄膜层一侧涂敷的光控取向膜；所述外控电压驱动装置对液晶偏振光栅施加电压。

2.根据权利要求1所述电控可调分光比的偏振分束装置，其特征在于：所述振分束装置的两个输出端口的出射光束为正交偏振或同偏振。

3.根据权利要求1所述电控可调分光比的偏振分束装置，其特征在于：所述振分束装置的两个输出端口的出射光束的分光比通过调节外控电压实现连续的动态调节。

4.根据权利要求1所述电控可调分光比的偏振分束装置，其特征在于：所述液晶偏振光栅中液晶分子的取向有序性，使其具有光学各向异性；所述液晶偏振光栅视为一个单轴晶体，光轴为液晶分子指向矢方向。

5.一种采用权利要求1～4任一项所述电控可调分光比的偏振分束装置实施电控可调分光比的偏振分束的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：偏振器将宽波段任意入射光转换为线偏振光；

步骤2：消色差四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光；

步骤3：圆偏振光经液晶偏振光栅衍射，输出为两束正交偏振的圆偏振光；

其中：液晶偏振光栅受外控电压驱动装置4的施加电压的改变，改变光束经过液晶偏振光栅所累积的相位延迟量，调节两个输出端口的光束分光比，具体为：

所述电控可调分光比的偏振分束方法的两束出射光分光比为：

其中，I₁，I₂分别为所述偏振分束方法的两束出射光的强度值；δ为入射光经过液晶偏振光栅累积的相位延迟量；

所述位延迟量

其中，λ为入射光波的波长，d为液晶偏振光栅中液晶薄膜层的厚度；Δn为液晶偏振光栅的双折射；

所述液晶偏振光栅的双折射取决于入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ：

其中，n_o和n_e分别为液晶偏振光栅中寻常光和非寻常光的折射率；

所述液晶分子指向矢的夹角θ与调节外控电压相关：

θ＝π/2-f(U)

其中f(U)为所述电压变化引起入射光束与液晶偏振光栅中液晶分子指向矢的夹角θ变化量的函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述f(U)具有类线性关系：f(U)＝k·U，其中k为不同材料液晶分子的响应系数。

Images