液晶空间光调制器相位调制特性研究综述课件.ppt

1、液晶空间光调制器液晶空间光调制器(LC-SLM)相位调制特性相位调制特性Page 2偏振器件的琼斯矩阵偏振器件的琼斯矩阵液晶的光学特性液晶的光学特性液晶空间光调制器对光的调制特性液晶空间光调制器对光的调制特性光的偏振光的偏振Page 3一一 光的偏振光的偏振n 自然光和偏振光自然光和偏振光1. 自然光自然光 由于光源发光是由大量原子发光组成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每个原子发光的电矢量 和磁矢量和磁矢量 的振动方向都是随机的的振动方向都是随机的, 和和 在各方向的振动都存在在各方向的振动都存在;感光作用决定于感光作用决定于电矢量电矢量 (光矢量光矢量).EEEHH

2、一束自然光可以等效为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。的、光强度各占一半的两束光。自然光的等效自然光的等效自然光的图示法：自然光的图示法：yxEE 02IIIIyx 0IIIyx 自然光自然光自然光的等效自然光的等效xEyEPage 4一一 光的偏振光的偏振2. 线偏振光线偏振光 只在某一方向有光振动的光，称为线偏振光。E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解直的方向分解EEyEx yx sincosEEEEyx

3、线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动光振动垂直垂直画面画面光振动光振动平行平行画面画面Page 53、圆偏光、椭圆偏光、圆偏光、椭圆偏光一一 光的偏振光的偏振右旋圆偏振光右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2xE 0某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光 随随Z的变化的变化E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。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。Page 6二二 偏振器件的琼斯矩阵偏振器件的琼斯矩阵1. 偏振光的琼斯矩阵表示法偏振光的琼斯矩阵表示法i0i0 (112)xyxxy

4、yE eEEE e 1941年琼斯利用一个列矩阵表示电矢量的年琼斯利用一个列矩阵表示电矢量的 x、y 分量分量 这个这个矩矩阵通常称为阵通常称为琼斯矢量琼斯矢量。这种描述偏振光的方法是一种确定光波。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。偏振态的简便方法。例如例如, x 方向振动的线偏振光、方向振动的线偏振光、y 方向振动的线偏振光、方向振动的线偏振光、45度方向振动的线度方向振动的线偏振光、振动方向与偏振光、振动方向与 x 轴成轴成角的线偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光角的线偏振光、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：的标准归一化琼斯矢量形式分别为：101

5、cos11222, , , , , 011sini-i222 2. 琼斯矩阵表示法琼斯矩阵表示法 考虑到光强考虑到光强 ，有时将琼斯矢量的每一个分量除以，有时将琼斯矢量的每一个分量除以 ，得到，得到标准的标准的归一化琼斯矢量归一化琼斯矢量。22xyIEEIPage 7 利用琼斯矢量可以利用琼斯矢量可以很方便地计算偏振光很方便地计算偏振光 Ei 通过几个偏振通过几个偏振元件后的偏振态：元件后的偏振态：22112211 txixnntyiynnEEa ba ba bEEc dc dc d nnnna bc d式中，式中， 为表示光学元件偏振特性的琼斯矩阵。为表示光学元件偏振特性的琼斯矩阵。二二 偏

6、振器件的琼斯矩阵偏振器件的琼斯矩阵Page 8三三 液晶的光学特性液晶的光学特性1. 液晶定义液晶定义 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. 液晶分类液晶分类 （按分子排列方式）（按分子排列方式）向列相液晶向列相液晶(nematic)(nematic)近晶相液晶(smectic)胆甾相液晶胆甾相液晶(cholestevic)(cholestevic)Page 9三三 液晶的光学特性液晶的光学特性1. 液晶各向异性的描

7、述液晶各向异性的描述n 平行(/)方向：沿分子长轴方向，指液晶分子集合体的平均长轴方向。n 垂直()方向：沿液晶分子集合体的平均短轴方向。n 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。n 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。n如介电各向异性可表示为：n若，则为正介电各向异性；n若，则为负介电各向异性。/- /n。所以折射率各向异性为所以折射率各向异性为正。正。因此，因此，向列相液晶为光学正性单轴晶体向列相液晶为光学正性单轴晶体。nne = n/no= n光轴向列液晶

8、(光学正液晶)Page 11四四. 液晶空间光调制器对光的调制特性液晶空间光调制器对光的调制特性 液晶空间光调制器液晶空间光调制器(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并按此信号改变空间光调制器介质本身相应的光电参数光电参数(透过率、折射率等透过率、折射率

9、等)从而达到对入射到其单元上的从而达到对入射到其单元上的光学参数光学参数(振幅、位相、偏振态等振幅、位相、偏振态等)进行调制进行调制的目的。的目的。常用的液晶空间光调制器：常用的液晶空间光调制器：1. 液晶光阀液晶光阀(光寻址液晶空间光调制器光寻址液晶空间光调制器)2. 铁电液晶空间光调制器铁电液晶空间光调制器3. 液晶微显示面板液晶微显示面板(电寻址液晶空间光调制器电寻址液晶空间光调制器)基于薄膜晶体管基于薄膜晶体管(TFT)技术的技术的透射式液晶空间光调制器透射式液晶空间光调制器和基于硅基液晶和基于硅基液晶(LCoS)技术技术的的反射式液晶空间光调制器反射式液晶空间光调制器。Page 12

10、透射式透射式LC-SLM像素结构示意图像素结构示意图成品率高成品率高开口率低开口率低基于基于LCOS的反射式的反射式SLM像素结构示意图像素结构示意图开口率高开口率高像素小像素小有较好的位相调制特性有较好的位相调制特性液晶微显示面板液晶微显示面板全息显示、干涉测量、波面整形全息显示、干涉测量、波面整形四四. 液晶空间光调制器对光的调制特性液晶空间光调制器对光的调制特性Page 13液晶对光的调制原理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分子组成的部

11、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，包括现出晶体固有的各向异性，包括介电、磁极化、折射率介电、磁极化、折射率等。电场、等。电场、磁场作用下各向异性会发生变化。磁场作用下各向异性会发生变化。电场电场-分子排列状态变化分子排列状态变化-液晶的光学性质变化（实现对光的调液晶的光学性质变化（实现对光的调制）制）液晶的光电效应：液晶的光电效应：扭曲效应（扭曲向列相液晶扭曲效应（扭曲向列相液晶TN+偏振片）偏振片）-光振幅调制光振幅调制电控双折射（向列相液晶电控双折射（向列相液晶N）-纯位相调制纯位相调制动态散射动态散射宾主效应宾主效应相变效应相变效应四四. 液晶空间光调

12、制器对光的调制特性液晶空间光调制器对光的调制特性Page 14 扭曲向列相液晶TN振幅调制原理-控制液晶盒的透射率n 两块导电玻璃基板中间充入具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有正介电各向异性的向列液晶(Np液晶液晶)，液晶分子沿面排列，液晶分子沿面排列，但分子长轴在上下基片之间连但分子长轴在上下基片之间连续扭曲续扭曲90，形成扭曲，形成扭曲(TN)排排列的液晶盒。列的液晶盒。n 若在液晶盒上加一个电压超过若在液晶盒上加一个电压超过阈值阈值Vth后，后，Np型液晶分子长型液晶分子长轴开始沿电场倾斜，当电压达轴开始沿电场倾斜，当电压达到到2Vth时，除电极表面分子外，时，除电

13、极表面分子外，所有液晶盒两电极之间的液晶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。分子均变成沿电场方向排列。此时，此时，TN型液晶的型液晶的90旋光性旋光性能消失。能消失。Page 15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：液晶的有效双折射率：ne ()为液晶有效双折射率，为为液晶有效双折射率，为 的函数；的函数；ne 为液为液晶的异常折射率，晶的异常折射率，no为液晶的寻常折射率，为液晶的寻常折射率，ne 和和no均由液晶本身决定；均由液晶本身决定；是液晶分子指向矢和电场方是液晶分子指向矢和电场方向的夹角向的夹角。对于光学正性液晶：对于光学正性液晶： ne

14、no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，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：位相的调制量为：液晶液晶本身性质决定了它本身性质决定了它的最大异常的最大异常折射率，折射率，所所加电压不同，对应不同加电压不同，对应不同的调制量。的调制量。Page 16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，向列相液晶：单轴晶体，分子长轴为其光轴，光学正晶，neno以以Nn型

15、为例（型为例（电场与分子长轴垂直时，体系能量最小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）液晶分子排列的初始模式（无电场）液晶分子转液晶分子转角后的排列方向（加电场）角后的排列方向（加电场）在在oxz平面内平面内, A点的坐标为点的坐标为( xA,zA),设椭圆的设椭圆的短半轴长为短半轴长为n(垂直分子长轴方向振动的光垂直分子长轴方向振动的光折射率）折射率）,长半轴为长半轴为n/ (沿分子长轴方向振动沿分子长轴方向振动的光折射率）的光折射率）, 有有：设长轴设长轴oz 为液晶分子长轴为液晶分子长轴（光轴）（光轴）方方向，研究时选择入射面与折射面重合，向，研究时选择入射

16、面与折射面重合，即液晶分子在纸面内进行旋转。即液晶分子在纸面内进行旋转。Page 17Page 18 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对不同偏振态入射光的调制液晶分子转液晶分子转角后的排列方向角后的排列方向向列相液晶对不同偏振光的调制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

17、偏振光垂直纸面（用表示），另一种偏振光平行于纸面（用表示），另一种偏振光平行于纸面（用/表示）。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中，垂直于纸在液晶指向矢旋转过程中，垂直于纸面偏振光始终垂直面面偏振光始终垂直面oxz，液晶对该偏振，液晶对该偏振分量折射率是分量折射率是OB所代表的折射率，其长所代表的折射率，其长度在液晶分子旋转过程中始终保持不变，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。该分量光调制作用，不能实现相位调制。该分量光为为o光。光。 当给液晶盒加电场时，该分

18、量方向的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），一般采息图再现时成为背景光（噪声），一般采用偏振片将其滤掉。用偏振片将其滤掉。 Page 192. 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，针对平行于纸面偏振的入射光，如图如图OA在纸面内。随着液晶指向在纸面内。随着液晶指向矢的变化，矢的变化，OA的长度也发生变化，的长度也发生变化，即为即为e光，其折射率可用下式计算：光，其折射率可用下式计算：结论：平行于纸面偏振分量光为结论：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

19、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。振片对其他偏振态的光进行过滤，如下图所示。Page 204.2 正入射情况下调制分析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：态。液晶盒的琼斯矩阵： 其中其中：为液晶盒的扭曲角度，这里为为液晶盒的扭曲角度，这里为0，为入射波长，为入射波长，n=n/-n，dL为液晶盒的厚度。为液晶盒的厚度。液晶盒与偏振片（透光轴沿液晶盒与偏振片（透光轴沿x轴）的琼斯矩阵分别为：轴）的琼斯矩阵分别为：Page 21两个

20、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Page 22应用于反射式空间光调制器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反射式空间光调制器位相调制量 Page 234.3 斜入射情况下调制分析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：ENDEND