一种新型液晶空间光调制器的理论分析

第３２卷第１期　河南大学学报（自然科学版）　ｖｄ．３２　Ｎｏ．１　２００２年３月　Ｊ吼１ｎ　ｏｆＨｅｎａｎ　Ｕｎｌｖｅ￣（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｅ￣）　，＾ａｒ．２００２　一种新型液晶空间光调制器的理论分析　廖鹏，韩俊鹤，欧慧灵，董华，王长顺　（河南大学枷理系．河南开封４７５００１）　摘要：为方便光信息的空间词制，提出了一种新型的偶氮控制空间光调制器模型．并讨论了这种调制器的振幅和　位相调制特性，指出了进一步的研究方向．　美键词：光控分子取向；偏振全息；偶氮控制空间光词制器；渡晶　中图分类号：０４３８．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３－４９＂／８（２￣１０１－００１２－０４　Ａ　Ｎｅｗ　Ａｚｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ＬＩＡＯ　Ｐｅｎｇ．｝ＵＮ　Ｊｕｎ—ｈｅ．ＯＵ　Ｈｕｉ—ｌｉｎｇ　ＤＯＮＧ　Ｈｕａ，ＷＡＮＧ　Ｃ｝Ⅻ唱一ｓｈｕｎ　（　”／ｃｓ　ｒｗｍ，Ｈｅｎａｎ　Ｕｍ￣ｒｓ／ｔｙ，　Ｈｅｎａｎ　Ｋ．　・ｒ　４７５００１．Ｃｈ／ｎａ】　ＡｂｓｌＰａｅｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｋａｖｅ　ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ　ａｍｏｄｅｌｆｏｒ　ａ　ｎｅｗＡｚｏＣｏｎｔｒｏｌ　ＳｐａｔｉａｌⅡ　Ｍｏｄｕｌａｔｏ￣－，￣ｉｔｈ胂ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｔｈｅ＾ｍ　＿血ｌｄｅ　ａｎｄ　Ｐｈａｓｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　ａ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｒｔ　ｏｆ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｅａ．　Ｋｅｙ　ＷＯｌｆｆ　Ｐｈｏｔｏｉ．ｄｕｃｅｄ　Ａｌｉｇｍｍｅｍ　ｏｆ　Ｍｄｅｃｕｌｅｓ　Ｐ￣ａｚｉｚａｆｉｏｎ　Ｈｏｌ￣ｍｐｈ；Ａｚｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓ　ａＩⅡ　ＭｏｄＬ＿．，Ｍｔ．ｏｒ；ｕｃ，ｉａ　ｃ　试　０引言　空间光调制器…能对光信息在二维空间进行调制，这种调制包括振幅、相位、偏振态等的调制．液晶空　间光调制器就是利用液晶分子的向列相扭曲场效应来达到对光波的调制的，它在光信息处理中扮演着十分　重要的角色＿２Ｊ，已经成功地应用到模式识别和机器人视觉的信息处理中，并有希望在未来的光计算机中作为　接口器件．它不仅可用作强度和位相的输入和输出器件ｌ３－　，而且可用作相位滤波器件　Ｊ，相关识别等【　．　现在的液晶空间光调制器是有潦器件，多采用电压控制，这种控制方法使得它结构相对复杂，需外加控制电　路，调制特性难于掌握，因而在一定程度上限制了它的广泛应用．本文提出了一种新型偶氮控制液晶空间光　调制器，它利用偶氨分子的光控分子取　，用薄薄的一层偶氨分子取代了现行的电压调制电路，只需改变　控制光的偏振全息图样，就可匕上方便实现对光信息的空间调制，而且是一种无源器件．这种新型偶氮控制液　晶空间光调制器有望在数据存储与处理、二元光学及大平面液晶显示等方面得出广泛地应用．　１理论分析　如果把液晶分子按一定的扭曲角排列在两玻璃之间．由于　分子的亲和力，液晶分子的取向（指向矢）逐渐扭曲；在外电场的　作用下，液晶分子方向还将发生倾斜通过液晶层的光波（线偏　振光），由于液晶分子的扭曲和倾斜（即液晶光轴发生变化），其　偏振态将发生变化．这就是向列相扭曲场效应，详细讨论请参阅　有关文献　．如果在这样排列的液晶层两边加上起偏器，且能　控制液晶分子的扭曲角和倾斜角．我们就能对光波进行二维的　圈ｌ　偶氮修饰液昌盘结构简图　振幅和相位及偏振态的调制．现在的液晶装置必须依赖于一对透明电极，通过电压控制电路施加一定电压，　收稿日期：２ＯＯ１．１０－２０　作者简介：廖鹏（１９７２一），男．河南开封人，硕士研究生　维普资讯 http://www.cqvip.com

廖鹂，等：一种新型液晶空间光调制器的理论分析　１３　使液晶分子方向倾斜才能实现调制［　可以设想有这样一种液晶盒，这种液晶盒的液晶被装在两玻璃片之　间，一面是偶氮修饰的玻璃片，一面是卵磷脂修饰的玻璃片，如图１所示．由于在可见偏振光照射下，光轴方　向与人射光偏振方向平行的顺态偶氮分子被选择激发，经过不断地激发，最终偶氮分子的长轴方向将旋转到　大致垂直于偏振面方向的方位上因为液晶分子的排列由玻璃基底表面的特性决定＿ｌ　，故液晶分子的方向　也会发生旋转，从而使前后表面问的液晶分子形成一定的扭曲角．可见，在这种偶氮修饰玻璃基片液晶盒　中，不须驱动电压即可通过偶氮的光致顺反异构改变液晶分子的扭曲角，从而实现对光的调制．　为了实现空间调制，可以利用偏振全息控制偶氮层分子的平面内二维取向．具体的光路布置如图２所　示．　图２实现空间光调制的原理圈　光路中包含三束光，１是探测光，２和３是产生偏振全息的控制光　探测光是来自于Ｈｅ一№激光器的　６３３　ｎｍ激光．该波长在偶氮组分的吸收带之外，不会使偶氮分子产生顺反异构．控制光是一束连续的５３２Ⅲｎ　激光，其波长处在偶氮组分的吸收带之内．控制光经分束镜Ｍ．后分为２和３两束光，再经过偏振方向正交　的偏振片　和　后照射在样品上，从而产生偏振全息　探测光经起偏器Ｐ和检偏器Ａ后照射在光子探测　器上．根据偏振全息的特性，２和３在偶氮分子层面上叠加后的光强度处处相同，但偏振态在不同的点是不　一占　样的＿１　，因而可以控制偶氮分子层中偶氮分子的二维空间取向，从而实现偶氮分子层控制的对Ｈｅ一№激　光的空间调制．　利用琼斯算法＿ｌ　，可以得出扭曲向列偶氮控制空间光调制器的一个简单的数学模型：两块玻璃基片中　的液晶层可以看成是由一系列薄的液晶板组成，役有光照时，他们有倾斜角　；当有光照时，它们的分子方向　在前后两表面之间逐渐旋转而形成。角的扭曲，参阅图３所示．　图３液晶盒中分子的方向　（ａ）没有光照时的平衡态；　（ｂ）＾射光渡长略大于４３Ｏｈｍ或加上长波长光后较短时间内的状态　（ｃ）加上长波长光的平衡态．　这种器件对透射通过它的光波的作用可以用一串Ｊｏｎｅｓ矩阵乘积来得到：　Ｅ。　＝ＰｏＲ（　）　（一口）ＡＣＳＬＭ（口，卢）　（　１）Ｅｉ　．　上式中　（・）是描述坐标旋转的矩阵，可写为　肌）＝　：；　】．　（２）　Ａ￣ＩＭ（ａ，卢）表示偶氮液晶空间光调制器（Ａｚ０　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｐａｔｉａｌ　Ｉ讪ｔ　Ｍ。ｄｕｌａ　）的琼斯矩阵，可以表示为　维普资讯 http://www.cqvip.com

１４　河南大学学报（自然科学板）．２０ｏ２年．第３２卷第１期　…）＝［ｃｏ葛　］．　㈤　另外，７　：ｎ２＋卢２；且Ｅ　：【三］・Ｐ。用来表示起偏器的作用，设它表示成　＝【　，则Ｅ　：［　】就可　以从式（１）计算得到．上述式子中。是液晶分子发生扭曲的扭曲角，口为液晶分子的“局部’’双折射，可以表　卢　７ｔｄ　（　）一ｎ。］．　（４）　ｎ　（０）表示液晶分子发生倾斜时的液晶非常光折射率．　当改变控制光的偏振全息图样时，液晶分子将在偶氮分子作用下发　生扭曲，扭曲角。等于控制光偏振面角度改变的大小　Ｊ．用ｅｌ表示起偏器　与液晶前表面分子方向的交角；ｅ　表示液晶前表面分子方向与检偏器的　交角；　表示起偏器相对于垂直坐标轴Ｙ的夹角；　２表示检偏器相对于垂　直坐标轴　的夹角；　Ｄ是液晶前表面分子方向相对于垂直坐标轴　的夹　角，如图４所示．　Ｍ￣ｔｔｌａｒ　Ａｎａｌｙ　Ｄｉｒｅｃｌｏｒ　ＺＯ＂　式（１）经一系列推导化简可写为．　圈４模型中各角度的示意圈　１＋－ｓｉｎ（Ｓ，＋　鬟麓＋…ａ）ｓｉ　ｎ７小ｓ　，＝ｌ　Ｅ　　ｌ＝【ｃｏｓ（ｅｌ一　２＋。）ｃｏｓ７一号ｓｉｎ（ｅ　一ｅ　＋ｎ）ｓｉｎ７】　＋［ｏｓ（　＋ｅ　一。）ｓｉｎ７】　．（６）　：卢一ｈａｎ　ｌ—————Ｌ———ｌ　ｃ０ｓ（　ｌ＋　２一ｄ）ｃ０ｓ　一ａ１，ｓｉｎ（　１　２一口）—ｓｉｎ　ＩＩ　．　（７）　从上式中可以看出光强度透过率分别是。，卢，ｅｌ１　ｅ２，铀的函数，尽管它们也是７的函数，但由于关系式　７　：。　＋卢　，只要已知ｎ和卢就可以确定．由于。等于偏振面旋转角，故透射率实际上是由控制光的偏振方　式（６）即为偶氮控制空间光调制器的振幅调制特性的基本公式．当检偏器垂直于起偏器时，郎　ｌ＋　２　：Ａ｛［ｓｉｎａｃｏｓ７一号ｃ㈣ｓｉ　７］　＋【ｓ　ｓｉｎ（ｎ＋２ｑ）。一２　１）］　）．　（８）　上式中的未知数是。，　Ｄ及　１．由上式可见，随着扭曲角。的不同，透射率也会随之改变．故改变控制光的　偏振方向，控制扭曲角，就可以改变透射率．如果使检偏器和起偏器在垂直的情况下同时旋转，则调制器的　强度透过率按照式（８）所表示的透过率来变化．当满足一定的条件时，式（８）将在　＝晋±晋×ｎ时有最小　值，最小值之间的角度间霸为　．这与Ｋｕｎｉｈｉｍ等的实验结果完全一致［１　．　假设图２中偏振片Ｐ和Ａ地透光方向保持正交不变，则由于　ｌ＋　２＝　／２，式（７）可以化为　维普资讯 http://www.cqvip.com

廖鹏．等：一种新型液晶空间光调制器的理论分析　ｌ５　（８）　故位相差　将随　（即扭曲角）变化．当改变控制光的偏振面时，扭曲角。也将随之改变，因而可以控制相位　的变化．　２结论　终上所述，偶氨液晶空间光调制器在不加电场的情况下，通过偏振全息控制偶氮分子层的二维空间取向　就可以实现对光的空间调制，而且这种器件是一种无源器件．应当指出的是，这种调制的时间响应是比较慢　的，而且温度的改变也对调制性能有较大影响．不过这些缺点都可以通过选用不同的偶氮和液晶材料来消　除．进一步的工作还有待研究．如果能在响应时间和温度特性上有较大突破，则这种新型偶氮控制空间光　调制器必将取代现行的电控液晶空间光调制器，为国民经济和社会生产带来巨大的效益．　参考文献：　＝，二　［１］李育林，傅晓理．空间光调制器及其应用［Ｍ　．北京：国防工业出版杜，１９９６　［２］员智省．液晶空间光调制器纯相位调制及其应用研究［Ⅱ］．西安　中国科学院西安光学精密机械研究所，ｌ９９８．　【３］Ｊａｎ　Ｇｒｉｎｌ０ｅｒｇ．ＪａｃｏｂｓｏｎＡＤ．Ｂｌｅｈａｗ　Ｐ，ｅｔ　Ａｉｔ￣ｖ，－ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｉｌｏｎ—ｃｏｈｅｒｅｎｔｔｏ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ１蛳ｉｍａｇｅ　ＯＯｌｆｌｌＶ￣：ｔｅｒ——ｔＩ．ｅ　ｈｒｂ￣ｉｄｆｉｅｌｄ　ｅｆｏｅｔｌｉｑｕ￣ａ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｕ出ｖａｌｖｅ【ＪＪ　ＯＰｔ　Ｅｎｇ．，１９７５，１４：２１７—２２５　～　ｌ４３　Ｋａｌｌｍａｎ　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｒ．Ｇｏ］ｄｓｔｅｌｒｔ　Ｄｅｎｎｉｓ　Ｈ．Ｐｈａｓ￣ｅｎｅｏｄｉｎｇ　ｉｎｐｕｔ　ｉ　孵ｓ缸ｏｐｉｔｃａｌ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｒｅｃｏ￣ｔｉｏｎ［Ｊ３．ｏｐｔ．ＥＩｌｇ．１９９４：３３（６）：１８０６　—【５Ｊ　Ｈｏｍｅｒ　Ｊ　ｏｈ　Ｌ，Ｇｉａｎｏｎｏ　ＰｅｔｅｒＤ　Ｐｈａｓｅ・ｏｎｌｙｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｈｄ￣ｚａｐｈｉｃ　ｆｉｌｔｅｒ…Ａ　Ｏｐｔ．，１９９３．３２（５）：７１５．　【６ＪＷａｎｇＲ　Ｅ　Ｑ，ｃ８　出Ｃ　Ｍ，Ｓ￣ｌｔ８．ｒＣ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅａｌ－ｆｉｍｅｅｏｌｏｒｉｍａｇｅ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃｏｌｏｒ“　ｄ—ｃｒｙｓｔａｌｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ａ　Ｆｒｅｓｎｄ　［７］金子英二　液晶电视——研究显示的原理和应用［＿Ⅵ］北京：电子工业出版社，１９９１　器　１８１１．　ＡｐＰ１．ｏｐｔ．，１９８４，２３（６）：８１２—８１６，　［８］日本学术振兴会第１４２委员会编液晶器件手册［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９２．　【９Ｊ　Ｋｕｎｉｈｉｒｏ　Ｉｃ￣ｎｕｒａ，Ｙｕｋｏ　Ｈｏ￣ｓｔｉｔ，Ｈａｒｕｈｉｓａ　Ａｌｄｙａｍａ　Ｐｈｏｔｏｒｅｇａｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｒｔ－Ｐｌａｎｅ　Ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｎ口ｏｆ　ｌｊ　ｌｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　ｂｙ　Ａ　啦Ｉ琳　Ｌａｔｅｒａｌｌｙ　ＡｔｔａｃｈｅｄＩｏ　Ｓｕｌｏｓｔｍｔｅ　ｓｕ　ａｏｅｓｌＪｊ．Ｉａｎ￣＇ｎｕｉｒ，１９９３，９：３２９８—３３０４　［１０］王长顺，党玉敬，牛建立．偶氮聚台物薄膜中图象存储的光学控制［Ｊ］河南大学学报（自然科学版），２０００，３０（３）．　［１１］余美文．光垒息学及其应用［Ｍ］．北京：北京理工大学出版杜，１９９６　【ｌ２Ｊ　Ｊｏｎｅｓ　Ｒ　Ｃ．Ｎｅｗ　ｃａｌｅｕｈ￣ｆｏｒｔｈｅｔｒｅｓｔｒａ￣／ｔ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ【ＭＪ．Ｊ．ｏｐｔ　Ｓｏｃ．．ｔｕｎ　，１９４１，３１ｊ４８８．