（光学专业论文）电调谐液晶法布里—珀罗滤波器.pdf

摘要 滤波，也称分光，是光学测量中经常用到的一种技术。 光学中经常用到的各种分 光元件，如光栅、棱镜等以及以它们为基础构成的仪器，也是实际上的滤波器。显著 地减小这种滤波器的体积，将会使以分光为基础的测量技术得到推广应用。 液晶是一种得到广泛应用的光学材料，它具有双折射率可调范围大( o n 可达。2 以上) ，对控制电压敏感等特点。用液晶制成的器件体积小、工作电压低、功耗低， 特别适合在便携式的测量设备中使用。 本文介绍的主要工作是: 将向列型液晶作为工作物质填充子带电极的f 一p 干涉 仪中， 制成了1 .5 a a n 波段的、自 由 光谱范围 是3 0 二左右、 半强 度带宽为4 n m 的电 调 谐 液晶f一p 滤波器;讨论了液晶、反射镜和透明导电膜i t o 的性能对滤波器性能参数 的影响，并提出了改进措施。 此种滤波器可制成便携式的光谱仪、可变带宽可调谐的滤波器等。 关键词:分光电调谐液晶f -p 滤波器液晶 ab s t r a c t s p e c t r u m a n a l y s i n g i s o ft e n u s e d in o p ti c a l m e a s u r e m e n t . ma n y k in d s o f d e v ic e s , s u c h as g r a t i n g s , p ri s m s a n d in s t r u m e n t s m a d e o f t h e m , a r e w a v e fi l t e r s in f a c t . l i q u i d c ry s t a l 伍 c ) i s a 加。 o f o p t i c a l m a t e r i a l w h i c h i s u s e d in m a n y as p e c ts . i t s i n d e x o f b ir e fr i n g e n c e c a n b e t u n e d w i d e l y ( t i n 0 .2 ) . i t s s e n s i t iv e t o v o l t a g e . a l c e l e m e n t h a s s m a ll v o lu m n , l o w w o r k i n g v o l ta g e a n d l o w p o w e r d is p e r s i o n . i t c a n b e u s e d i n m a n y p o r ta b l e i n s t r u me n t s . 玩t h is t h e s i s , a n e l e c t r i c a l ly t u n a b l e f a b ry - p e r o t fi l t e r u s i n g n e m a t i c l c is p re s e n t e d . i ts fr e e - s p e c t r a l r a n g e ( f s r ) its a b o u t 3 0 n m a n d i ts f u ll w i d t h a t h a l f m a x im u m a m p lit u d e 任v i m勺is 4 n m . i t i s曲c u s s e d h o w th e c h a r a c t e r is t i c s o f l c , m i r r o r s a n d tr a n s p a r e n t e l e c t r o d e s a ff e c t t h e fi l t e r s c h a r a c t e r i s t i c . t h e e l e c t ri c a ll y t u n a b l e f - p f il t e r u s i n g l c c a n b e m a d e i n t o a p o r ta b l e s p e c t r o s c o p e o r a t u n a b l e fi l t e r w i t h t u n a b l e p a s s b a n d . k e y w o r d s : s p e c t r u m a n a l y s in g , li q u i d c ry s 呱 e le c t r i c a lly t u n a b l e f - p f il t e r 第一章引言 第一章引言 光子学是研究光子流控制技 术的学 科。 对光子流的控制，可通过多 种途径进行。 其中， 通过控制光学材料的折射率来控制光的 位相， 是一种广泛有效的光子控制手段。 在光学实验中经常用到的 光学仪器如单色仪、 分光光度计、 光谱仪等， 其基本原 理都是分光，即利用光栅等器件对光波长 ( 或频率)的 选择性将不同彼长 ( 或频率) 的光分开， 选取特定的光进行工 作。 所以， 光栅在这些仪器中所起的作用相当 于一个 滤波器。除光栅外，其它一些光学器件如滤光片、 棱镜等也等效于滤波器。 可以 说， 滤波是光学实验中经常使用的一种概念和实验手段。 但 是 ， 现 在 使 用的 滤 波 手 段 还 有 发 展的 余 地 以 光 栅 光谱 仪 为 例， 在 这 种 光 谱 仪 中， 光栅是最重要的 器件之一， 它起着分光的 作用。 在使用光栅时， 需要足够大的空 间才能发挥出 它的分辨本领. 而在许多场合下，由于使用空间的限制， 往往更需要小 型的、 便于携带的光谱仪。 现有的 小型便携式光谱仪，由 于光栅非常精密、 容易受到 损坏而在使用中造成很多不便。 如果用一种体积小巧、 调节方便而且不易损坏的滤波 器代替光栅，就可以制造出一种更为紧凑的便携式光谱仪。 在各种滤波器中， 法布里一拍罗 少 a b ry一p e r o t ) 千涉仪型滤波器份一p 滤波器) 以 其极窄的 滤波带宽而经常受到重视。 法布里 一拍罗干涉仪 ( 在垂直入射情况下) 允许 的 透过波长为一系列固 定值，即只有一定波长的 光才能 够通过，如( 1 . 1 ) 式所示: 又= 2 n d n ( n = 1 ，2，3，)( 1 . 1 ) 式中n 为 腔内 物质折射率.d 为腔长。 要使其它波长的光束能够透过， 就必须对n 或 d 进行调整.因此，调节n 和调节d 就成了调节f 一p 滤披器的两种方式. 1 9 8 7 年， 贝 尔 实 验 室 的j .s t o n e 和l .w .s t u l z 【 t 报 道 了 一 种光 纤f 一p 滤 波 器。 他们将两段光纤的端面镀上高反射膜， 再把压电陶瓷 用某种方式分别与两段光纤粘接 、上 做 成 f - p 滤 波 器 ， 通 过 对 压 电 陶 瓷 进 行 电 调 节 改 变 压 电 陶 瓷 的 长 度 ， 从 而 带 动 光 纤移动， 改变腔长d ， 对f -p 滤波器进行调节。 用这种方法可以制成自由光谱范围 大于l o o m ，半强度带宽为0 . 1 9 n m、0 . 0 4 n m、0 . 0 2 n m，精细度达2 0 0 的f 一p 滤 波器， 可见其性能是很好的。 但是， 这种滤波器是把压电 陶瓷分别与两段光纤粘接上， 在实际制作中很难保证f 一p 腔两端面的平行， 调整光纤的位置也较困难。 即使滤波 器本身制作成功，在实际使用中也会遇到压电陶瓷 受周围环境温度的影响热胀冷缩， 使腔长产生漂移，从而调节不准的问题。 第一章引言 除调节腔长外， 还有另一种方法， 就是固定腔长并在腔中填充工作物质， 其折射 率可在一定范围内 变化， 通过调节工作物质的折射率使f 一p腔内 的光程发生变化， 达到使透过波长发生改变的目的。国内外都有这方面的报道，且都是以液晶作为工作 物 质 。1 9 9 0 年 ， 美 国b e ll c 二的j .5 .p a t e l 1 2 1 等 人 报 道了 以 向 列 型 液 晶 为 工 作 物 质 的f -p 滤 波器， 在1 .5 i a tt 波段工作， 自 由 光谱范围 为7 5 n m， 半 强 度带宽为1 一 2 n m , 但 并 未 提 到 此 滤 波 器 的 制 作 细 节; 国 内 有 北 京邮 电 大 学的 申 瑞 林 3 1 在1 9 9 5 年 报 道 了以向列型液晶作为工作物质的电调谐f -p滤波器， 但他只制成了适用于可见光波 段的器件， 并没有在红外波段进行具体研究， 日 前国内尚未见其它有关这方面的报道。 在本文中， 我们将介绍1 .5 i o n 波段的电 调谐液晶f 一p滤波器的 研制工作。之 所 以 仍以液晶作为工作物质，是因为它具有以下主要特点: . 折射率可调范围大， 可在 1 . 5 至 1 . 7 之间通过电 压调节连续变化，目 前还没 有其它能够达到这样大的变化范围的光学材料; . 折射率对控制因素( 电 压) 敏感、可实时控制且调节方式简单准确; . 环境温度的改变 t 也可引起液晶 层厚度变化a i = 1 a a t ， 但是因为液晶的 双折射率大( 可达 。 2 ) ，实用器件厚度1 仅为1 0 i u n 左右，故 i 很小，弓 起 的波长变化也很小。 正因为液晶具有以 上优点， 用它制作的光学元件，其光学参数可以 成为实时可调的， 从而具有使用方便灵活的特点。此外，液晶光学元件的控制具有低电 压、 低功耗和体 积小的优点。 这些特性造成了液晶器件在使用上的一大优势。 我们初步研制的f 一p 滤波器的 腔镜， 是以k 9 玻瑞为基板， 依次蒸镀r r o ( 氧化 锢锡) 导电 膜、2 f s 一m g f i 多层高反射 膜和s i 0定向 层制 成的， 工 作 物质为b d h 一 e 7 液晶。 经实验测得 器件的半强度带宽为4 n m ， 自由 光谱范围为3 0 n m。 改进工作正在 进行中。 现阶段制成的滤波器只有一个单元， 今后可发展为单元阵列， 每个单元施加不同 的电场，允许透过的光的 波长不同，成为可编程的滤波器，可同时搜盖较宽的波段， 这种滤波器可与其它器件一起组成便携式光谱仪。 第二童器件的工作原理 第二章器件的工作原理 电调谐液晶f -p滤波器主要由两部分组成:液晶和f 一p 干涉仪。 液晶可产生 多种电光效应:动态散射效应、扭曲向 列效应、电控双拆射效应、 相变效应、宾主效 应等等，我们所研制的器件采用的是电控双折射效应( e l e c t r i c a lly c o n t r o ll e d b i r e fr i n g e n c e , 简称e c b ) o f -p 干涉仪是一种常用的多光束干涉仪， 它由两快平行放 置的平面板组成， 在两板相对的平面上镀有高反射率的薄膜， 它可以 产生非常细的干 涉条纹。本章将简略介绍液晶 和f 一p 千涉仪的工作原理。 2 . 1液晶的结构与分类 液晶是介于液体和晶体之间的一种物质形态，是由杆形分子、盘形分子等不具有 球对称的分子组成的部分有序物质。它既不同于分子排列完全混乱的各向同性液体， 也不同于分子排列完全有序的晶体。 这种介于液体与晶体之间的分子排列以及分子本 身的特殊形状与性质，导致了液晶呈现出介于液体与晶体，甚至更为复杂的特性。一 方面. 液晶具有液体的流动特性; 另一方面， 液晶又呈现出晶体固有的空间各向异性， 包括介电、磁极化、折射率等的空间各向异性。 在众多液晶中， 被研究得最多、 应用最广的是由简单的杆形有机分子构成的液晶。 由杆形分子形成的液晶，常见的可分为三类:向列型、胆凿型和近晶型，如图2 . 1 所 不 。 而 880000000 0 0 0 0 0 0 0 厕翻啊 八m习陌田八曰u 向列型胆幽型 近晶型 图 ( 2 . 1 ) 第二章器件的工作原理 向列型液晶分子重心的空间分布混乱无序，但是，从整体来看，分子轴却向着同 一 方向 ， 图 中n 为大 量分子排列方向 的 单位矢量， 称为 指向 矢。向 列型液晶的 光 学与电学性质，即折射率与电介质常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向是不 同的。 胆凿型液晶由 手性分子组成。在胆凿型液晶中，分子的重心排列仍然是无序的， 但 是 分 子 的 指 向 矢 月 在 一 个 平 面 内 大 致 指 向 一 个 方 向 。 在 垂 直 于 这 个 平 面 的 方 向 上，分子的指向矢会旋转，形成螺旋结构。 近晶型液晶与上述两种相比，其分子排列更为规则。它的分子形成一层一层的分 子层结构， 而且， 在层内是无序的。 因为在本论文中， 从整体来看， 在同一层内分子轴指向一个方向， 但分子的重心 我们以向列型液晶作为工作物质， 所以， 主要介绍向列型液晶。 2 . 2向列型液晶的光学性质和工作方式 向列型液晶显示出各向异性，是由于它的细长分子结构， 使向列型液晶的折射率 与电介质常数，沿着及垂直于指向矢的方向而不同。当以。 / 表示平行于轴向的平行 介电常数，: : 表示垂直于轴向的垂直介电常数时，则有两种情况: : 二 f / 一 ! 1 o 或 e t ， 对于 象液晶 这类电 阻率高 而导磁率id 二 1 的 物质， 它的折射率是由介电常数的平方根决定，所以对液晶来说， o n =n i - n 1 0 ( 2 . 2 ) 实验表明， 所有的向列型液晶都是光学上的单轴材料， 其光轴沿着液晶指向矢的方向， 如果以n e 表示非常光的折射率，n o 表示寻常光的折射率: 那么，n e 二n r , n o = n 如果将液晶分子置于外加电场中，因外场而产生的诱导偶极矩与外场相互作用， 指向矢将趋向 外场方向 偏转， 这种现象叫f r e d r i c k s 相变。 分子指向矢的变化， 也意味 着材料光轴的改变，因 而可以 用来调制透射光。正是荃于液晶的这个特性， 我们研制 第二章器件的工作原理 的 器件采用液晶的电控双折射模式 ( e c b )。 2 . 3 e c b液晶器件的琼斯矩阵 图 ( 2 . 2 ) 所示为垂直入 射时 液晶 的电 控双折射工 作方 式 示意图。 图中 液晶 分子 平行 于基板排列， 设x y 为实验室 坐标系， 液晶 层的 主轴坐标系为x y , 液晶 分子定向 平行 于y ， 轴， 两 坐标系之间 相差。 角。 ym a y 图 ( 2 . 2 ) 设入射线偏振光在x y 坐标系的琼斯矢量为 ( 2 . 3 ) 了丫了 ee 该偏振光在x y 坐标系中的 琼斯矢量为 e ,x, = cosae , - sin o = e l., e l二 c o s b 一 e , s in 0 e l二 s i n o + e , , c o s oe ( 2 . 4 ) 由 于n . . 振光在 = n o , n . 一、， 而n , n o ， 故x 轴 是 快 轴 ，y 轴 是 慢 轴， 从 液晶 层 射出 的 偏 x y ，坐标系的琼斯矢量为 风 : c o s 9 一 凡 s i n g 厂胜ilesl -一 .e - j a e 2., = _ e ,. . l e w j l e iy .e ( 凡s i n o + 凡c o s 8 ) e - j o 凡凡 c 。 旧 b b i n 山- j d 滋n口 食- h 0 ( 2 . 5 ) 一11.es.1 -一 其 中 中是沿 y , 轴方向的振动与沿 x 轴方向的振动之间的位相差 0 = 0 y , 一 0 . 一 丁( 、一 :,)d = 誓 (n ， 一 。)d ， d 是 液 晶 层 厚 度 。 第二章器件的工作原理 而出 射偏振光在x y 坐标系的 琼斯矢量可表示为 把式( 2 . 5 ) 代入式( 2 .6 ) 得 阵 引 = co s b l e 2 y l - s i n h 一 cos8 sing e z.,c- sin b cos 9 e zy, sin b i cos b/ 。 - sin b j e ,cos b sin 若两平行的 镀膜平面的间隔可以改变， 则称该仪器为f 一p干涉 仪。 图 ( 2 . 3 ) 所示为光在两平面板之间进行多次反射的情况，自 光源发出的任一条光 线， 射在两平面板后， 则在两镀膜平面间进行多次反射， 结果构成多个平行的投射光 和 ( 1 ) , ( 2 ) , ( 3 ) , 和多 个平行的 反 射光 ( 1 ) , ( 2 ) , ( 3 ) , 。 第二章器件的工作原理 在这两组光中， 相邻光的相位差或光程差都相等。设入射光的振幅为a，则诸透 射 光的 振幅分别为a tt , a d r 2 , a ft r 4 ， 一; 而诸反射 光的 振幅为a r , a r t t ， a r s tt , a r 0 t t ， - , - 等， 其中; 2 为镀膜的反射系数，r 2 + 1 1 = 1 。这是 考虑到一般情况下，f 一p 干涉仪 是在空气中 使用， 而空气层的 损耗非常低， 可忽略不计。 当反射系数; 2 较大且与1 相 差不多时，则所构成的透射光接近于等振幅的多光束，这样透射的多束光， 就可作为 获得锐利千涉条纹的相干多光束。 图 ( 2 .3 ) 1 4 r: 厂 s ) ( 1 一 r ) 、 2 / ( 2 . 1 0 ) 几一几 f一p干涉仪的透过率为 t= 其中，6 是相邻光束的位相差 4 7 r s=- 二 -n d c o s i 兄 ( 2 . 1 1 ) 式中n为介质折射率，i 为在两镀腆平面间反射光与平面法线的夹角。 在垂直入射时 r =o, 其中. ( 2 . 1 0 ) 式可化简为 t 二 _. ， ( 2 md ) 1 十f s i n i 一 一 丁 - 、a/ ( 2 . 1 2 ) 尸 = .( 2 m r d ) 由 ( 2 . 1 2 ) 式可知，当s i n 一 ; 一1 = u ，p曰 、尸 l/ 2 n d 时，几 。 = 1 e以t 为 纵 轴， 以 波长a 线。 =na( n = 1 ，2，3，) ( 2 . 1 3 ) 为横轴， 则由 ( 2 . 1 2 ) 式可绘成如图 ( 2 . 4 ) 所示的曲 第二 童器件的工作原理 1 0 0 4 t f s r 一 二 5 0 % 卜一 i 一一一 a o l , 一 人 图 ( 2 . 4 ) 我们在研制过程中， 最关心 f一 p干涉仪的两个性能参数:自由 光谱范围 ( fr e e s p e c t r a l r a n g e ) 和半强度带宽 ( f u ll w i d t h a t h a l f m a x im u m a m p li t u d e ) . .自由 光谱范围 简称f s r ) 如图 ( 2 . 4 晰示， 是相邻两个透射峰之间的 波长间 距。 可以求得 兄2 尸 s r一2 n d ( 2 . 1 4 ) 由 图 ( 2 . 4 ) 可知， 若入 射光的 波长 在凡到凡十 f s r 范围以内 ， 只有波长为凡的 光能够全部透过， 其它波长的光或者完全不能透过，或者透过率极低， 也就是说， 法布里一拍罗干涉仪起到了滤波器的作用。自由光谱范围越宽，滤波器的可调范 围也可能越宽。 .每 个 透过 峰 都 有一 定 的 带宽， 除凡 外， 在a n 附 近很 小范围 内 的 其 它 波长 的 光 也会透过。这个范围越小。也就是说透过峰的带宽越窄，透过光的单色性越好。 一般用半强度带宽来表征透过峰的带宽。 半强度带宽 ( 简称f w h m) 被定义为每个峰在最大值的二分之一处的宽度。 由 ( 2 . 1 0 ) 式可以 求得 fwhl b f= f s r fr ( 2 . 1 5 ) _ _ 7r v r二 * 头 甲 f r=丁 一 下 哥， 明i-相期反 。 1一 tt 由 ( 2 . 1 5 ) 式可知， 干涉仪的选择性越强， 高的腔镜反射率。 当自由光谱范围一定时，精细度越高，半强度带宽越窄， 透过光的单色性就越好。 而要达到高的 精细度， 就应有较 第二章器件的工作原理 如果f一p 干涉仪腔中充满介质， 其对光振幅的损耗系数为ii ， 则图 ( 2 . 3 ) 中 诸透 射 光的 振 幅 变为a d e - 4 , a tt 尸e _ 3 d , a d r e - 3 d 等。 可以 求 得 诸 透 射光 合 成的 透射 光强 1 , 1 ; . 二 a l i t ,e - , a 0 1 + r e ,一 2 r e - z c o s ,5 ( 2 . 1 6 ) 将1 。 二 a , u = 1 一 r = 1 一 r和介 质的 光 强 度 损 耗。 = 2 q 代 入 ( 2 . 1 6 ) 式可 得 此时 法布 里一拍罗干涉仪的透过率t ( 1 一 r ) 2 em 1 + r 2 e - 2 一 2 r c 一 e r c o s 8 ( 1 一 r ) 2 e 一 id - 几一几 一- t 曰. , ( 2 ; r _八 ( 1 一 r e “ ) + 4 r e - s tn 了n d c o s i ) ( 2 . 1 7 ) 在垂直入射时，f = 0 由 。2 .1 7 )式 可 知 ， 当 n 厂 李 ) = sin r 2 州) 二 。 、zj、尤/ 即当 2 n d=na ( n = 1 ，2，3，)( 2 . 1 8 ) 时 t . . 可以 看出 ，由 于e - 0 1 1 一r 所以，f -p 千涉仪的 腔中 充入介质后， 其透过率曲 线被展宽了 性也变差了。由 ( 2 .2 9 ) 式可得以 下结论: ( 2 . 2 9 ) 透过光的单色 1 .曲线展宽的程度与介质的损耗系数a 和介质层厚度d 的乘积有关，乘积越大，则 半强度带宽越宽; 2 .在。 d不变的情况下， 腔镜的反射率r越大， 则半强度带宽比无介质时展宽得越 多; 3 .应使用损耗系数。 尽量小的材料，才能得到尽量窄的半强度带宽; 4 .在损耗系数a 为定值的情况下，介质层应尽量薄以减小展宽的程度。 第三章器件的设计和制作 第三章器件的设计和制作 我们制作的器件的主要结构是一个f一p 腔， 在其中充有向列型液晶。 但是， 因 为器件是在红外光波段使用， 所以， 用来制作器件的光学材料和制作工艺不同于在空 气中使用的f一p干涉仪。 本章将主要介绍器件的设计和制作过程， 并就在此过程中 遇到的一些问题提出了解决的办法。 3 . 1器件的设计 我们设计的液晶f 一p 滤波器的 剖面图 如图 ( 3 . 1 ) 所示。f 一p 腔中的每个腔镜都 是以厚玻璃板为基板，依次蒸镀导电膜、高反射膜、定向膜而制成的。然后，把两个 腔镜装配成f一p 腔，再灌注液晶，接上电极，就制成了液晶f一p 滤波器。 1 玻璃基板2 r r o导电 膜3 z n s - m g f 2 4 s i o定向 膜5 b d h一e 7 液晶6 图 ( 3 . 1 ) 多层高反射膜 引出电极 1 .玻璃墓 板选用的 是k 9 玻璃， 这种玻璃是 制作光 学 器件常用的 一 种光 学材料。 玻璃基板镀膜的一面的平面度要非常好，小于十分之一波长。我们使用的玻璃基 板比较厚 2 . t t o ，为4 nn a n ， 在使用过程中不易变形。 ( 氧化锢锡)导电膜是一种透明薄膜，与其它氧化物透明导电膜相比， 它 具 有 如 下 优 点 : 高 透 过 率 、 良 好 的 导 电 性 能 、 良 好 的 机 械 强 度 、 稳 定 的 化 学 性 质、制备相对容易等等。 r r o 薄 膜 的 电 阻 率 ,0 ( 0 二 ) 和 面 电 阻 r ( c / 口 ) 、 膜 厚 成 交 ) 之 间 有 如 下 关 系 第三章路件的设计和制作 p = r d x 1 0 - 8 ( 3 . 1 ) 在电阻率一定的情况下，膜层越厚，电阻值越低。应根据实际需要来选择合适的 膜层厚度。 3 . z n s 一m g f 2 高反 射 膜是一 种典型的多 层高反 射膜。多 层高反射膜是由 具有 较 高 折 射 率n h 和较 低折 射率11 i . 的 两 种 材料 交 替组 成的,7, / 4 膜 系: 并 且 与 基 底和 空 气 相 邻的 都 是 较高 折 射率的 膜层， 这 种a , / 4 膜系 通 常 用下 列符号 表 示 g h l h l h. 二 l h r 1 = g ( h l ) p h . 4 p = 1 , 2 , 3 , - ( 3 .2 ) 其中。 和a 分 别 代 表荃 底( 玻璃) 和空 气，1 1 和l 分 别 代表 光 学 厚 度 为凡l 4 的 高、 低折 射率 膜 层，2 p + 1 为 膜系的 膜层数。 由 光 学薄 膜的 多 光束 干 涉效 应: 可 求得 在 波长a . 处的 反 射 率为 ( 3 . 3 ) 显然，n h 和几的 差别 越大， 层数p 越多， 则 膜系反射率r 就 越高。 在实际 应 用中， 往 往 要求 膜系 在a o 附 近 一定的 波长 范围内 有较 高 的 反 射率， 也就是说， 要有一定宽度的高反带。 因此。 对给定的膜系， 还需要计算其反射率 随波长变化的特性，然后根据需要的带宽来确定膜系的层数。 我 们 使 用的z n s 一m g f 2 高 反 射 膜中 ，z n s 的 折 射 率为i l n = 2 .3 5 , m 02 的 折 射率为1h .= 1 .3 8 ， 以 凡= l 5 5 p m 为中 心 波 长， 按 照 在 此处 的 反 射率 达， 4 % ， 对 波长在1 .4 p m -1 .6 p m范围内的光的反射率达9 2 0a 以上的要求进行镀制。 4 . s i 0薄膜是最为典型的一种无机定向 膜， 它的作用是进行液晶分子的表面定 向，以获得排列均匀的液晶分子，这是决定液晶器件性能好坏的重要因紊。 s i 0薄腆是采用倾斜燕镀法将s i 0燕镀到基板上而形成的。 若蒸镀角、 蒸镀 速度、 真空度、基板温度、摸厚等的燕镀条件、燕镀材料和液晶材料不同，则液 晶 分子 在基 板表面的 取向 也不同. 在这些参数中， 蒸 镀角0 ( 自 基板 法线算 起的 角 度) 是 特别重要的 参数。 我们 先后采用6 0 “ 和8 0 . 角蒸 镀，以 分别 获得与 荃板表 面成 0 “和 3 0 “的预倾角。 液晶相当于一个单轴晶体，其折射率曲面如图( 3 . 2 ) 所示。图中，x 轴垂直于 y z 平面，液晶分子指向 矢平行于y z 平面。 第三意器件的设计和制作 n . ( o ) 图 ( 3 .2 ) 被r z 平面截得的 折射率曲 线方程是 对 寻常 光:2r十 z 2 = n ; ( 3 . 4 ) 对非寻常光 ( 3 . 5 ) 轴轴 yz n ( 0 n , ( 8 当预倾角为 0 = 0 ) = 、= 1 7 ， 万 二一、 二” _ =1 .5 2 当预倾角为 3 0 “时，未加 电场时，液晶分子平行于 当外加电场足够大时，液晶分子平行于 此 时 此 时 。时，未加电场时，液晶分子与 y轴成 3 0口角，此时将 代 入 ( 3 . 5 ) 式 经简 单计 算可 得n , ，二 6 ) =y 2 + z 2 = l 6 4 3，当 外加 1一行 一一 兀一6 tg 2一夕 电 场 足 够 大 时 ， 液 晶 分 子 平 行 于 z 轴 ， 此 时 、 (” 一 苦 ， = n o = 1.5 . 所以， 当 预倾角为。 时， 液晶 对非寻常光的折射率可在1 . 5 1 . 7 范围内 变 化， 4 n = 0 2 ; 而当预倾角为3 0 。 时， 液晶分子对非寻常光的折射率只能内在1 . 5 - 1 . 6 4 3 范围内 变化，a n 二 0 .1 4 3 . 由于寻常光的折射率不随电压变化，所以，器件在工作时只使用非寻常光。 若非特别指出，本文中的折射率指的就是非寻常光的折射率。 5 .我们使用的液晶是b d h一e 7 型向列型液晶.在器件中，它的折射率可变范 围a n 如上所述，随预倾角的不同而不同。 6 .确定两基板的间距，即f 一p 腔的腔长时，应充分考虑对可调范围的要求。 由第二章可知f一p 滤波器允许透过的波长为 ， = 2 n dn (n = 1 ， ， ， ， ， ( 3 . 6 ) 第三章器件的设计和制作 由此式可求得波长的可调范围 从= * 竺 ( 3 . 7 ) 月 0 我们研究的是在1 .5 p m 波段器件的 性能， 所以， 可以 用a = 1 5 p m 来大致估算。 当 预 倾角 为。 。 时 ， 把n , = l 5 , a n 二 0 .2 和.i. = 1 5 p m 代 入( 3 .7 ) 式可 得aa 二 0 .2 ,w n ;当 预 倾角 为3 0 时， 把， 0 = 1 5 , a n = 0 .1 4 3 和r = 1 5 p m 代入 ( 3 .7 ) 式可 得4 a = 0 .1 4 3 p m a 这两个可调范围都比 光 源的谱宽度( 5 0 n m左右) 大很多，实际应用中 并不需要这么 宽的可调范围。只要使自由 光谱范围稍大于光源的谱宽度，可调范围就足够了， 所以，暂且假定f s r=5 0 n m 。由 ( ( 2 . 1 4 ) 式知自 由 光谱范围f s r =2n d，所以 d二 2 n f s r ( 3 . 8 ) 当预倾角为 0 入( 3 . 8 ) 式得d 时， 液晶的折射率变化范围是1 .5 !5 n s 1 .7 1 5 p m ， 将a = 1 .5 p m , ， 二 1 .7 代入 ( 3 . 8 ) 式得d 将a = l 5 p m , n = 1 .5 代 1 3 .2 f n n ; 而当 预 倾角 为3 0 。 时， 液晶的 折 射率 变化范围 是1 .5 !_ n !_ 1 6 4 3 ， 将a = l s p m , 。 二 1 .6 4 3 代入 ( 3 . 8 ) 式得d 1 3 .7 p m 。 围就会变得很窄， 因此， 腔长d 的取值应为十纳米左右。 腔长d 过大，自由光谱范 如果窄于待测光源的谱宽， 同时透过，达不到分光的目 的。 在实际操作中 维作为腔镜的间隔物的。 在滤波时就会使两束不同波长的光 我们是用两根直径1 6 e m ， 的玻璃纤 3 .2器件的制作 器件的整个制作过程都应在高度清洁的环境中 进行，以避免空气中 漂浮的灰尘微 粒对器件产生不良影响，例如: 若玻璃基板上粘有灰尘， 镀膜时就会在有灰尘的位置 出现突起;如果基板制备好以后粘上灰尘，就会降低反射膜的反射率，并造成散射， 而且也不能擦除， 因为擦会造成划痕; 如果液晶中 掺入了灰尘， 就会降低器件的性能。 所以，为将灰尘污染减小到最低程度，各项操作应尽量在超净室中进行。 第一步， 是选择玻璃基板。 先用酒精棉球把待选玻璃片和标准平面平晶 擦拭干净， 以 清除灰尘，然后在钠灯照明下，观察玻璃片与标准平面平晶产生的千涉条纹。如果 条纹又细又密且用镊子压玻璃片时， 条纹移动很快， 则说明可能还有灰尘， 应再擦拭。 第三常器件的设计和制作 如此反复几次，如果条纹变粗而且稀少，说明玻璃片平面度好，可以使用;如果条纹 变化不明显或有突变点，说明玻璃片平面度较差，应检查它的另一面，若仍无改善， 则此玻璃片不能 使用。最后，从平面度好的玻璃片中挑选条纹最少的作为基板。 第二步。 在基板上镀膜。 首先镀f r o导电 膜， 导电 膜的面电阻应控制在1 千欧姆 左右( 导电 膜如果镀得面电阻太小， 例如1 0 0 欧姆左右: 则红外光因损耗太大而不能透 过) . 导电膜镀好后，选择导电 膜较均匀、瑕疵少的基板准备镀高反射膜。 在我们的实 验中，由于镀导电 膜的地点距离实验室比较远，取送途中易受灰尘污染， 所以镀反射 膜前要用丙酮、酒精、去离子水清洗一遍并用高压气体吹干。洗净后，把基板放置在 专 用夹具中. 用真空 被 膜机蒸镀z n s 一m g f 2 高 反射 膜。z n s m 更重要 的是， 液晶 指向 矢还会发生 弯曲， 产生弯曲 势能， 如图 ( 3 . 4 ) c 所示。 这两种势能都会 使液晶的 状态不稳定， 影响 器件的性能。 所以， 应该将另一片旋转1 8 俨后， 镀膜面朝 下盖在第一片上，如图 ( 3 . 5 ) 。 所示。 这样灌注液晶以 后， 液晶指向 矢在两基板之间才 是平行的， 准 豪 葵鑫 图 ( 3 . 3 ) 如图 ( 3 . 5 ) b 所示， 不会发生扭曲 或弯曲， 保持稳定的状态。 另外， 如图 ( 3 . 5 ) a 所示， 基 板粘接时，两片应相互交错留出一点位置，以便安装电极。 为保证两片平行， 应在钠灯下观察并调整第二片的位置， 使干涉条纹数减少到最 低程度， 条纹数越少， 则两片相互之间越平行。两片调平行后， 用环氧树脂在几个点 粘接，并用小铁块压好，以防环氧树脂干燥收缩破坏平行。这样就制成了两个平行度 很好的f 一p 腔。 第四 步， 安 装引出 电 极 。f -p 腔 制成 后， 把 两 根导线 用 银导电 胶分 别 粘接 在两 片的导电膜上。 第五步，灌注液晶。灌注液晶前，应先把液晶放在真空泵中抽真空，以除去溶解 在液晶中的氮气， 避免液晶充入f -p 腔后出现气泡。 液晶准备好后， 把f -p 腔在 液晶的 相变点 ( 7 0 0 c ) 附近加热1 5 分钟以 上， 以 使f -p 腔各部分温度均匀， 同时液晶 也加热到一定温度。 然后， 用微量取样器把液晶点在f 一p腔缝隙处， 液晶发生相变， 成为各向同性液体， 粘滞度降低， 通过毛细作用进入腔内。液晶灌注完成后，要等到 完全冷却后再把器件取下来。 这样便制成了两个液晶f 一p 滤波器。 我们把液晶预倾 角为0 。的f -p滤波器称为器件一，把液晶预倾角为3 0 .的f 一p 滤波器称为器 件二。 第六步，由于在实验中不能用手触摸器件以防手上的灰尘污染通光表面， 所以将 制好的器件用5 0 2 胶水粘接在样品架上。 另外， 考虑到导电胶强度不够，为避免实验 过程中导电 胶受力发生断裂， 还在样品架上粘上接线卡，以接线卡的导线作为引出电 极。 第三章器件的设计和制作 以上各步骤中， 除镀膜是在专门实验室完成的之外， 其余各项都在超净室中完成。 器件制成后，还应观察它的电控双折射效应，以初步确定器件能否正常工作。 3 .3观察器件的双折射效应 为了初步了解器件的性能， 把两器件放里在偏光显微镜下用可见光观察液晶的 双 折射效应。 偏光显微镜的载物台 和目 镜上分别放置有一片偏振片。 因为1 t 0导电 膜和 s i 0定向 腆对可见光是 透明 的， 多 层高反 射膜对1 .4 p m 一1 .6 w n 范围以 外的光反 射率极 低，对可见光也是透明的，故此时两个器件都相当于透明的液晶盒。 先使目 镜上的偏振片的透振方向与载物台上的偏振片的透振方向互相垂直， 用钠 灯从载物台下方照明。 这时视场是暗的。 把器件放置在载物台上，并旋转器件， 可观 察到当液晶的定向方向与两偏振片的透振方向都成4 5 0 时， 视场最亮;当液晶的定向 方向 与任何一偏振片的透振方向一致时， 视场最暗;当 器件处于其它位置时， 视场亮 度也处于最亮和最暗之间。 器件旋转一周， 视场发生四次明暗变化。 视场的明暗对比 度很大.这说明器件的双折射现象明显。 以 上 现象可用琼斯矩阵 进行描 述。 如图 ( 3 . 6 晰示，以 载 物台 偏振片 所在 平面设 立 x y 坐标系，y 轴 平行 于偏振片的 透振方向。 器 件平面平行于x y 平面， 液晶 取向 与y 轴央角为。 ，目 镜偏振片的透振方向平行于x 轴。 1 载物台偏振片2 器件3 目 镜偏振片 图 ( 3 . 6 ) 从载物台偏振片透射的偏振光可用琼斯矩阵表示为 ( 3 . 9 ) 1.，weeej 0尽 r月ltesl 由 ( 2 . 8 ) 式可知， 器件的 琼斯矩阵为 第四章器件的性能参数及测试 第四章器件的性能参数测试及结论 通过实验测定了已制成的液晶f一p滤波器的主要性能参数和特性曲线， 包括自 由 光谱范围、 半强度带宽、电 压调谐曲线等。本章将对实验数据进行分析， 对器件进 行总结和展望。 4 . 1材料特性 液晶f一p 滤波器是用多种光学材料制成的， 这些光学材料的透过率特性对滤波 器的性能 有着很大影响， 因 此有必要了 解这些光学材料在1 .4 1i m 一1 .6 f a n 波段的 透过率 特性。 我们测试了以下各样品的a 一t %曲 线: 镀有tto高阻导电 膜( 面电阻1 0 0 0 欧姆) 的基板、 镀有仃。低阻导电 膜( 面电 阻1 0 0 欧姆) 的 基板。曲 线表明: 镀有i t o高阻导电膜的基板在 1 4 5 0 m n 处的透过率是 8 2 %，然后透过率随着 波长的增加而缓慢下降， 在1 6 5 0 n m处的 透过率为7 6 . 5 % 。如图( 4 . 1 ) 所示。 创的 巷卜 花 . 巨 山 . . . . 月 . . 目 巨 . 月 ， ， 山 ， ， 一 - ， ， j 一， 一决 一 一 一 ， 一 ， 山 . ， ， ， ， 甲 曰 ， ， ， 曰 , . , o， 日泊， 日 口】， 日团1 住拍 1 9 . 6 %, 不 。 图 ( 4 . 1 ) 镀有 t f 0低阻导电 膜( 面电 阻 1 0 0欧姆) 的基板在 1 4 5 0 m n处的 透过率是 然 后也随着波长的 增加而缓慢下降， 在1 6 5 0 n m处 下降到8 . 8 % 。如图 ( 4 .2 嘶 第四 章登件的性能奋数及测试 j翻 一四 一四 栩 图 ( 4 . 2 ) i t o低阻导电 膜1 .s e a r i 波段的损耗大大高于i t o高阻导电 膜， 所以， 使用i t o高 阻导电膜是适当的。 我们还测得了z n s 一m g f z 高反射膜的 透射率特性曲线，如图 ( 4 . 3 ) 所示。因为高 反射膜的透射率特性曲 线与其反射率曲线是互补的，所以 从图 ( 4 . 3 ) 可以得出z n s一 m g f z 高反 射膜的 反 射带宽为7 3 0 n m， 在1 4 0 0 m n 一1 6 0 0 n m波段的 反射率为9 3 % ， 符合使用要求。 0080a0 艺卜 目的钓匆劲 ，: _土 父 丫 臼 盆 i 1 4 扣 目1 日幻1 4 0 01 日 扣1 日 刀日 1 刀仑 到 扣日 鱿口 翻 日 习 图 ( 4 .3 ) 4 . 2 f 一 p滤波器的浦波特性 在灌注液晶前， 我们先测得f 一p 滤波器在1 5 5 0 n m附 近的透过率 特性曲线( 实验 中使用的均为偏振光) ， 如图 ( 4 . 4 ) 所示。 第四童器件的性能参数及测试 1 创 扣i s 的 脚md s州 ( n n ) 一网 一助 枷 0， 图 ( 4 . 4 ) 由图可得，在波长为 1 4 9 6 n m、 1 5 4 2 n m , 1 5 9 0 n m, 1 6 4 2 n m处各有一个峰，峰 的高度、 半强度带宽、自由光谱范围 都示于表( 4 . 1 ) 中。 波长( 呱 ) 1 4 9 61 5 4 2 1 5 9 01 6 4 2 t ( %) 5 5 . 25 7 . 24 3 . 24 1 . 6 一 f s r (nn) 4 64 85 2 一 一 、 一 f wi -i m( n m ) 4 表 ( 4 . 1 ) 各峰值透过率都不高，这是由于光束在腔内要经过许多种介质，这些介质都有一 定的 透过率， 其中 镀有i t o高阻导电 膜的k 9 玻璃板在峰值波长处的 透过率如表( 4 . 2 ) 所示。 波长( 咖) 1 4 9 61 5 4 2 1 5 9 01 6 4 2 t ( % ) 8 0 . 87 9 . 57 8 7 6 . 5 表 ( 4 . 2 ) 由 表 ( 4 .2 ) 可知， 一片 镀有i t o高阻导电 膜的k 9 玻璃 板 对各波长的 光的 透过率 为 8 0