基于液晶光調(diào)制器的可控偏振分光技術(shù)研究

宋盧軍，劉智，方韓韓，倪小龍，劉藝

（1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

液晶空間光調(diào)制器是光信息處理中重要的元件，它利用液晶的電控雙折射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對入射光的調(diào)制。其中向列型液晶空間調(diào)制器表現(xiàn)出很好的雙折射效應(yīng)，液晶的電控雙折射效應(yīng)是在電場的作用下，液晶分子的初始排列形式發(fā)生改變，在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下，分子的長軸會(huì)與電極產(chǎn)生不同的傾角，從而使液晶盒的雙折射率發(fā)生變化，光經(jīng)過液晶后產(chǎn)生不同的偏振態(tài)，也就是說，“電”通過液晶對“光”進(jìn)行調(diào)制。

在光傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將光信號進(jìn)行耦合、分支、分配等，所以分光器具有非常廣泛的應(yīng)用。例如，光信號的分路器件、自適應(yīng)光放大器，還能用作可調(diào)光衰減器、光開光等［1，2］。本文采用基于液晶的光調(diào)制技術(shù)，擬將液晶作為一種動(dòng)態(tài)可變的光束分光器置于光學(xué)系統(tǒng)中。該裝置具有可應(yīng)用光譜范圍特別寬、調(diào)諧電壓低、損耗低、重復(fù)率高、穩(wěn)定性好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用液晶作為動(dòng)態(tài)光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)光束控制成為一種有效的手段。

1 基礎(chǔ)理論與工作原理

液晶光調(diào)制器是一種基于液晶電光效應(yīng)的光調(diào)制器件，利用液晶分子的雙折射效應(yīng)和兩片偏振方向一致的偏振片來工作的［3，4］。而根據(jù)雙折射效應(yīng)現(xiàn)象，光束在某些晶體中傳播時(shí)，由于晶體對兩個(gè)相互垂直振動(dòng)矢量的光的折射率不同而產(chǎn)生兩束折射光，即o光與e光。o光服從折射定律，沿各方向的光的傳播速度相同，各向折射率相同，且在入射面內(nèi)傳播，這一條光也稱為尋常光，其折射率為no。e光不服從折射定律，沿各個(gè)方向的光的傳播速度不相同，各向折射率不相同，并且不一定在入射面內(nèi)傳播，這一條光也稱為非尋常光，其折射率為ne。o光和e光是完全偏振光，其光振動(dòng)方向與晶體結(jié)構(gòu)和光入射條件有關(guān)。

向列型液晶具有電控雙折射效應(yīng)，通常TN盒液晶的瓊斯矩陣表達(dá)式為［5］：

上式中旋轉(zhuǎn)矩陣R(φ)可表示為：

其中相位延遲量Γ和X可表示為：

式中，λ為光波波長，d為液晶厚度，φ為液晶扭曲角，對于向列相液晶，則有 φ=2π λ。

入射光偏振態(tài)用瓊斯矩陣表示為：

當(dāng)光束經(jīng)過液晶后偏振態(tài)變化為：

由公式（3）、（4）和（6）可知，當(dāng)液晶的厚度 d 一定時(shí)，通過改變液晶的雙折射率即可改變出射光的偏振態(tài)。

液晶可變光束分離器的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由準(zhǔn)直器、光衰減器、起偏器、液晶空間光調(diào)制器和偏振分束棱鏡組成。激光器發(fā)出光束經(jīng)準(zhǔn)直后，經(jīng)過衰減片后保持光強(qiáng)大小在合適范圍內(nèi)，再由起偏器將光束變成線偏振光。線偏光進(jìn)入液晶后，通過調(diào)整液晶驅(qū)動(dòng)電壓來改變其雙折射率，從而可實(shí)現(xiàn)對入射線偏振光的偏振態(tài)的改變。偏振分束鏡（沃拉斯頓棱鏡）是一種能產(chǎn)生兩束彼此分開的、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光的器件，不同偏振態(tài)的入射光進(jìn)入沃拉斯頓棱鏡后，將分成光強(qiáng)大小不等兩束光。所以，該裝置通過液晶空間光調(diào)制器精確控制光束的偏振態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對可控偏振分光。

2 可變光束分離器的理論推導(dǎo)

當(dāng)起偏器的透振方向?yàn)樗椒较?，則I//為偏振分束鏡水平透振方向時(shí)出射的光強(qiáng)，I⊥為偏振分束器垂直透振方向出射的光強(qiáng)。將液晶放置于其光軸方向與起偏器透振方向成45°夾角位置。若ae和ao分別代表尋常光和非尋常光的吸收系數(shù)，當(dāng)(ae-ao）d＜＜1（ae和ao之間的差別可以忽略）時(shí)，水平與垂直方向上的透過光強(qiáng)為［6-8］：

式中I0為入射光的強(qiáng)度。

則分光比即可表示為：

向列相液晶分子在電場作用下分子軸偏振一個(gè)角度 α ，隨電壓V 的變化函數(shù)為［9］：

式中，Vth為閾值電壓，V0為盈電壓。

由公式（10）可知，當(dāng)液晶的驅(qū)動(dòng)電壓小于閾值電壓Vth時(shí)，分子軸不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則液晶的雙折射率在此區(qū)間內(nèi)保持不變，反射光與透射光強(qiáng)之比幾乎不發(fā)生變化。當(dāng)液晶的驅(qū)動(dòng)電壓大于Vth，但小于驅(qū)動(dòng)液晶的飽和電壓V0，此時(shí)液晶的雙折射率將產(chǎn)生明顯變化，即電壓在Vth～V0區(qū)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)分光比。當(dāng)液晶驅(qū)動(dòng)電壓大于V0，液晶分子達(dá)到最小延時(shí)量后且分子幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，入射光的偏振態(tài)經(jīng)過液晶后偏振態(tài)將不發(fā)生變化。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所使用的液晶空間調(diào)制器為美國Meadowlark公司生產(chǎn)的液晶可變延時(shí)器，該液晶的正常方波的響應(yīng)時(shí)間為22ms，激光器為Amonics公司生產(chǎn)的1550 PM Fiber Laser。首先光束由光纖輸出經(jīng)過準(zhǔn)直器后進(jìn)入空間，經(jīng)過衰減片后將光束的強(qiáng)度調(diào)整為合適的范圍之內(nèi)，然后通過起偏器產(chǎn)生水平線偏光，確保其透射軸方向與液晶快慢軸方向成45°夾角。進(jìn)入液晶光調(diào)制器后，此時(shí)，用光功率計(jì)測出其輸出的光功率作為透射光與反射光的總功率。然后改變液晶的驅(qū)動(dòng)電壓來改變光束的偏振態(tài)，最后經(jīng)沃拉斯頓分光棱鏡并分別測出由沃拉斯頓棱鏡分出的兩束光功率。

實(shí)驗(yàn)中，光束透過液晶后輸出總光功率為1.1mW。本文對液晶調(diào)制器施加以頻率2KHz的方波、0～8V之間的電壓值，通過記錄光功率計(jì)的值，得到透射和反射光功率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而得出透射光、反射光功率隨電壓變化的曲線如圖2和圖3所示。

圖2 透射光功率隨液晶電壓變化的關(guān)系

圖3 反射光功率隨液晶電壓變化的關(guān)系

由圖2和圖3可知，電壓在0～1.7V之間反射光與透射光功率變化不明顯。當(dāng)電壓增加到1.7V時(shí)，反射光功率達(dá)到最大值，透射光功率達(dá)到最小值。在1.7～5V區(qū)間內(nèi)，透射光與反射光之間的變化最為明顯。超過5V之后，兩束光功率基本持平。這可以推導(dǎo)出液晶的Vth為1.7V，V0為5V，圖4給出了該區(qū)間內(nèi)反射光與透射光的分光比隨液晶驅(qū)動(dòng)電壓變化的曲線圖。驅(qū)動(dòng)電壓在1.7～5V之間分光比最高能達(dá)到25。

圖4 液晶驅(qū)動(dòng)電壓對應(yīng)分光比

4 結(jié)論

基于液晶的電控雙折射效應(yīng)，本文在光路上設(shè)計(jì)了可變光束分離器，并詳細(xì)分析了其工作原理。在理論上推導(dǎo)出了可變光束分離器透射光、反射光功率和分光比與電壓關(guān)系的表達(dá)式。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可變光束分離器，結(jié)果證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明液晶驅(qū)動(dòng)電壓在Vth～V0之間可以實(shí)現(xiàn)可控偏振分光分光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果理論分析基本吻合。由于液晶器件具有體積小、電光系數(shù)大、電壓驅(qū)動(dòng)低、功耗低、制作成本低和無運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，因此在光放大器的可調(diào)增益均衡器、光信號的分路器件、自適應(yīng)光放大器等光通信領(lǐng)域?qū)⒕哂幸欢ǖ陌l(fā)展前景。

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