（光学专业论文）多级液晶滤光片的设计和测试.pdf

i 阜师范人学研究生论文稿纸 第】页 摘要 光学滤光片在连续的光谱中用于透过一定宽度的光谱带或在线状光谱 中提取某些辐射。滤光片在现代信息光学技术的各个领域起着重要的作用。 调谐滤光片的应用更是值得我们注意。 基于不同的机制，调谐滤光片的种类很多： 机械可调谐的光栅滤光片，光栅安装在一个旋转部件上，光栅与入射光 的夹角决定了所需要选择的波长。通过光栅的旋转，改变入射光与光栅的夹 角，从而实现波长的调谐。 电子光学滤光片则是通过施加电压使各种电子光学功能材料的双折射 率发生变化来实现对波长的调谐，也可以利用电光晶体在电场中的旋转来实 现对波长的调谐。 近年来随着晶体材料科学的发展，利用晶体的电光效应制成的电光可调 谐滤光片得到了很大的发展，它已广泛用于波长信号分离、传感器保护、机 载水文探测、遥感领域，并且在光纤通信中有很大的应用前景。 液晶调谐滤光片就是一种利用晶体的电光效应制成的电光可调谐滤光 片，它引起了人们的广泛关注。 可调谐液晶电光滤光片有两种主要的形式：i _ 和t 型液晶滤光片和液晶法 布里珀罗腔滤光片。l 扣t 型液晶滤光片是根据液晶的电光效应和l y o t 滤光 片的原理设计的可调谐滤光片。液晶法布里珀罗腔调谐滤光片是m a l l i s i o n 于1 9 8 7 年提出的以液晶作为腔内介质的液晶f p 调谐滤光片。 可调谐液晶电光滤光片的主要优点有： l 、可应用的光谱范围特别宽。许多液晶在紫外、可见光、红外都据有 较大的双折射率和良好的透射性。 曲阜师范大学研究生论文稿纸第2 页 2 、其调谐性能决定于所用液晶材料的双折射率，通常较小的电压就足 以产生较大的双折射率变化。 3 、滤光片中的液晶厚度、液晶分子的排列方向比较灵活，输出光束不 发生偏离。 4 、可调谐液晶滤光片的应用范围广、制作简单、成本较低。 自2 0 0 0 年以来，国内对液晶滤光片的电光性质进行了深入系统研究， 对电压调谐下向列相液晶的双折射率，l 硼t 型液晶滤光片的透射光谱，以及 利奥型可调谐液晶电光滤波器特性等方面都有论文进行论述。在此同时，日 本桃谷大学工程系t u c h i d a 领导的研究组在利用向列液晶双折射特性的多级 可调谐液晶彩色滤光片方面作了一系列工作，并用在激光器中改善蓝光的性 质，国内这方面的研究却很少，因此对该器件进行深入的研究是很有必要的。 论文共分四章，第一章介绍了调谐滤光片的种类，l y o t 型滤光片的原理， 以此为基础又介绍了石英晶体调谐滤光片和液晶调谐滤光片。第二章介绍了 液晶的基本知识，主要包括液晶的分类，三类液晶中液晶分子的排列特点及 向列型液晶的电控双折射效应。第三章介绍多级液晶滤光片的设计原理，从 液晶调谐滤光片的原理和多级双折射滤光片的原理出发讨论多级液晶调谐 滤光片的设计原理。第四章介绍多级液晶滤光片的测试，虽然测试工作是初 步的，但是仍然得到了不少有用的结果。 以往那些相关的研究只报道了液晶滤光片的原理和光谱性能，而本文的 创新在于：1 从理论上完整的提出了可调谐多级液晶滤光片作为光学器件 的设计方法；2 对多级液晶滤光片的带宽压缩作了优化设计；3 尽管在设 计中忽略了所使用的液晶的性质、双折射率的色散、加电时液晶盒光轴的偏 转j 定向层的作用等等，研究结果对有该器件制备还是有一定的参考价值。 关键词：光学器件；调谐滤光片；多级；液晶； 曲阜师范大学研究生论文稿纸 第1 负 a b s t r a c t f i l t e ri su s e dt ot r a n s m l ts p e c t r u mo f d e f i n i t i v eb m a db a n dm t h ec o n t l n u o u s s p e c t m mo rt oe x t r a c tc e r t a i nr a d i a t i o ni nt 1 1 e1 i n e - s p e c l r a i th a sa ni m p o n a n tr o l e i na l ld o m a i n so fs c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 y 1w h a ta r ee s p e c i a l l yw o n h n o t i c i n ga r e t h e 印p l i c a t i o n so f t h et u n a b l e 矗1 t e r s b a s i n go nd i v e r s i t yt h e o l y ，t h e r ea r ed i v e r s i f i e dt u n a b l ef i l t e r s ， t h em e c h a i l i c a lt u n a b l eg r a t i n gf i l t 盯i sr e a l i z e db yag r a t i n ga n dar o t a r y s e c t i o n t h ea i l g l eb e t w e e nm ei n c i d e n tl i g h ta n d 铲a t i n gi st h ed e c i s i v ef a c t o ro f t h et r a n s m i tw a v e l e n g 廿1 t h et u n a b l ep e r f o r n l a n c ei so b t a i n e db yr o t a l i n gt h e 笋a t i n g t h ed i s a d v a l l t a g e so ft h em e c h a n i c a lt u n a b l e 脚t e ra r ch i g l lc o n 们l v o l t a g e ，s l o wr e s p o n s et i m ea n db i gv o l u m e t h ee l e c t r i c o p t i ct u n a b l e 矗l t e r sa r eo b t a i n e db ym ea l t e r a t i o no ft h e b i r e g c eo f 也ee l e c 仃。一o p t i cm a t e r i a la p p l i e dv o l t a g e t h et u i l a b l e p e r f o n n 觚c ec a nb er e a l i z e db ym t a t i n gt h ee l e c t r o o p t i cm a t e r i a li ne l e c t r i cf i e l d n o ww i t ht 1 1 ed e v c l o p m e mo fm ec r y s t a lm a t e d a ls c i e n c e ，t l l ee l e c t r d o p t i c t l l l l a b l ef i l t e r sa r cu s e dw i d e i y i t s 印p l i c 曲l es p e c t r a l 删1 9 ei sb r o a d t u n a b l e1 i q u i dc r y s t a lf i l t e r sa r eo n ek i n do fe l e c 打。一o p t i ct 眦a b l ef i l t c r s w h i c hh a v eb e e nb e i r 培e x t e n s i v e l yp a y e da t t e n t i o nt o t u n a b l e1 i q u i dc r y s t a lf l h e r sh a v e 似om a i nf o 肌s ：l y o tt l l n 曲l el i q u i d c r y s t a lf i l t e r sa i l dt l l i l a b i el i q u i dc r ”t a lf pf i l t e r s l 和tt u l l a b l el i q u i dc r y s t a l f i h c r s 盯ed e s i 印e d ，b a s i n g0 nm em e o r yo fl y o tf i l t e ra n de l e c 仰一o p t i ce 彘c to f l i q u i dc r y s t a l t u n a b l el i q u i dc r y s t a lf pf i l t e r s ，w h i c hw e r er 印o n e db ym a l l i s i o n i n1 9 8 7 ，u s el i q u i dc r y s t a lf o rm em e d i u mi nt h ec 吖i t yo f t h ef i h e r s i ti sp r o v e dt h a t1 、m a b l el i q u i dc r y s t a lf i l t e r sh a v em a l l ya t t r a c t i v ef e a t u r e s ： ( 1 ) i t sa p p l i c a b l es p e e t r a lr a n g ei sb r o a d m a n yl i q u i dc r y s t a l sh a v ev e r y 1 a r g eb i r e 衔n g e n c ea i l dg o o d 劬l i l s p a r c n c yi nb o t hn e a ru l t r 撕o l e tb a i l d ， v i s i b i eb a l l da n di n 丘a r e db a i l d ( 2 ) 1 1 1 et u n a b i l i t yi sd e t e r i n i n e db ym 扎i r e f h n g e n c eo ft h el i q u i dc r y s t a l ，a 曲阜师范大学研多【生论文稿纸 第2 砸 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - r 一 h r g eb i r e 缸n g e n c ec h a n g ec a nb eo b t a i n e db y as m a l lv o l t a g ec h a n g e ( 3 ) t h et h i c ( 1 1 e s so ft h e1 i q u i dc r y s c a ia f l d t h ca r r a n g c m e n to f 出e i q u i d c r y s t a lm o l e c u l ea r en e x i b l e ，t h e r e a r en od e v i a t i o ni nt h eo u t g o i n g b e a m s ( 4 ) i t su s e da r e ai sw i d e ，i t sf a b r i c a t i o ni ss i m p l ea n di t sc o s ti sl o w s i n c e2 0 0 0 ，t h ee l e c t r o o p t i cq u a l i t yo fl i q u i dc r y s t a lf i l t e rh a sb e e nb e i n g s t u d i e de x h a u s t i v e l y 孤ds y s t e m a t i c a l ly | a n i c i e sh a v i n gb e e nr c l e a s e dd i s c u s s e d t h eb i r e 衔n g e n c eo fn e m a t i cl cd r i v e nb yv 0 1 t a g e ，t h et r a n s m i t f e ds p e c t i 啪o f l y o tl i q u i dc r y s t a lf i l t e r s ，m ec h a r a c t e r i s t i c so fl r y o tl ce l e c t r 0 一o p t i cw a v ef l l t e r a n ds oo n a tt h es a m et i m e ，t h eg r o u p1 e a db y u c h i d ai nt 1 1 ee n g i n e e f i n g d 印a n m e n ti n 帕g uu n i v e r s i t yi nj a p a i ld i ds e r i e so fw o r ko nm u l t i p l et u n a b l e l i q u i dc r y s t a lf i l t e r s ，a i l du s e dt h e mi n1 a s e r st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f b l u el i g h t h o w e v e r d o m e s t i cs t u d yo nt h i sf i e l di saf 址l o t 髓et h e m ei n c l u d e s 佑u rs e c t i o n s t h es p e c i e so fn m a b i e 正i t e r sa r e i n t r o d u c e di nm ef i r s tc h a p t e la tm es 锄et i m eq u a n zc r y s t a l a b l ef i l t e r sa l l d l i q u i dc r y s t a l t l l i l a b l ef i l t e r sa r cd e s c 曲e di nt h i sp a r ：t h lt h es e c o n dc h a p t e r t h e b a s i ck n o w l e d g ea i l dt h ee l e c 仃。一0 p t i ce 孤o fl i q u i dc r y s t a la r ed e s c 曲e di n d e t a i l _ t h e o r e t i c a ls t i l d yo nt u n a b l em u l t i p l e1 i q u i dc r y s t a lm t e r si sd i s c u s s e di n t h et h i r dc h 印t e r 柚dt h ef i l t e r sa r et e s t e di nt h ef o n hc h 印t e l o r i g i n a l i t yi n n o v a t i o no ft l l i sp 印e ri s t h a tt h e1 e n e r sr c p o n e dp r e v i o u s l y o n l yd i s c u s s e dt l l e 也e o r ya n dt h es p e c 打a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n a b k1 i q u i d c r y s t a l 石l t c r s ，b u ti nm i st h e m em r e e 嘶g i n a l i t yi 衄o v a t i o n sa r ep r e s e m e d 1 d e s i g n i n gm e t l l o df o rt u n a b l em u n i p l e1 i q u i dc r y s t a lf i l t e r s 髂o p t i c a ld e v i c e si s f i r s t l yp r e s e n t e d 2 o p t i m 啪d e s i 鲈i n gf o rb a n dw i d mc o m p r e s s i o no ft h e m u l t i p l el i q u i dc r y s t a lf i l t e r si sm a d e 3 a n h o u 曲t h ec h a r a c t 喇s t i c so ft h e1 i q u i d c r y s t a l ，d i s p e r s i o no f b i r c i 洳g e n c e 觚dt h ed e n e c 怕no ft h eo p t i c a a x i so ft h e l i q u i dc r y s t a lc a v i t yw h e nv o l t a g ca p p l i e da r ei 髓o r e di nt h ep r o c e s so f d e s i 印i n g ， t h er e s u l t sa r es t i l lv a l u a b l ef o r 也ep r e p a f a t i o nf o rt h ed e v i c e sc o n c e m e d k e y 、r d ：o p t i c a ld e v i c e s ；t u n d b l ef i l t e r s ；m u l t i p l e ；l i q u i dc 巧s t a l ； 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸 第l 页 第一章概述 1 1 调谐滤光片 光学滤光片在连续的光谱中用于透过一定宽度的光谱带或在线状光谱 中提取某些辐射。滤光片在科学技术的各个领域起着重要的作用。尤其值 得注意的是调谐滤光片的应用。基于不同的机制，调谐滤光片的种类很多 【l _ 2 3 - 4 ，5 】： 机械可调谐的光栅滤光片，光栅安装在一个旋转部件上，光栅与入射 光的加角决定了所需要选择的波长。通过光栅的旋转，改变入射光与光栅 的夹角，从而实现波长的调谐。 电子光学滤光片则是通过施加电压使各种电子光学材料的双折射率发 生变化来实现投射波长的调谐，也可以利用电光晶体在电场中的旋转来实 现波长的调谐。近年来随着晶体材料科学的发展，利用晶体的电光效应制 成的电光可调谐滤光片得到了很大的发展，它已广泛用于波长信号分离、 传感器保护、机载水文探测、遥感领域，并且在光纤通信中有很大的应用 前景。本文主要研究了可调谐液晶滤光片，可调谐液晶电光滤光片，它的 主要优点有【卵酬： 1 、可应用的光谱范围特别宽。许多液晶在紫外、可见光、红外都据有 较大的双折射率和良好的透射性。 2 、其调谐性能决定于所用液晶材料的双折射率，通常较小的电压就足 以产生较大的双折射率变化。 3 、滤光片中的液晶厚度、液晶分子的排列方向比较灵活，输出光束不 发生偏离。 曲阜师范大学研究生毕业论义稿纸笫2 页 4 、可调谐液晶滤光片的应用范围广、制作简单、成本较低。 可调谐液晶电光滤光片有两种主要的形式呻_ ”。”】：l y o t 型液晶滤光片 和液晶法布里一珀罗腔滤光片【14 ”- ”】。埘o t 型液晶滤光片是根据液晶的电光 效应和l 弘l 型滤光片的原理设计的可调谐滤光片。液晶法布里一珀罗腔调谐 滤光片是m a l l i s i o n 于1 9 8 7 年提出的以液晶作为腔内介质的液晶f p 调谐滤 光片8 川。 自2 0 0 0 年以来，国内对液晶滤光片的电光性质进行了深入系统的研究， 对电压调谐下向列相液晶的双折射率、l 归t 型液晶滤光片的透射光谱、以 及利奥型可调谐液晶电光滤波器的特性等方面都有论文进行论述。与此同 时，日本桃谷大学工程系t u c h i d a 领导的研究组在利用向列液晶双折射特 性的多级可调谐液晶彩色滤光片方面作了一系列工作，并用在激光器中改 善蓝光的性质【2 “，而国内这方面的研究却很少。 本文根据l 归t 型滤光片原理，从理论上进行多级可调谐液晶滤光片设 计，并且从理论上给出了设计的实例。多级液晶滤光片的设计，一种方法 是把厚度成比例的几个液晶滤光片并联，使他们获得相同的电压，进行调 谐，这种方法设计的滤光片可以实现连续调谐；另一种方法是对相同厚度 的液晶滤光片施加不同的电压，进行滤波，可以从多条谱线中提取所需的 谱线。 以往的那些相关文献报道了液晶滤光片的原理和光谱性能。而本文是 从理论上比较完整的提出了多级液晶滤光片作为光学器件的设计方法，尽 管在设计中忽略了所使用的液晶的性质、双折射率的色散、加电时液晶盒 光轴的偏转，定向层的作用等等，研究结果对有关器件制备还是有一定的 参考价值。 多级液晶滤光片具有能量消耗低、调谐范围宽，可以覆盖可见光区和 近红外区、驱动电压低、结构简单、成本较低等一系列优点，能从二维图像 信息提取特定波长，可用于成像光谱仪，本文的讨论为设计液晶作为调谐 装置的成像光谱仪提供了理论依据，2 ”。 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸 第3 页 1 2l y o t 滤光片的原理【2 3 剖 l y o t 型滤光片是根据透过晶体的双折射效应和偏振光的干涉原理设计 而成的。其结构原理如图1 所示：图1 1 中只、b 是偏光镜，d 是光轴平行 于晶体表面的石英片，两偏光镜的偏振面是相互平行的，d 的光轴方向和 两偏光镜鼻、最的偏振方向成4 5 。角。自然光经过后鼻成为 毋 d 图l - 1l y o t 滤光片的结构图 线偏光，垂直入射到d 表面上，由于d 是平行于光轴切割的双折射片，所以 入射光在进入石英片后产生平行于光轴振动的非寻常光( e ) 与垂直于光轴 振动的寻常光( o ) ，它们在同一方向传播，但由于两者在晶体内的传播速 度不同，所以从石英片出射，其光程不同，光乘差为：上= ( n ，一n 。) 巩此 时，虽然两束光来自同一条光线，且沿同一方向传播，但振动方向却相互 垂直，故不能发生干涉。当它们通过p ，后。光和e 光的振动方向相互平行， 因而能产生干涉。假设晶片的厚度为d ，光轴c 平行于晶片表面，晶片光 轴c 与只偏振轴的夹角为d ，与偏振轴只的夹角为卢，如图l 一2 所示， 设入射光通过e 后，光强为，振幅为4 ，进入晶体后分解为。光和e 光，e 光平行于光轴振动，其振幅为4 o 光平行于光轴振动，其振幅为4 。 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸第4 页 于是有： 爿i 。= 爿ls i n d爿i 。= 一】c o s 口 透过经片后，两分量的相位差为： 占= 2 玎( 胛。一疗。) d 五 光线从晶片透过，出射到偏振器足上，爿。、 。分量中都仅有他们在偏振 方向：吐的投影爿：。、彳：。才能通过。所以足上两个分量的振幅分别为： 图1 - 2 晶体的光轴c 与偏振器量、最的 光轴的相对位置及矢量的分解 彳2 。= 4 。s i n = 4s i n 口s i n ( 1 2 1 ) 4 2 。2 爿l 。c o s 。4c o s 口c o s ( 1 2 2 ) 最后从偏振器只出射的光强是上述两束光的相干叠加，可得： 厶= 4 ；= 4 乞+ 4 乏+ 2 4 2 。爿2 。c o s 占 ( 1 2 3 ) 把( 1 ) ( 2 ) 代入( 3 ) 可得： l = 爿1 2 ( s i n 2 口s i n 2 + c o s 2 口c o s 2 + s i n 2 口s i n c o s c o s j ) 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸 第5 页 由l y o t 型滤光片结构图知道，两偏振镜相互平行，即口= ，假设口= 4 y 则可得： ，2 = 爿? ( 1 + c o s 巧) 2 = ，i ( 1 + c o s 万) 2 得： r = ，2 = ( 1 + c o s d ) ，2 = c o s 2 ( j 2 ) ( 1 2 4 ) 在实际滤光片的设计中我们也可以使两偏振片的偏振面相互垂直，这样就 在原来位相差的基础上增加了厅，同理可得通过镜片后的透射比为： r = ，2 ，l = ( 1 一c o s 占) 2 = s i n2 ( 巧2 ) ( 1 2 5 ) 图1 3 是d = o 0 2 5 m m ，玎。一n 。= 0 1 7 9 1 5 时l y o t 型滤光片的理论曲线。 其中实线为( 4 ) 式，虚线为( 5 ) 式， o 08 暑o6 e 窖 置o4 q 2 4 0 04 5 05 0 05 5 006 5 07 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图l - 3l y o t 型调谐滤光片的理论曲线 曲阜师范人学研究生毕业论义稿纸 第6 负 1 3l y o t 型晶体调谐滤光片 l y o t 型滤光片是法国物理学家l y o t 为了天文研究的需要，特别是为了 观察太阳的日洱和日冕而发明的单色双折射滤光片。由于双折射滤光片可 被设计成具有大视场角、窄通带、良好的抗光损伤能力等独特的光学特性 的器件，因此在许多领域仍有其它滤光片不可替代的作用。l y o t 型滤光片 是根据晶体的双折射效应和偏振光的干涉原理而设计的】。对它调谐的方 法有很多种口“，可以用改变温度的方法，使滤光片中的每块晶片的厚度和 双折射率发生变化，从而引起透射波长的变化；为了获得一个更宽的调谐 范围，可以用两块楔形晶体代替滤光片中的每一块双折射晶体，当楔形板 相对于另一块滑动时，晶体的厚度就发生变化，从而引起透射波长的变化； t i t l e 和r o s e n g e 昭在l y o t 型滤光片中插入了四分之一和二分之一波片，从 而使调谐变得简单可行了。这些方法都是从l y o t 滤光片的原理出发，达到 对光的调谐，但是需要控制温度，或对晶体进行重新加工，或加入新的器 件，对于温控的方法可调谐的范围不大。本文同样从普通的l y o t 型双折射 滤光片的基本原理出发，利用波片延迟量对入射倾角的敏感性【2 7 】，使波片 绕平行于光轴的轴向转动，从而实现对光的调谐，简化了结构，降低了成本， 具有调谐范围宽，调谐方便等优点。利用石英晶体晶片延迟量对入射倾角 的敏感性作调谐滤光片的设计迄今尚未见报道。 根据l y o t 型滤光片的原理，由( 1 2 4 ) 式知，当d = 5 m m 时，l y o t 型滤 光片的理论透射曲线如图1 4 ， w i n 口t h 【n m ) 图1 4l y o t 型滤光片的理论曲线 曲阜师范大学l f 究生毕业论文稿纸 第7 页 从公式可以看出对一定波长的光五，对应一定的占值，从而要使万取 某一相应的值，t 便可取的最大值；对于不同的波长的光，要使其透射最大， 则必须改变j ，因此达到调谐性能。 图l 一5 为厚度为d ，波片晶体光轴垂直纸面，讨论其绕平行于光轴的轴 向转动波片的情况。 e 图1 5 光轴垂直入射面 在此情况下，光线由空气斜入射到波片，o 光和e 光都足满斯涅耳定律m s i n 目= s i n 眈n 。= s i n 幺吃 ( 1 - 3 1 ) 其中n 。和胛，为晶体的主折射率。通过计算，可得。光和e 光的光程差为： 占= 等( ”2 ) = 等d ( 嗣一嗣) ( 1 3 2 ) 对二式做泰勒展开，并略去口4 以上的高阶小项，得 j = 等魄砘m 等署删2 = 戊s 其中民= 等( 一) d 为光正入射时。光和e 光的相位延迟量， 占：三三丝= ! ! d 口2 力2 代r ( 1 3 4 ) 说明绕平行于光轴的轴向转动波片，引起延迟量的增加。 帅阜师范大学研f 究生毕业论文稿纸第8 负 从l y o i 型调谐滤光片的基本原理出发，结合石英波片绕平行于光轴 的轴向转动使相位延迟的变化，设计调谐滤光片的结构如图1 6 ： 鼻厶 图l 一6l y o t 调谐滤光片的结构简图 由( 1 2 4 ) ，( 3 ) 式得可调谐滤光片的透射比为： r = c o s 2 ( 瓯+ 占) 2 _ c o s 2 竿( 心一) d + 竿等丝d 口2 2 ) ( 1 3 5 ) r i 。 从公式可以看出对一定波长的光， 对应一定的占值，从而要使占取一相应 的值，t 便可取的最大值；对于不同的波长的光，要使其透射比最大，则必 须改变目，因此达到调谐性能。 以石英晶体为例，厚度为5m m ，图1 7 表示护= o 。和口= 1 2 。，其中实 线为口= o 。时滤光片透射曲线，虚线为护= 1 2 。时滤光片透射曲线。从图 可以看出，当口发生变化时透射光的波长也随之而改变，从而达到调谐的 目的。 图l - 7 实线为口= o 。时滤光片透射曲线虚线为臼= 1 2 。时滤光 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸第9 页 为了检验理论的正确性，我们采用岛津u v - 3 l0 1 p c 型分光光度计对该结 构的双折射调谐滤光片进行了测试。测试中使用的波片的厚度为3 2 2 8 ， 在1 0 6 4 n f n 处是l 2 的石英波片。测试得到的调谐滤光片的透射曲线如图 l _ 8 ，其中实线为口= o 。时滤光片透射曲线，虚线为口= 1 4 。时滤光片透射 曲线。由结果可以看出实验与理论符合得很好。 图1 8 实线为臼= o 。时滤光片透射曲线虚线为臼= 1 4 。时滤光 片透射曲线 从以上的理论分析及实验可以看出，利用波片延迟量对入射倾角的敏感 性设计的【0 ，o t 型双折射调谐滤光片具有较好的可调性，可调范围比较宽。 对干单级l y o t 可调滤光片来说，它的通带半宽度较大，这是其最大的缺憾， 如果希望得到较窄的带宽，必须采用多级的办法来实现。 曲阜师范人学研究生毕业论文稿纸 第l o 要 1 4l y o t 型液晶调谐滤光片m 1 分子轴按一定方向取向的向列相液晶具有光学单轴性。在一般情况下， 光轴与分子轴一致。液晶层加上电场后，光轴发生转动，对电极表面旋转 了一定角度。把液晶盒放在正交偏光镜中间，对垂直于液晶层入射的波长 为a 的光，在寻常光和非常光之间产生的相位差为 谚= 2 石d 疗，丑， ( 1 4 1 ) 其中，d 是液晶层的厚度；幽，是液晶对波长为a 光的双折射率，它依 赖于波长五，、温度r 和电压矿： ( r ，乃，v ) = ( ， ) ，( 矿) ( 1 4 2 ) 式中( ，五，) 是液晶在r 、丑，及矿= 0 时的双折射率；i 厂( y ) 是液晶双 折射率随电压变化的函数，b l 0 0 9 型液晶盒双折射率随电压的变化如图 1 - 9 。因此，偏振光进入液晶层后，寻常光和非寻常光产生的位相差为： 每= 2 石d p ，乃) ，( 矿) 乃 ( 1 4 4 ) 经检偏镜后，将发生干涉，透过比为 t = s “( j ，2 ) ( 1 4 5 ) 从( 4 ) 和( 5 ) 式可以看出，当温度恒定时，r 依赖于五，和y ；若加在 液晶盒上的矿发生变化时，r 将随之而变，从而达到调谐的目的，如图1 1 0 。 “” 图卜9b l 一0 0 9 液晶双折射率随电 压的变化 m ”n m 图1 1 0 液晶滤光片的调谐 曲阜师范大学目f 究生毕业论文稿纸 第1i 负 第二章液晶的有关性质脚n ，z 2 1液晶的分类及分子排列 法国的弗里得于1 9 2 2 年提出液晶基本分为三种，分别是向列型液晶、 近晶型液晶和胆甾型液晶，构成液晶物质的分子，大体上上细长棒状或扁 平状，并且在三类液晶中各有自己特殊的排列方式。下边分别介绍在三种 液晶中分子的排列方式。 在近晶型液晶中，棒状分子形成层状结构，每个分子都垂直于层面或 与层面成一定的角度，并且无论哪一种排列，分子的排列都保持相互平行。 这种排列的分子层之间的相互作用力比较弱，分子之间很容易滑动，因而 近晶型液晶呈现二维流体的性质。在这种液晶中光沿着垂直于分子层的方 图2 1 近晶型液晶 的分子排列 图2 2 相列型液晶 的分子排列 向通过的速度要比沿着平行于分子层方向通过的速度慢。这里所谓的沿分 子轴方向的透光速度慢，是指在光学上显示正的双折射性。此外与普通 的流体相比，近品型液晶具有高粘度的特性。 向列型液晶的棒状分子也仍然保持与分子轴平行的排列状态，但没有 近晶型液晶中那种层状结构，向列型液晶在光学上仍然显示正的光学性质。 近晶型液晶中那种层状结构，向列型液晶在光学上仍然显示正的光学性质。 j f f l _ 胄师范大学研究生毕业论文稿纸 与近晶型液晶相比较，向列型的液晶粘度小、易于流动。产生这种流动性 的原因，主要是因为向列型液晶的分子容易沿着分子长轴的方向自由的移 动。 胆甾型液晶和近晶型液晶具有同样的层状结构，但层内液晶分子的排 列于向列型液晶类似，分子长轴在层内相互平行。这类液晶比较突出的特 点是，各层的分子轴方向与邻接层的分子轴方向略有偏移，液晶整体形成 螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。但甾型液晶的旋光性、选 择性光散射和圆偏振光二色性等特殊的光学性质就是有这种螺距结构所引 图2 3 胆甾型液晶的分子排，0 起的。并且其光学性质与近晶型和向列型液晶的光学性质不同，胆甾型液 晶在光学上显示的是负的光学性质。 由以上分析可知液晶的分子排列并不像晶体分子的排列那样牢固，所 以很容易受到电场、磁场、温度、应力以及吸附杂质等的外部刺激的影响， 从而使其光学性质发生变化。液晶这种作用力微弱的分子排列，正是液晶 能开拓目前所见到的广泛应用的关键。本论文主要是利用了电场对液晶的 影响而导致其光学性质变化的效应。 曲申师范人学研究生毕业论文稿纸 2 2液晶的双折射特眭和光学性质 l 、折射率的各向异性和光学的正负 液晶的主要特征之一是像光学单轴晶体那样，由于折射率各向异性而 显示出双折射性( b i r e f r i n g e n c e ) 单轴性晶体有n 。和盯。两个不同的主折 射率，h 。和”。分别是光矢量的振动方向与晶体光轴相垂直的寻常光 ( o r d i n a r yl i g h t ) 及与晶体光轴平行的非常光( e x t r a o r d i n a r yl 逗h t ) 的折 射率。 在向列相液晶和近晶型液晶中，因为单轴性晶体的光轴相当于分子长 轴方向的指向失n 的方向1 3 3 一】，所以有： 以。= 疗 珂。= h 因而其双折射性，即折射率的各向异性n 可以由下式求得： 竹= 竹。一h 。= ”一”i ( 2 2 1 ) 相列型和近晶型液晶在各个空间方向上的折射率的大小如图2 4 所示， 曲阜师范人学1 1 ) f 究生毕业论文稿纸 第1 4 页 以，通常是h ， ， 的光学性质。 在胆甾型液晶中， 波长比螺距大很多时 血是正值。因此，相列型液晶和近晶型液晶具有正 与指向失n 垂直的螺旋轴相当于光轴。因此，当光的 液晶的主折射率h 。和r 可以表示为： 疗。= 【( 行；十 i ) 2 “2 ( 2 2 3 ) 。= 甩1 ( 2 2 4 ) 因为即使在胆甾型液晶中嘞 ，? - 的关系仍然成立，但： 门= 力。一n 。= 栉， 且光速v 与折射率n 成反比，因此平行于n 方向的光速比垂直于n 方向 的慢。 图2 6 用来说明入射偏振光的偏振状态发生的变化。对于液晶排列与x 轴方向一致的指向失n ，我们认为是电矢量的振动方向于x 轴的夹角为护， 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸 而沿z 轴方向入射的电场矢量为。的线偏振光。设z - o 时的电矢量在x 、 y 方向上的电矢量为e ，和e ，则进行到z = z 时的入射光的偏振状态可用下式 表示： ( 去 2 + 岛卜篇鬻坤舶c z 。e ， 其中占= 2 万( n 。一心) d 丑，从式( 2 2 6 ) 可知，当目= 0 和口= 万2 时， e 。= 0 ，。= o ，即入射光的偏振方向不发生变化。与之相反当护：疗4 时， 上式变为 霹+ e ：一2 e e ，c o s d = 曰s i n 2 占2 ( 2 2 7 ) 由此可知，入射光沿z 方向前进其偏振光的状态按照直线、椭圆、圆、椭 圆、直线偏振光的顺序变化，线偏振光的偏光方向也发生变化。如图2 6 所示。 臼= 0 咿= 万4 x ( n ) ff f ffff ff o 心心o 目= 石2呻寸斗斗啼斗叶 图2 6 液晶中入射光的偏振状态和偏振光方向的变化 l 一 曲阜师范人学研究生毕业论文稿纸 2 3 液晶的电控双折射效应 么窿。4 蚕 二二二= = = = = ：l ：重量堂线偏光 正交蔽兰三謦线偏光正交镰竺兰掣 卜 入射光个入射光 f f i 阜师范大学研究生毕业论义稿纸 n 十p 一c 铡呲 3 。 这里k 是域值电压，小于它时分子轴不发生偏转，是某一个中间值， 当矿 巧时，偏转角口随着v 值的增加而增加，直到达到a 的饱和值石2 。 有前面的知识我们知道平行于分子长轴方向的折射率为强，垂直方向的折 射率为n 。随着分子轴方向的偏转，根据折射率椭球得出入射光偏振方 向的折射率为 珂。= ”打l “月ic o s 2 d + ”；s i n2 口) “2 ( 2 3 2 ) 由此可见，通过改变加在液晶上的电压，可以改变液晶的双折射率。于是 导致入射光的偏振态发生变化，从而使一部分光透过检偏镜。该透射光的 强度取决于外加电压的大小，根据偏光干涉其强度由下式决定： ，= s i n 22 口s i n 2 ( 占，2 ) ( 2 3 3 ) 其中j ，= 2 魈h ( v ) d 五，厶表示入射偏振光的强度，口表示入射偏振光方 向与液晶盒中寻常光的振动方向构成的夹角，d 为液晶层的厚度，”( v ) 为施加电压v 时的双折射率，五为入射光的波长。当= 4 5 。时，( 2 2 3 ) 变为： ，= 厶s i n 2 ( 占，2 ) = 厶s i n 2 ( 砖”( v ) d 五) ( 2 3 4 ) 据此利用偏光干涉原理借助于分光光度计，我们测量出液晶双折射率对电 压变化情况m 挪7 邓1 。液晶电控双折射其最大优点是：控制电压低，电压的 微小变化既可引起双折射率的很大变化。所以，根据液晶的电控双折射效 应制成的液晶调谐滤光片有调谐方便、能量损耗小的优点。 f i l 卓师范大学研究生毕业论文稿纸 第1 8 砸 2 4 液晶的琼斯矩阵 光轴的方位妒是z 的线性函数： d2 t n 是盒中总的旋转角 仍= 耐 ( 2 4 2 ) 且有仍= 9 0 。，t n 盒外层有一对偏振片p ，a ，它们的光轴方向与上表面液 晶指向矢量方向相同，这一方向取向为x 轴，设光波沿z 方向入射，经p 后变成沿x 轴方向振动的线偏振光，它的偏振态可以用j o n e s 矩阵表示： = 吲 理论上可以证明，由于扭曲型各向异性的作用，经液晶盒透射的光波偏振 态为： 。e 2 蚓2譬煮堂眨。， ， “j，、 一丝! ! 呈!c o s z + 型! ! 翌! 舻， 式中伤为总的旋转角且钆= 玎2 ，r ( 一钆) 表示一个旋转一角的变换 矩阵， 胄( 一) ：f 。? 5 l s l n 伤鬻怫；1 。l ) 一 ( r 口和r 可表为 曲阜师范人学研究生毕业论文稿纸 = 丌( 胛。一门。) d r = 而= 阿 从而液晶的琼斯矩阵可表时为 j = = 口 0 霉 第1 9 负 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) e e 旷iiir 泸一 r 一 + 鲤，一警， 、ii叫 垫， 泸一 地，一 1，j o f f f ! 阜师范，i _ = 学研究生毕业论文稿纸第2 0 募 2 5l y o t 型可调谐液晶电光滤光片的特性分析 根据第一章所述l y o t 型滤光片的原理我们可以得出，如果实现透射峰 值波长的调谐，必须改变中间晶体的厚度或折射率，或者是两者同时改变， 当然对于晶体来说我们可以通过机械的方法改变其厚度从而使之成为可调 谐滤光片，也可以在两偏振镜之间增加其它可以旋转的元件实现调谐的目 的。 l y o t 型可调谐液晶电光滤光片是根据第二章所述的液晶的电光效应 研制的，把l v o t 型滤光片( 图l 一1 ) 中间的晶体改为液晶盒，使液晶盒平 图2 l y o t 型液晶调谐滤光片 行于两偏振镜，并且使两个偏振镜的偏振面相互平行，假设两偏振方向两 偏振方向与x 轴的夹角分别为仍、妒：，并在液晶盒上施加交流电场。两偏 振结构如图2 - 8 所示，通过对液晶施加电场使腔体介质折射率改变的方法实 现对透过波长的调谐。根据前面所将随着液晶所加电压的不同其分子轴旋 转，旋转的角度口是电压v 的函数，根据折射率椭球得出入射光偏振方向 上的折射率为： 胛。= 玎”1 “n ic o s2 口+ 盯；s i n 2 口) 2 ( 2 5 1 ) 由此可见，通过改变加在液晶上的电压，来改变液晶的双折射率，从而改 曲阜师范大学研究生毕业论文稿纸 第2 l