反射式液晶光阀用于激光束空间整形可行性研究
光寻址液晶空间光调制器用于激光光束整形的可控系统和设计算法
Ｃｏ ｔ ｏ ｌ ｂｌ ｙ ｔ ｍ ｎｄ ｄ ｓｇ ｌ ｏ ｉｈｍ ｏ ａ ｅ ａ ｈ ｐｉ ｇ ｎ ｒ ｌａ ｅ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｉ ｎ ａ ｇ ｒ ｔ ｆ ｒ ｌ ｓ ｒ ｂｅ ｍ ｓ ａ ｎ ｕｓｎｇ ｏ ｉ ａ ｄｄ ｅ ｓｎｇ ’ ｉ ｒ ｓａ ｐ ｔａ ｉ ｈ ｏ ｕ ａ ｏ ｉ ｐｔｃ ｌａ ｒ ｓ ｉ ｉ ｄ ｃ ｙ ｔ ｌｓ ａ ｉ ’ｌ ｔ ｍ Ｕ ｔ ｒ ｌ ｑｕ ｌｉ ｇ ｄ ｌ
ｏ ｈ ｇ ｏ ｅｒｃ ｌ ｒ ｎ ｆ ｒ ｍ ｅｈ ｄ ｎ Ｇ — ａｇ ｒｔ ｍ ｆ ｒ ｈ ｐ ｎ ａ ｆ ｔ ｅ ｅ ｍ ｔｉａ ｔａ ｓｏ ｍ ｔ ｏ ａ ｄ Ｓ ｌｏ ｈ ｉ ｏ ｓ ａ ｉ ｇ Ｇ ａ ｓｉ ｎ ｅ ｍ ｗｉ ａ ｌｔｄ ｕ ｓａ ｂ ａ ｔ ｈ ｍｐ ｉ ｅ ｕ ｍ ｏ ｕ ａｉ ｎ ａ ｄ ｐ ａ ｅ ｉｔ ｒｉｎ ｏ ａ ｕ ｉｏ ｍ ｉｔｉｕ ｉ ｎ ｆａ — ｐ ｂ ａ ｒ ａ ａｙ ｅ ｄ ｌｔ ｎ ｈ ｓ ｄ ｓｏ ｔｏ ｔ ｎ ｆ ｒ ｄ ｓｒｂ ｔｏ ｔｔ ｅ ｍ ｗｅ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ．Ｔｈ ｕ ｐ ｔｂ ａ ｏ ｉ ｏ ｅ ｏ ｔ ｕ ｅ ｍ ｏ ｔｉ ｅ ｙ ｔ ｅ ｇ ｏ ｔｉａ ｔａ ｓｏ ｍ ｔ ｏ ａ ａ ｅ ａ ｕ ｉｏ ｍ ｉｔｉ ｕ ｉｎ ｗｉ ｍ ａｌｓ ａｅ，ｗｈ ｌ ｈ ｂ ａｎ ｄ ｂ ｈ ｅ ｍｅｒｃ ｌ ｒ ｎ ｆ ｒ ｍｅ ｈ ｄ ｃ ｎ ｈ ｖ ｎ ｆ ｒ ｄ ｓｒｂ ｔ ｔ ｓ ｌ ｃ ｌ ｏ ｈ ｉｅ ｔｅ
陈 晓 西 ， 子 强 ， 文 君 黄 杨
（ 子科技 大学 光 电信 息学 院 ， 川 成都 ６０５ ） 电 四 １０ ４ 摘 要 ：提 出 了 一 种 利 用 光 寻 址 液 晶 空 间 光 调 制 器 （ Ｃ—Ｌ ） 实 现 实 时 可 控 的 激 光 光 束 整 形 Ｌ ＳＭ 来
利用衍射理论对基模高斯光束进行整形
第38卷 第4期中 国 激 光V ol.38,N o.42011年4月CHINESE JO URNAL OF LASERSApril,2011利用衍射理论对基模高斯光束进行整形王小发1,2,3康治军3 樊仲维1,3,*连富强1,2,3黄 科1,2,3余 锦11中国科学院光电研究院,北京1000802中国科学院研究生院,北京1000493北京国科世纪激光技术有限公司,北京100085摘要 为了获得在液晶修复技术中所需要的光束质量好、能量分布比较均匀的矩形光束,提出了一种新的光束整形系统。
在这个系统中,通过对光阑后不同位置衍射效应的理论分析和计算,获得相应的衍射光斑图样,再利用4f 像传递系统对理想的光斑图样进行提取和传递,经过扩束聚焦之后,用于加工样品,并设计了相应的实验装置来验证这种系统的可行性。
研究结果表明,过光阑后不同位置的衍射面呈现出复杂的衍射图样,等效距离在56.0~58.5mm 之间能够选取到平化效果非常好的衍射面,4f 成像系统对其实现了较好的像传递,整形光束顶部的能量波动量小于5%,能量提取率达到80%。
关键词 激光光学;基模高斯光束;光束整形;矩形光阑;4f 成像系统中图分类号 O436.1 文献标识码 A d oi :10.3788/CJL 201138.0402006Beam Shaping of TEM 00Gaussian Be am by Using Diffraction TheoryWang Xiaofa 1,2,3 Kang Zhijun 3 Fan Zhongwei 1,3 Lian Fuqiang 1,2,3Huang Ke1,2,3Yu Jin11T he Academ y of Opt o Elect r onics ,Chin ese Academ y of Scien ces ,Beijing 100080,China2Gr a du a te U niv er sity of Chinese Aca dem y of S ciences ,Beijin g 100049,China3Beijin g GK La ser T echnology Co.,L td ,Beijing 100085,Chin aAbstract I n order to obtain the rectangular beam required for liquid crystal display(LCD)repair technology with good beam qua lit y and uniform energy distribution,a new beam shaping system has been proposed.I n this system,related diffraction patterns can be obtained by ca lculating and analyzing the diffraction effects in theory at different positions through rectangular aperture,and a proper diffraction surfac e,which will be used to process the sa mple,c an be extracted and transferred by using 4f image relaying system.In addition,a relevant experimental device has been designed to prove the feasibility of this system.The results show that there exit some of the c om plex diffrac tion patterns after passing through the apert ure,and some diffraction planes with very good energy uniformity distribution c an be selec ted in the 56.0~58.5mm range of the equivalent distance.The effective delivery is achieved by the use of 4f imaging system,the fluctuation range of energy on the top of sha ped beam is less than 5%,and energy efficiency is about 80%.Key wo rds la sers optic s;TEM 00Gaussian beam;beam shaping;rec tangular aperture;4f ima ging system OCIS co des 260.0260;220.0220;110.0110;050.0050收稿日期:2010 10 12;收到修改稿日期:2010 12 06基金项目:国家863计划(2008AA 031901)和国家自然科学基金(60927010)资助课题。
液晶光阀特性研究实验
液晶光阀特性研究实验液晶光阀控制器的故障及排除方法：1.现象：调节振幅、灯压、频率等电位器，液晶光阀控制器的数显表数值不变化。
原因：液晶光阀控制器插件松动或电位器坏。
排除方法：打开控制器的箱盖，将各个对应的插件重新插紧。
如电位器坏，即更换。
2.现象：光强为零时，液晶光阀控制器上数显表有很大的显示数值；脉冲频率电位器调不到1KHz；灯压值不在正常值范围。
原因：控制上述值的模块没有归零。
排除方法：打开控制器的箱盖，调节与其相对应控制模块，将上述值归零（有些调不到零，但可以调到最小值，可以满足实验的需求）。
3.现象：液晶光阀控制器上的按键失灵。
原因：实验过程中，按键频繁切换，尤其是光强读数键，按的次数过多。
排除方法：A.更换按键弹簧。
B.分解液晶光阀控制器功能，用新设计的电路来代替光强键的功能。
设计新电路的方法及步骤如下：(1).激光器的功率在7—10mW，万用表电压、电流档分别测量由光强仪采集到的电压、电流值（均为直流），最大值均为0.3mA、0.3mV。
(2).确定是使用光强仪采集到的最大电流还是电压，来作为新电路的电流源或电压源。
(3).如选择光强仪采集到的最大电流作为电流源，计算电路参数。
(4).考虑到余量，按照最大电流0.5mA计算，可以拿一个量程为0.5mA的直流电流表，并接在光强采集仪的两端。
(5).如没有恰好0.5mA量程的电流表，如量程只有0.1mA的直流电流表，先用数字万用表测该电流表指针满偏时的内阻，内阻为2.275KΩ。
(6).计算电路参数，电路图如下：Is为光强仪采集到的电流。
(7).算出电阻R的参数为0.569 KΩ, 将其与电流表和光强仪并联。
(8).为了更好的保护直流电流表，可以用电位器来代替固定电阻值，电位器的最大阻值要大于0.569 KΩ,在调节电位器时电阻值不能小于0.569 KΩ。
注意：A.实验过程中，激光束没有扩束不能直接照在液晶光阀的表面上，否则液晶光阀的表面上会出现盲点，液晶光阀损毁。
液晶光阀特性的研究(精)
级姓名学号日期:实验题目:液晶光阀特性研究实验目的:在大背景的情况下 , 从基本原理的角度出发 , 测量相关曲线 , 理解并解释相关现象 .实验原理:液晶光阀中的关键部分液晶是一种高分子化合物 , 其物理特性介于固体和液体之间 ; 其结构介于固体和液体之间 , 称为中间态或中间相 . 呈现出既有液体的流动性,又有晶体的光学各向异性,因而称为液晶。
它既不同于不能流动的晶体, 也有别于光学各向同性的液体,它的特性既有晶体的取向特性 , 又有液体的流动性 . 当液晶分子在取向膜层的影响下有序排列表现出的各向异性 , 又导致电、磁、光、力的各向异性 .由于液晶分子之间的相互作用远低于固体分子之间的相互作用力, 所以液晶的各向异性在外场作用下会发生显著变化 .下面就实验中的两个关键部件加以说明1. 偏振分光棱镜的的工作原理薄膜偏光分束棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜 , 再将两块棱镜的分光面胶合起来 , 并在通光面上镀制增透膜 , 以降低光通过棱镜时的反射损耗。
对于折射率不同的两种材料的交界面 , 总可以找到一个入射角 , 使之满足布儒斯特角条件 , 在这样一个条件下 , 激光由棱镜左侧入射后 , 在右侧透射的光为p分量光 , 在侧面反射的光为s分量光。
偏光分束镜的膜系设计要求 , 必须选择折射率满足一定的关系的膜料和基底材料,使p光全透过 , 而s光全12部反射 .液晶光阀的结构如下图所示图形的平板玻璃相对放置在一起,使其间相距为 10m 。
四周用环氧胶密封,但在一侧封接边上留有一个开口, 该开口称为液晶注入口。
液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。
注入后,用树脂将开口封堵好。
当然,作为扭曲向列型液晶显示器件, 在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。
该定向层经定向处理后, 可使液晶分子在液晶盒内, 在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列, 而在前后玻璃基板之间液晶分子又呈 45度扭曲排列, 经过反射回来再次产生 45度扭曲,这样就产生振动方向 900 偏转 .本实验中的液晶主要是向列型液晶, 其分子长轴近似平行, 且平行于玻璃平面液晶分子取向决定于取向膜层的方向 . 光通过液晶层时发生双折射效应,即入射的偏振光进入液晶层后, 这时的液晶层相当于一个位相片, 其位相的大小取决于写入光的强弱 . 反射回来的各种不同的椭圆偏振光 , 它的长、短轴的方向和比例经检偏器后的光强是不同的。
反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用研究
反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用研究1. 引言1.1 研究背景反射式光栅在激光器中的应用具有重要意义，因为光栅可以实现光的频率选择性反射或透射，从而调节光的波长和频率，具有很强的谱学和激光调控能力。
随着激光器技术的不断发展，反射式体布拉格光栅作为其中一种重要的光栅形式，其应用也越来越广泛。
研究人员对反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用进行了深入研究，通过优化设计和制备工艺，实现了在激光器中的高效能量转换和谐波产生。
而激光器的性能提升也离不开反射式体布拉格光栅的应用，因为光栅可以有效地控制激光的频率稳定性、波长选择性和束流调控等方面，为激光器的性能提升提供了重要支撑。
探究反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用是当前激光技术研究领域的热点之一。
通过深入研究，可以进一步拓展光栅在激光器中的应用前景，提升激光器的性能和稳定性，推动激光技术的发展和应用。
【内容结束】1.2 研究目的本文旨在探讨反射式体布拉格光栅在激光器中的设计原理和应用研究，旨在进一步提高激光器的性能和稳定性。
具体研究目的包括：1. 分析反射式体布拉格光栅的设计原理，探讨其在激光器中的优势和特点，为激光器的设计和优化提供理论支持。
2. 探究反射式体布拉格光栅在激光器中的具体应用场景，研究其对激光器性能的影响与提升效果。
3. 比较不同类型的反射式体布拉格光栅设计在激光器中的表现，深入分析其优缺点和适用性，为激光器设计提供技术指导。
4. 探讨反射式体布拉格光栅在激光器性能提升中的作用机制，揭示其对激光器输出功率、波长稳定性等参数的影响规律。
5. 结合实验验证与结果分析，进一步验证反射式体布拉格光栅在激光器中的应用效果，为相关研究提供实践基础和技术支持。
1.3 研究意义反射式体布拉格光栅是一种在激光器中广泛应用的新型光学元件，具有良好的光学性能和调制能力。
通过对其设计及应用进行研究，可以进一步优化激光器的性能，提高输出功率和光束质量，拓展激光器在各种领域的应用。
液晶光阀特性研究 (4)
液晶光阀特性研究
目录
实验目的
实验原理
数据处理
实验总结
思考题
原始数据
实验目的（回目录）
1.测量液晶的相关曲线
2.理解并解释相关现象
实验原理（回目录）
1.偏振分光棱镜的的工作原理
棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜,再将两块棱镜的分光面胶合起来,并在通光面上镀制增透膜,以降低光通过棱镜时的反射损耗。
2.液晶光阀
液晶光阀分为投射式的液晶光阀和反射式的液晶光阀
a)液晶
液晶的分子为有机分子，大多为棒状，即它的长度尺寸为直径尺寸的5 倍以上。
由于分子结构的这种对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小
b)取向膜
液晶器件的玻璃基板最表层上都要有一层取向膜，其作用是使液晶沿预定方向取向。
这一层膜虽薄，约在50 ～150 纳米之间，但却是液晶器件的关键部分。
c)方向矢
b)灯压6.24V，驱动频率1.00KHz
a)当驱动电压为0.99时，将上图放大得
带来了一定的误差。
另外，光路调节也可能不是很精确，而光学的实验往往是对每一步都是由严格的要求的，这些导致了这次实验出现的种种误差。
思考题（回目录）
1.液晶光阀的驱动电压用的是交流电，能用直流电吗？说出原因。
答：不能用直流电。
由实验原理知道，当液晶层加上交流电压后，液晶分子会在电压的作用下沿电场方向偏转，从而改变液晶的双折射效应。
2.在不同光压下驱动电压和输出光强曲线
a)灯压0V，驱动频率1.00KHz
c)灯压8.62V，驱动频率1.00KHz。
液晶光阀特性的研究 光寻址液晶光阀特性研究
实验内容：
1.按照要求调节并检验光路。 2.驱动电压为零，写入光为零时，绘出取向角 与输出光强的关系曲线。 定义：驱动电 压为零，写入光为零时输出光强最小时的 定义为零。 3.对于图片的不同位置，写入光的光强是不一样的。为了对写入光有一个量化的概念， 我们在实验中取三种光强状态：分别为全暗 、全明、中间值，它们分别对应图片中 的不透光部分、透光部分、边缘部分，分别测出在 f=1kHz 的情况下驱动电压和输出 光强曲。 ①.写入光为零，测量 LCLV 输出光强与驱动电压的关系。 ②.写入光全明（白色照明灯压为 8.64 伏） ，测量 LCLV 输出光强与驱动电压的关系。
光寻址液晶光阀特性研究
液晶光阀（Liquid Crystal Light Valve）简称(LCLV)，它是二十世纪七十年代发 展起来的，被广泛地应用在光信息处理、空间光调制、大屏幕投影显示、光计算、自动 目标识别、非相干图象与相干图象的转化等方面. 1888 年，奥地利科学家赖因策 （F.Reinitzer）在布拉格植物生理研究所做实验时，发现他加热的化合物熔化后先变 成了白浊液体，并且闪现某些颜色，继续加热后变成透明液体。于是他又对化合物进行 降温后，重复实验，依然看到上述现象。赖因策没有像其他人那样将这种特有的现象简 单看作是材料不纯造成的，而是更精心地制备材料，对颜色的起因进行探究。1888 年 3 月 14 日，赖因策将样品寄给德国的年轻结晶学家雷曼（O.Lehmann），并附上一封长信。 雷曼经过系统研究， 发现有许多有机化合物都具有同样的性质， 这些化合物在混浊状态， 其力学性质与液体相似，具有流动性，而其光学性质与晶体相似，具有各向异性，故取 名为液晶（liquid crystal）。它是进行信息与激光技术领域科研工作的关键光电子器 之一.本实验就是在这个大的背景情况下,从基本原理的角度出发, 测量其相关曲线,理 解并解释相关现象. 实验原理 下面就实验中的两个关键部件加以说明 1. 偏振分光棱镜的的工作原理 如右图 1 所示， 棱镜是在光学玻璃棱镜的 体对角面上镀制多层介质膜,再将两块棱镜的 分光面胶合起来,并在通光面上镀制增透膜, 以降低光通过棱镜时的反射损耗。 对于折射率不同的两种材料的交界面, 图1
试验液晶光阀
实验2－15 液晶光阀（教师用书）一.实验的目的意义和要求液晶光阀是当前飞速发展的光电子学中一种重要的空间光调制器，它已在大屏幕投影显示、相干光实时处理系统及红外导弹跟踪模拟等领域获得广泛应用，是正在发展的高新技术基本元件之一，前景广阔。
本实验内容涉及液晶的光学性质、各种偏振光及其转换、光电导材料的特性、偏振分光棱镜的作用、物理思想丰富、物理图像清晰，概念简明易懂。
要求学生通过该实验能了解和掌握上述有关知识，进一步掌握液晶光阀利用液晶的光学特性而制作的空间光调制器的工作原理二. 参考书籍与材料(一)必须阅读的参考书籍与材料1. 章志鸣，沈元华，陈惠芬. 光学（第二版）.北京：高等教育出版社. 2000. P.154-156, P.307-3092. 沈元华，陆申龙.基础物理实验.北京：高等教育出版社.2003.（二）建议阅读的参考书籍与材料1.宋菲君，Jutamulia S.近代光学信息处理﹝M﹞.北京：北京大学出版社，1998.2.沈元华,马秀芳等.小课题实验---液晶光阀的特性及应用﹝A﹞.面向21世纪实验物理教学展望及教学改革经验交流会议论文集﹝C﹞.天津，19983.陈波等. 介绍一个现代化的普物实验——液晶光阀. 大学物理, 1999, 18 (12 ): 31~334.甘巧强等. 液晶光阀图像输出特性的深入研究. 物理实验, 2002, 22(10):45～48（见附件）5.孙萍，杨文等.液晶光阀实时图象变换﹝J﹞.物理实验，2002，22（11）：10~136.徐平，梁家辉.液晶光阀用于光学傅里叶变换﹝J﹞.物理实验，2002，（12）：8~11三．实验前应回答的问题(一)有关激光光源的问题1．实验中所用的氦氖激光器有什么特点？是否可用一般的激光器取代它？为什么？答：实验中所用的氦氖激光器带有布儒斯特窗，因此它输出的激光是线偏振光。
而一般氦氖激光器所输出激光的偏振态是随机的，所以不能用以取代。
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第17卷 第6期强激光与粒子束Vol.17,No.6 2005年6月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2005 文章编号: 100124322(2005)0620849204反射式液晶光阀用于激光束空间整形可行性研究3丁 磊, 赵润昌, 李明中, 隋 展, 贾 伟, 唐晓东(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 从理论和实验两方面对一种反射式液晶光阀(L COS)的调制特性进行了研究。
着重研究了在高功率激光系统中,反射式液晶光阀作为空间整形器件面临的一些应用问题,特别是它的各种调制特性、整形能力以及对于光束质量的影响。
研究发现,与透射式液晶光阀相比,反射式液晶光阀有着明显的优势,效率达到42%,远远优于透射式液晶光阀10%的效率,从而能够实现系统的大幅度简化,是一种非常有潜力的空间光调制器件。
关键词: 反射式液晶光阀; 空间整形; 振幅调制; 位相调制 中图分类号: TN248 文献标识码: A 在高功率激光系统中,为了减小自聚焦效应,提高输出光束的填充因子,提高系统安全运行通量及补偿主放大器的增益不均匀性,需要对注入激光光束进行空间整形,以期输出近场调制度较低的超高斯平顶光束。
美国的Beamlet和N IF激光装置中采用MAS K作为空间整形器件,即通过控制滤光片各点透过率,实现任意整形光束的目的。
其缺点是制作复杂,机械调整困难,且在使用条件改变时,需重新制作滤光片,不能及时作出相应调整。
为了克服MAS K的缺点,神光Ⅲ原型装置中采用了透射式TF T液晶光阀代替MAS K作为整形器件,进行光束空间整形。
TF T液晶光阀是一种高对比度、高分辨率、主动型、可编码空间光束调制器件。
商用TF T 液晶光阀主要用于投影显示系统,目前,也有人利用其振幅调制及位相调制方面的特性进行光学信号处理[1]。
TF T液晶光阀光学调制特性较为复杂,近年来,许多学者对其进行了研究[1～7],证明TF T液晶光阀可在某一状态下只有振幅调制。
利用液晶光阀进行光束空间整形,能够实现对光束空间强度分布的实时任意改变。
透射式TF T液晶光阀最大的缺点是效率低,透过率只有10%。
原因是薄膜晶体管电路在像素中所占的面积不能透光,开口率较低,衍射效应严重。
随着技术的进步,出现了另一类有源矩阵寻址的反射式液晶器件L COS(liquid crystal on silicon),它是利用COMS电路的硅基板加铝层来制作的反射式器件[4,5]的,具有开口率高、光能利用率高的特点,目前已经用在彩色显示器和背投电视上。
本文对这种反射式液晶器件L COS用于高功率激光系统空间整形的可行性进行了理论和实验研究。
侧重研究了L COS器件的振幅调制特性,以及在高功率激光系统应用中的一些问题。
1 液晶调制特性的理论计算 反射式液晶光调制器(L COS)是将电路直接做在硅基上的一种有源矩阵寻址的液晶器件,如图1所示。
入射端加偏振片,另一端为镀有铝膜的CMOS高反基板,液晶分子在两基片表面处都是沿平面排列的,取向相差52°。
把基片中间的液晶层分成许多薄层,每一层分子的取向基本一致,且层面相互平行,相临薄层分子的取向逐渐转过一个角度,从而形成扭曲2向列排列方式。
当沿z轴加上电场时,所有的液晶分子朝电场方向旋转一个角度θ,θ是所加电压V的函数,如式(1)所示。
随着液晶分子取向的偏转,光沿z轴传播的折射率n发生变化,如式(2)所示。
θ=π/2-2arctan{exp[-(V-V c)/V)]}, V>V c(1)1/n2(θ)=co s2(θ)/n2e+sin2(θ)/n2o(2)式中:V c为电压阈值;V0为材料特征常数;n e和n o分别为e光和o光的折射率。
根据L u和Saleh所用的距阵方法,可以得到反射光的振幅,经过理论推导可以得到液晶调制器的反射率3收稿日期:2005203203; 修订日期:2005206210基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:丁 磊(1972—),男,工程师,从事高功率固体激光技术研究;绵阳9192988信箱;E2mail:jwint@。
Fig.1 Schematic of t he LCOS图1 反射式液晶光阀结构示意图R 和产生的相位漂移δR =[αγsin (γ)cos (ψ1-ψ2)+co s (γ)sin (ψ1-ψ2)]2+[βγsin (γ)cos (ψ1+ψ2)]2(3)δ=2β-arctan (β/γ)sin (γ)cos (ψ1+ψ2)(α/β)sin (γ)cos (ψ1-ψ2)+cos (γ)sin (ψ1-ψ2)(4)式中:ψ1,ψ2分别为入射光和出射光与入射表面液晶取向的夹角;α为液晶分子的旋转角;β=πd[n (V )-n 0]/λ,β随外加电压的改变而改变;d 为液晶厚度;γ=α2+β2。
由(3)和(4)得到振幅与位相调制特性曲线,如图2所示。
由图2可知,选取ψ1=90°,ψ2=0°,当β在[0,3π/4]范围之内时,R 是β的单调函数(见图2(a )),而且δ基本为一常数(见图2(b )),即位相调制极小,处于最佳振幅调制状态,这是进行光束空间整形所需的状态。
此时,通过改变外加电压可以任意控制各点的透过率,从而实现任意整形光束的目的。
Fig.2 Cure of t he LCOS modulator图2 LCOS 调制曲线2 LCOS 反射率的实验测试与结果分析 实验装置如图3所示,光源是Nd :Y L F 调Q 振荡器产生的高斯光束,口径<2mm ,波长1053nm 。
扩束后用一个6mm ×8mm 的光阑取光,入射光为水平偏振,通过薄膜偏振片,被液晶光调制器反射之后从偏振片反射出来,然后用能量卡计探测输出光的能量。
理论上液晶光阀的反射率和相位漂移根据液晶单元上所加载的电压的变化而变化,实验中的操作过程是计算机产生一幅图像,由V GA 信号线传输给L COS 驱动电路,L COS 驱动电路再根据内置程序给液晶单元加载电压(如图3所示)。
作为空间强度调制器件,进行近场补偿时,可操作的也只是写入图像的灰度,因此我们关心的是图像灰度与反射率的关系曲线。
利用图3所示的实验装置,改变写入图像的灰度(0～255),使用能量卡计探测反射光的能量,得到图像灰度与实际反射率的关系曲线如图4所示。
实验中液晶板旋转52°以使液晶表面分子取向与偏振片平行,得到中间一条曲线,最大反射率42%,对比度大于100∶1。
液晶板分别向两个方向旋转5°得到上下两条曲线,可见曲线形状不变,只是上下平移了一段058强激光与粒子束第17卷距离。
正向旋转时,反射率有所提高(最大47%),但对比度明显下降,只有20∶1,不能满足系统的要求;反向旋转时,对比度略有提高,但反射率明显下降,只有27%,同样不满足系统要求。
可见反射率曲线与液晶板的角度有很大的关系,使用中应该注意,在兼顾对比度的前提下尽量提高反射率,使器件工作在最优的状态。
3 利用LCOS 进行激光空间整形的问题讨论 高功率激光系统中应用液晶空间光调制器的目的是对激光束空间强度分布进行控制,以期得到更好的输出近场,提高能量利用率。
因此,对整形器件应有以下几方面的要求:一是光学质量要好,二是要有足够的空间整形能力,三是要有尽量高的效率。
第一条是最基本的,否则,空间整形的同时带入破坏光束质量的附加影响将得不偿失;第二条是最重要的,也是对空间整形器件最根本的要求;第三条是对空间整形器件质量的进一步提高和优化。
由上一节的分析可知,反射式液晶光阀(L COS )的反射率为42%,与透射式液晶光阀(10%)相比有明显的提高。
然而在光学质量和整形能力上还存在一定的问题。
首先是整形能力的问题,器件的整形能力分为三个方面:一是空间分辨率,决定了器件的空间整形精度;二是整形范围(即对比度)决定了器件可以对多大的强度起伏进行控制;三是整形控制灵敏度,即每改变一个控制灰度级对应L COS 反射率的变化量。
反射式液晶光阀空间分辨率(即每个像素的尺寸)一般在20～30μm ,对于一般的激光系统而言已经足够了;L COS 的对比度高于100∶1,也是足够的。
由图4所示的反射率曲线可知,在很大范围(灰度从80～255)内反射率的变化很小,实际上可用的只是0～80一段,结果是曲线太陡,严重影响了整形控制灵敏度。
将实验曲线(图4)与理论曲线(图2(a ))对比,可以看出问题可能在于β值的范围远远超过了[0,3π/4],因此有望通过对L COS 控制电路的优化改进反射率曲线,提高整形控制灵敏度。
用科学面阵CCD 代替图3中的能量卡计,可以测出L COS 反射后的光斑(见图5(a )),由图可知,光斑上有一条很宽很深的干涉条纹,用干涉仪测试L COS 的面形,图5(b )是总面形,去掉球面误差,得到如图5(c)所Fig.5 Reflex facula and t he shape of t he LCOS face图5 反射光斑与LCOS 的面形158第6期丁 磊等:反射式液晶光阀用于激光束空间整形可行性研究258强激光与粒子束第17卷示的面形,与光斑上的条纹基本相似。
分析其原因,可能来源于液晶盒的封装玻璃,因为此玻璃片既没有严格的光学加工,又没有镀增透膜(波长1053nm),再加上是反射式使用,很容易形成干涉。
4 结 论 通过以上讨论发现,与透射式液晶光阀相比,反射式液晶光阀(L COS)有明显的优势,效率达到42%,可以大大地简化系统,降低造价。
通过控制电路和封装玻璃的改进有希望进一步改进光束质量和整形控制灵敏度,反射式液晶光阀将是一种非常有潜力的空间光调制器件。
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