液晶光子学 第2章 液晶光场调控技术
光电子技术液晶显示
源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗
而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可
显示彩色影像．
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在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶 会沿着沟槽配向，因为玻璃基板配向膜沟槽 偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻 璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟 着液晶做90度扭转，经过下方偏光板，液晶 面板显示白色（如下图左）；当玻璃基板加 入电场时，液晶分子产生配列变化，光线经 过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板 遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示 黑色（如下图右）。液晶显示屏便是根据此 电压有无，使面板到达显示效果．
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TN-LCD简朴矩阵驱动旳问题：交叉效应随矩阵列、行
数增长而增长，它使图像对比度降低，图像质量变差。
采用偏压法能够减小交叉效应旳影响。
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把某些有机物放在一定旳溶剂中，因为溶剂 破坏结晶晶格而形成旳液晶称为溶致液晶，它是 因为溶液浓度发生变化而出现旳液晶相，最常见 旳有肥皂水等．
目前用于显示旳液晶材料基本上目前
发觉旳液晶物质已经有近万种．构成液晶物质
旳分子，大致上呈细长棒状或扁平片状，而且
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胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals）这个 名字旳起源是因为大部份是由胆固醇旳衍生物所生 成旳，但有些没有胆固醇构造旳液晶也会具有此液 晶相．如图所示，假如把这种液晶一层一层分开来 看，很像线状液晶．但是在Z轴方向来看，会发觉它 旳指向矢伴随一层一层旳不同而像螺旋状一样分布， 而当其指向矢旋转360度所需旳分子层厚度就称为 pitch．正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫 做Chiral nematic phase．以胆固醇液晶而言，与指 向矢旳垂直方向分布旳液晶分子，因为其指向矢旳 不同，就会有不同旳光学或是电学旳差别，也所以 造就了不同旳特征．
《液晶空间光调制器在涡旋光束和矢量光束合成中的应用研究》范文
《液晶空间光调制器在涡旋光束和矢量光束合成中的应用研究》篇一一、引言近年来，随着光子技术的发展和需求的提升，光学合成技术在各种科学领域，尤其是物理和工程领域得到了广泛的关注和应用。
其中，液晶空间光调制器（LCOS）作为一种灵活且高效的光学器件，在光束合成中扮演着重要的角色。
本文将重点探讨液晶空间光调制器在涡旋光束和矢量光束合成中的应用研究。
二、液晶空间光调制器概述液晶空间光调制器（LCOS）是一种利用液晶技术进行空间光调制的光学器件。
其工作原理是通过改变液晶分子的取向来调制通过其的光波的振幅、相位和偏振态。
因此，LCOS能对输入光束进行复杂的光场处理和调制。
三、涡旋光束与矢量光束涡旋光束是一种具有螺旋相位波前的特殊光束，其具有轨道角动量的特性，在量子信息处理、微粒操控等领域有广泛应用。
而矢量光束则具有空间变化的偏振态，常用于实现特殊的偏振调控和偏振场操控。
四、液晶空间光调制器在涡旋光束合成中的应用由于液晶空间光调制器具有高精度的相位和振幅调制能力，因此它被广泛应用于涡旋光束的合成。
通过精确控制LCOS的像素单元，可以生成具有特定螺旋相位波前的涡旋光束。
此外，LCOS还可以通过调整不同涡旋光束的相对相位和振幅，实现多个涡旋光束的合成，从而生成更复杂的光场结构。
五、液晶空间光调制器在矢量光束合成中的应用液晶空间光调制器还可以用于矢量光束的合成。
通过调整LCOS的像素单元对不同区域的光波的偏振态进行独立控制，可以生成具有特定偏振分布的矢量光束。
此外，通过结合多个不同偏振态的矢量光束，LCOS可以实现更复杂的偏振场操控，从而在光学微操作、三维显示等领域展现出巨大潜力。
六、研究进展与展望随着光学器件技术的发展和需求推动，液晶空间光调制器在涡旋光束和矢量光束合成中的应用已经取得了显著的进展。
未来，随着LCOS技术的进一步发展和完善，其在更复杂的光场处理和合成中将发挥更大的作用。
此外，随着对光学系统集成度和能效的需求增加，研究者们将继续探索更高效的LCOS器件及其在多种光束合成中的应用。
(完整版)光场调控
项目名称: 光场调控及与微结构相互作用研究首席科学家: 王慧田南开大学起止年限： 2012.1至2016.8依托部门: 教育部天津市科委一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题:针对前沿科学问题、关键技术以及国家重大需求，以现有工作积累为基础，集中有限目标、深入开展具有重大科学意义和原始创新的工作。
目前，开展激光与相关应用研究，所用激光绝大多数为具有均匀偏振态分布的标量光场.本项目集中深入开展空间结构光场相关研究，不仅具有重大科学意义,而且有望为下一代信息技术的发展提供一条新途径,具有前瞻性和迫切性。
光场调控、光场与微结构相互作用以及与电子态耦合的调控，以及在超分辨成像等方面应用的探索是密不可分的一个整体。
本项目拟解决的关键科学问题如下:关键科学问题1：空间结构光场的基本问题;光场调控的新原理和新技术光场空域调控涉及偏振态、位相和振幅以及多参量联合调控。
尤其是偏振态调控自由度的引入以及新颖动量和角动量的出现,使得空间结构光场具有许多新颖性质。
揭示空间结构光场的时空演化规律，发展描述空间结构光场的理论框架.在此基础上,打破单一参量调控的局限，提出多参量联合调控的新原理和新技术.关键科学问题2：空间结构光场的焦场工程；不同空间尺度光场与微结构相互作用机理具有不同空间尺度和新颖特性的焦场设计与控制，主要针对纵向场增强、新颖动量和角动量;具有新颖角动量聚焦场的力学效应及其在微操纵中的应用。
新型光场与物质非线性相互作用的全矢量耦合波理论，尤其关注空间结构光场的时间反演问题.新颖动量和角动量以及纵向场对空间结构光场与微结构材料相互作用的影响.偏振态和位相的空间结构与微结构材料的空间结构相互作用与耦合问题.关键科学问题3：具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合；空间关联光量子态具有新颖动量和角动量的光场与微结构中电子态耦合的机理,及其动量和角动量守恒等基本物理问题；空间结构光场所具有的新颖偏振态分布特性、新颖角动量和强纵向场，对激发/辐射过程的控制；空间结构光场与微结构相互作用所致的空间关联光量子效应的基本物理问题；空间关联光量子态与微结构材料空间结构的相互作用机理.关键科学问题4：极小空间尺度光场产生的原理与表征技术；极小空间尺度光场与电子态耦合远场极小空间尺度光场生成的新原理与新技术、物理描述、表征技术以及实验构建（包括偏振态、位相与振幅空间分布）。
液晶空间光调制器
2 SLM的分类
电写入的 SLM ESLM 光写入的 SLM OSLM
写入方式
调制方式
相位调制 强度调制
3 SLM的结构特点： 它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列。 ①有物理边界 ②无物理边界 ③小单元可以独立改变自身光学特性
4 SLM的“三光”
写入光/信号：控制像素的光信号或者电信号。
cos2 sin2 2 2 n2 ne nm 1
则各向异性表示为：
n ne - no
施加电压后，相位差 是外加电压的函数，可以表示为
2 d 2d V, n V ， a z n dz nV o 0
液晶光阀具有多层膜 结构，它由光导层和 光阻层组成的光敏层 和扭曲向列型液晶和 介质反射镜的反射式 光调制层组成，所有 膜层都加在两透明电 极之间。反射镜在这 里的作用是：将写入 光和读出光分开，这 样就可以同时进行写 入和读出。两定向层 之间的向列型液晶分 子呈45度扭曲。
液晶光阀是利用无电压时候向列型液 晶扭曲效应和外加电压大于阈值时候 的双折射效应来工作的。当无写入光 照射时光导层呈高阻状态电压主要降 落在光导层上。液晶上电压很小，不 足以引起双折射效应，液晶显示扭曲 效应。线偏振读出光两次经过液晶两 次，偏振态没有改变。通过正交检偏 器，呈现暗场。线偏振光经当有写入 光照射时候光导层呈低阻状态。液晶 上压降曾大，出现双折射效应。此时 偏振读出光被液晶调制为椭圆偏振光。 通过正交检偏器时候呈现亮场。
液晶光阀
液晶光阀是一种比较成熟的SLM，在实时光学信息处理系统中可作为实时 图像输入,转换，显示和记录的器件。是一种比较成熟的空间光调制器。具 有广泛的应用前景。
优点：结构简单，工作电压小，造价低，性能好等。 1 液晶光阀的结构和工作原理：
液晶相位调制器的工作原理
液晶相位调制器的工作原理液晶分子是带有极性的分子，具有两个基本方向：沿长轴方向排列（homeotropic orientation）和平行于平面排列（planar orientation）。
当没有电场施加在液晶相位调制器上时，液晶分子倾向于保持均匀分布并平行于光路。
这种状态下，液晶会引起光的相位延迟，光束通过液晶时将发生相位差。
当在液晶相位调制器上施加电场时，液晶分子将受到电场的影响而发生排列改变。
当电场方向与液晶分子的方向相同时，液晶分子会倾向于与电场平行排列。
当电场方向与液晶分子的方向垂直时，液晶分子会倾向于与电场垂直排列。
在液晶相位调制器中，光束通过液晶层时，被分成两个正交的振动方向的光束。
这两束光受到液晶分子排列的影响，光的相位差将发生变化。
假设入射光波为A*cos(ωt)，光束沿水平方向传播为I1*cos(ωt)和沿竖直方向传播为I2*cos(ωt+Δφ)，其中Δφ是相位差。
当没有电场施加在液晶相位调制器上时，液晶分子平行排列，光束通过液晶后的相位差为Δφ0，可将Δφ0表示为：Δφ0=2πd(nh-nl)/λ ，其中d是液晶层的厚度，nh和nl分别是液晶在两种排列状态下的折射率。
当施加电场时，液晶分子从平行排列转变为垂直排列，相位差会发生变化，记为ΔφE。
ΔφE与电场的强度和施加时间成正比。
ΔφE=2π(d/λ)eVtcos(θ)/ √(K1^2sin^2θ+K3^2cos^2θ) ，其中e 是电子电荷，V是电场电压，t是电场作用时间，θ是外部旋转电场与垂直方向的夹角，K1和K3是与液晶分子排列方向有关的弹性常数。
通过控制施加在液晶相位调制器上的电场强度和施加的时间，可以调节光的相位差。
通过添加适当的偏振片，可以将相位调制后的光转换为具有特定偏振方向的线偏振光。
液晶空间光调制器
液晶空间光调制器简介液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，简称LC-SLM）是一种基于液晶技术的光学器件，用于在光路中对光进行调制、调控和控制。
它利用液晶材料在电场的作用下产生折射率变化以及光学相位调制效应，可以实现空间分布上的光学信号调制。
液晶空间光调制器在广泛的光学和光电领域中有着重要的应用，如激光显示、光场计算、光学存储等。
工作原理液晶空间光调制器的工作原理基于液晶材料的电光效应和相位调制效应。
当施加电场时，液晶分子将进行重新排列，从而改变光的传播特性。
常见的液晶材料一般是向列相、螺旋相或拧曲相，电场的作用可以使液晶分子在空间上排列有序，从而产生局部折射率变化，从而实现对光信号的空间调制。
液晶空间光调制器通常由透明的玻璃基板、液晶层和透明电极组成。
通过在电极上施加电压，可以改变液晶材料的折射率，从而实现对光的调制。
根据电场的分布和电压的大小，液晶空间光调制器可以实现不同程度的相位调制，从而实现对光波的相位变化。
应用领域液晶空间光调制器在许多光学和光电设备中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：光学显示液晶空间光调制器在光学显示设备中起着重要的作用。
通过控制液晶分子的排列，可以实现光的透射、反射和吸收等特性的调制。
液晶空间光调制器常用于液晶显示器、投影仪和头戴式显示设备中，可以实现高对比度、高分辨率的图像显示效果。
光场计算液晶空间光调制器可以模拟和重构光场，用于光学衍射、干涉和焦平面调制等应用。
通过改变液晶材料的相位和振幅分布，可以实现光学信号的空间调制和光学信号的重构，从而实现光学计算和光学信息处理。
光学存储液晶空间光调制器在光学存储领域也有着广泛的应用。
通过控制液晶材料的相位和振幅分布，可以实现光学存储介质中信息的读取和写入。
液晶空间光调制器常用于光存储器件、光盘读写头和光学存储系统中，可以实现高速、大容量的光学存储。
光学通信液晶空间光调制器在光学通信中也有着重要的应用。
液晶空间光调制器原理
液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）是一种利用液晶材料来调制光波相位或强度的光学器件。
它在光学和光电子应用中广泛使用，包括光通信、光信息处理、全息术、激光技术等领域。
液晶空间光调制器的工作原理如下：
液晶是一种具有液态和晶体态之间性质的物质，它的分子具有长程有序性和定向性。
液晶空间光调制器通常由一块透明的基底、液晶材料和电极组成。
1. 光束入射：光束从液晶空间光调制器的一侧进入，照射到液晶层上。
2. 液晶分子排列：液晶层中的分子排列受到电场的影响。
当没有电场施加时，液晶分子通常处于无序状态。
但是，当电场施加在液晶层上时，液晶分子会发生定向排列。
3. 电场调制：通过在液晶层上施加电场，可以改变液晶分子的排列方式。
电场可以通过透明的电极在液晶层上施加，从而调制光波通过液晶层时的相位或强度。
4. 光波调制：液晶层中的分子排列改变会引起光波的相位或强度的调制。
液晶分子的定向和排列会改变光波通过液晶层时的折射率，从而改变光波的相位。
通过调节电场的大小和分布，可以控制液晶分子的定向和排列，从而实现对光波的相位或强度的调制。
液晶空间光调制器可以通过调节电场的强弱和空间分布，实现对光波的高精度调制。
它可以用于光学干涉、光学相位调制、光学图像处理等应用中。
量子光学中的光子操控与调控
量子光学中的光子操控与调控量子光学是研究光与物质相互作用的一门学科，而光子操控与调控则是量子光学中的一个重要研究方向。
随着量子科学的快速发展，人们对量子光学中的光子操控与调控有了更深入的认识和理解。
光子操控与调控是指利用各种手段对光子进行操作和调控，使其具备特定的性质和行为。
这种操控和调控可以通过改变光子的频率、相位、极化等来实现。
在量子光学中，光子被视为光的基本单位，它具备波粒二象性，可以以湮灭算子和产生算子的形式表示。
通过对这些算子的操作，人们可以实现对光子的操控与调控。
在操控与调控光子的过程中，有几种常见的方式。
其中一种是利用激光与光子相互作用，通过非线性光学效应来实现。
非线性光学效应可以使光子之间相互作用，从而改变其性质和行为。
比如，通过选择性放大或压缩光子的幅度和相位，就可以实现对光子的操控与调控。
这种方式在光子集群中的量子态制备和量子计算中发挥着重要的作用。
另一种方式是通过玻色-爱因斯坦凝聚来实现光子操控与调控。
玻色-爱因斯坦凝聚是指一类低温条件下发生的凝聚现象，其中大量的粒子进入同一个量子状态。
在玻色-爱因斯坦凝聚中，光子的量子性质得到极大程度的体现，因此可以通过控制凝聚体系的物理参数来操控和调控光子。
这种方式在光学通信、量子信息处理等方面有着广泛的应用。
此外，近年来还出现了一种新的光子操控与调控方式，即基于纳米光子学的方法。
纳米光子学是一门研究纳米尺度下光与物质相互作用的学科，它通过纳米结构的设计和制备来实现对光子的操控和调控。
通过改变纳米结构的大小、形状和组合方式，可以实现对光子的局域化、增强和耦合等操作，从而实现对光子的高效操控和调控。
这种方法不仅可以在基础研究中发挥重要作用，还具有广泛的应用前景，如光电子器件、传感器和光学计算等领域。
总之，光子操控与调控是量子光学中的一个重要研究方向。
通过改变光子的频率、相位、极化等方式，利用激光与光子相互作用、玻色-爱因斯坦凝聚、纳米光子学等方法，人们可以实现对光子的操控和调控。
光子学中的光场调制技术
光子学中的光场调制技术光子学是物理学中的一个重要分支，研究光和光的相互作用。
在光子学中，光场调制技术是一项核心技术，具有广泛的应用价值。
本文将介绍光子学中的光场调制技术。
一. 光场调制技术的基本概念光场调制技术是利用外部电场或磁场对光的强度、相位、偏振等进行控制和调节的技术。
利用外部电场或磁场控制光的这些属性，可以实现光电调制、光声调制、光偏振调制等多种调制方式，实现对光的高效控制和调节。
二. 光电调制技术光电调制技术是将外部电场和光结合起来，实现光的强度调制。
在光电调制过程中，高频电场对光电导体产生影响，改变光幅度的大小。
光电调制技术常用于制作光电调制器、光开关、光纤通信系统等装置中。
三. 光声调制技术光声调制技术是将一个高频声波信号转换成一个光的幅度调制信号。
在这种技术中，声波信号的能量通过介质传播到光场中，激励产生光强度调制。
光声调制技术可广泛应用于激光雷达、光声合成、无损检测等方面。
四. 光偏振调制技术光偏振调制技术是利用外部电场或磁场控制光偏振方向，实现光的偏振调制。
在光偏振调制技术中，通过改变光的偏振状态，可以调节光的传播方向和强度。
这种技术可应用于光刻机、光学存储器等领域。
五. 未来发展趋势随着科技的不断进步，光场调制技术也在不断更新和改进，未来的发展方向主要包括以下几个方面：1. 高速性：目前已经实现了千兆位的高速光电调制器，未来将会有更快的调制速度。
2. 宽波长性：能够波长延伸到红外和短波红外的光电调制器将成为热点。
3. 高精度：高精度光电调制器将成为关注的重点，如在激光干涉仪中的应用。
4. 高能输出：在激光科技、光通信、光刻等领域中，需要能量和稳定性都很高的光电调制器。
结语光场调制技术是一项十分重要的技术，在光通信、光学成像、激光技术等众多领域都有广泛应用。
未来，随着技术的不断进步和改进，光场调制技术将会发挥更为重要的作用，并为我国科技的飞速发展做出更大的贡献。
光场调控及其光学成像应用研究
光场成像对光场调控的反馈作用
01
提供实时反馈
通过光场成像可以实时获取光场 的分布情况，为进一步的光场调 控提供反馈和指导。
02
优化调控策略
根据光场成像的结果，可以评估 调控策略的有效性和不足之处， 进而优化调控策略。
03
促进光场调控技术 的发展
通过光场成像的反馈作用，有助 于推动光场调控技术的不断发展 和完善。
光场调控的原理
• 光场调控的原理基于几何光学和波动光学的基本原理。通 过改变光的波前形状和相位分布，光场调控可以实现对光 束的聚焦、散焦、偏转、扫描等功能。此外，光场调控还 可以结合数字微镜器件（DMD）等微纳光学器件实现高 精度、高稳定性的光束操控。
光场调控的方法
光场调控的方法包括但不限于以下几种
光学与信息处理
总结词
光场调控技术在光学和信息处理领域具有重要应用价值，能够实现对光场的精确控制和信息处理，提 高光学系统的性能和信息处理的效率。
详细描述
在光学和信息处理领域，光场调控技术可以用于实现更高效、更精确的光学信息处理和传输。例如， 通过光场调控技术可以实现对光场的精确控制和调制，提高光学通信和光学计算的性能和效率。此外 ，光场调控技术也可以用于改进现有的光学系统和信息处理算法，提高其性能和效率。
04
光场调控与光场成像的关 系
光场调控对光场成像的影响
提高成像分辨率
通过调控光场的分布，可以改善成像的分辨率， 使得图像更加清晰和细致。
增强对比度
通过合理调控光场，可以增强图像的对比度，有 助于凸显图像中的不同区域和细节。
实现多焦点成像
通过多焦点光场调控，可以实现同一场景的多焦 点成像，从而获得更全面的图像信息。
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(完整word版)光电子课后习题答案汇总
第一章1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件、光显示器件。
光源器件分为相干光源和非相干光源。
相干光源主要包括激光器和非线性光学器件等。
非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。
光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。
光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。
光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器等。
光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。
光显示器件包括CRT、液晶显示器、等离子显示器、LED显示。
2．谈谈你对光电子技术的理解。
光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。
⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL），LED显示。
第二章：光学基础知识与光场传播规律⒈ 填空题⑴ 光的基本属性是光具有波粒二象性，光粒子性的典型现象有光的吸收、发射以及光电效应等；光波动性的典型体现有光的干涉、衍射、偏振等。
⑵ 两束光相干的条件是频率相同、振动方向相同、相位差恒定；最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪；两束光相长干涉的条件是(0,1,2,)m m δλ==±±L L ，δ为光程差。
⑶两列同频平面简谐波振幅分别为01E 、02E ，位相差为φV ，则其干涉光强为22010201022cos E E E E φ++V ，两列波干涉相长的条件为2(0,1,2,)m m φπ==±±V L L ⑷波长λ的光经过孔径D 的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22f D λ。
液晶空间光调制器
向列型液晶的扭曲效应 液晶分子是夹在两片玻璃之间的， 两片玻璃面向分子的一面都经过 了预处理，有沟槽，使液晶分子 顺着沟槽整齐排列，当上下两块 玻璃没有施加电压时，液晶排列 会依照两块配相膜而定，两配相 膜角度差为90度，液晶分子会自 下而上旋转90度再通过检偏器。 当两玻璃间加上电压时，液晶分 子层的旋转角发生转动，导致偏 振光与检偏器的夹角发生变化， 从而使透射光收到幅度和相位调 制。
五、扭曲相列液晶的调制原理
扭曲向列液晶(TwistedNematicLiquldCrystal,TNLC)是液晶屏的主 要材料之一，它是一种各向异性的媒质,可以看作是同轴晶体,它的 光轴与液晶分子的长轴平行TNLC分子自然状态下扭曲排列,在电 场作用下会沿电场方向倾斜,过程中对空间光的强度和相位都会产 生调制。N.Konforti等人对它的解释是：当液晶盒上电压逐渐增加, 大于Freedericksz转变阈值,而小于光学阈值的时候,液晶分子开始 旋转,有效的双折射作用逐渐减小,但液晶分子的扭曲还保持着当初 的格局,此时液晶盒相当于光波导,在这个区域内相位调制占据主要 因素。而当电压大于光学闭值,分子将沿电场方向排列,双折射和光 波导作用都很小,为强度调制区域。
由于液晶分子具有液体的流动性，亦即是说其没有固定的排列, 可以自由移动，且液晶分子具有介电各向异性和电导各向异性 的电学特性，故而在外电场的作用下,液晶分子的排列状态也将 随之发生变化。又因为液晶分子的光学特性也是各向异性的,从 而使得整个液晶盒的光学效应随之改变,这就是液晶盒电场影响 其光学特性的原理。另外由于液晶分子的双折射特性,使得液晶 盒显现出光散射、光干涉和旋光等特殊的光学性质 液晶的电光效应主要包括：电控双折射效应、扭曲效应、宾主 效应、动态散射效应、热光学效应等。
液晶光子学第2章液晶光场调控技术ppt课件
04
2.2 基于倾角控制的液晶调光技术
2．实例
液晶叉形光栅
1）涡旋光Ψ1 = exp(imθ)与平面波Ψ2 = exp(ikx)干涉：
H 1 1 2 exp(im ) exp(ikx) 2 2[1 cos(kx - m )]
上式计算全息图像叉子的结构，故称为叉形光栅。 2）可产生一系列的涡旋光束衍射级次，在不同的衍射级 次n上可得到拓扑荷为nm的涡旋光束。 3）右图为刻蚀的m = 2的叉形光栅电极结构及得到的涡旋 光束衍射光斑。
(2.1)
其中k = 2π/λ为波矢。柱坐标系，傍轴条件下的解：
E(r,, z,t) u(r,, z) exp[i(kz t)]
(2.2)
利用慢变包络近似条件
2u z 2
k 2u ,
2u z 2
k u，可得：
z
1 r
r
(r
u ) r
1 r2
2u 2
2ik
u z
0
利用分离变量r, θ，得到拉盖尔-高斯解（LGmp模式）：
效折射率分布，当入射的平面波经过液晶区域后，其波前便 会被调制成汇聚或发散的球面波。
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2.2 基于倾角控制的液晶调光技术
2．实例
液晶透镜—盒厚不均匀型
1）由偏振片、液晶层、平面玻璃衬底、ITO导电层、
反平行取向层、凹透镜衬底等构成。
2）液晶层的透镜焦距为：
fLC
neff
R (V ) 1
(a)无限能量与(b) a = 0.05时有限能量的艾里光传播动态，插图里 为起始位置时艾里光的光强分布
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
新型光场调控与感知技术
新型光场调控与感知技术
新型光场调控与感知技术是一种前沿技术，涉及到对光场进行精密调控和感知的方法。
光场是描述光波传播和传播特性的概念，而光场调控与感知技术通过使用先进的光学、电子学和计算方法，对光场进行精确控制和感知，为许多领域带来了创新性的应用。
以下是一些新型光场调控与感知技术的方面：
一、光场调控：通过使用液晶空间光调制器、相位调制器等设备，可以实现对光场的调控。
这使得可以精确控制光波的相位、振幅和偏振等属性，为光学成像、通信、激光加工等领域提供了更多可能性。
二、超材料应用：利用超材料的特殊光学性质，可以设计出具有特定光学功能的材料，如超透镜、折射率为零材料等。
这些材料的制备和应用涉及到对光场的调控。
三、全息成像：新型的全息成像技术允许在三维空间中记录和重现物体的光场信息。
这在医学、虚拟现实、远程通信等领域有广泛应用。
四、计算光学：利用计算方法对光学系统进行优化和调控，例如使用计算成像方法改善图像质量、抑制光学畸变等。
五、光学传感技术：利用光场传感技术，可以实现对环境中光学特性的高灵敏度检测。
这对于光学传感器、生物医学诊断等领域具有重要意义。
六、量子光学：利用量子光学的原理进行光场的调控和感知，涉及到光子的量子态的精确操控，为量子通信、量子计算等领域提供了
基础。
这些新型光场调控与感知技术的发展为光学科学和技术领域带来了深刻的变革，推动了许多领域的创新与发展。
液晶软光子学——光场的多自由度调控
液晶软光子学是一门新兴的交叉学科领域，涉及光子学、材料科学和光电子技术等多个学科的知识。
液晶软光子学通过对光场的多自由度调控，可以实现光的调制、调控和传输，具有广泛的应用前景。
本文将从液晶软光子学的基本原理、技术特点以及应用前景等方面进行探讨。
一、液晶软光子学的基本原理液晶软光子学是基于液晶材料的光子学研究，液晶是一种介于液体与晶体之间的物质，在外加电场或温度变化时，分子有序性发生改变，造成光学性质的变化。
液晶软光子学利用液晶材料在外界作用下的特殊光学响应行为，通过对光的有序调控，实现对光场多自由度的调控。
液晶软光子学的基本原理可以通过以下几个方面加以解释：1. 液晶材料的分子结构具有方向性，可以通过外界电场或温度等因素改变分子的排列形态，从而改变材料的折射率和透明度等光学性质。
2. 液晶材料是一种有机分子化合物，其分子结构可以根据需要进行设计和调控，从而实现对光学性质的定制化调节。
3. 液晶软光子学利用液晶材料的非线性光学效应，可以实现对光速、相位和幅度等多个光学参数的精确调控。
二、液晶软光子学的技术特点液晶软光子学具有许多独特的技术特点，主要包括以下几点：1. 多自由度调控：液晶软光子学可以实现对光场的多自由度调控，包括光速、相位、偏振、振幅等多个参数的精确调节。
2. 可定制性强：液晶材料的分子结构可以根据需要进行设计和调控，从而实现对光学性质的定制化调节，满足不同应用场景的需求。
3. 非线性光学效应：液晶软光子学利用液晶材料的非线性光学效应，可以实现对光的高效调制和调控，具有优异的光学性能。
4. 可实现光学器件集成：液晶软光子学可以实现在微纳尺度上对光场进行调控，因此可以用于实现光学器件的集成和微纳制造。
三、液晶软光子学的应用前景液晶软光子学的广泛应用前景主要体现在以下几个方面：1. 光通信领域：液晶软光子学可以实现光场的高效调制和调控，可以用于光通信系统中的光调制器、光开关等器件，提升光通信系统的传输性能和可靠性。
光场的操控和调控技术
光场的操控和调控技术光场，它是由光波的幅度和相位组成的复杂波动场。
在过去的几十年中，光场的操控和调控技术取得了长足的进步，带来了许多令人瞩目的应用。
首先，光场的操控技术在光学成像领域发挥着重要作用。
传统的成像技术只能获得二维的图像信息，而光场成像技术能够获取更多的信息。
通过引入光学透镜阵列或者数字全息技术，我们可以捕捉到多个角度和焦深的图像信息，从而实现更高分辨率和更真实的成像效果。
这种技术在医学、航空航天等领域有着广泛的应用前景。
其次，光场的调控技术也在光学通信领域取得了显著进展。
光信号的调制和解调一直是光通信中的关键环节，而传统的调制技术受到了一些限制。
光场调控技术通过对光场的幅度和相位进行调控，可以实现更高的传输速率和更可靠的信号传输。
同时，光场的调控还可以用于多信道通信和光学网络的构建，为光通信技术的发展提供了新的思路和方向。
此外，光场的操控和调控技术对于光学信息处理和计算也具有重要意义。
传统的光学信息处理和计算方法主要基于干涉和衍射效应，而光场操控技术则能够实现对光场的精细控制。
通过调控光波的相位和幅度，可以实现光场的编码、解码和处理，从而实现复杂的光学计算。
这种光场计算技术在光学信息存储、光学模拟和光学加密等领域都具有广泛的应用前景。
最后，光场的操控和调控技术还在光学传感领域发挥着重要作用。
传统的光学传感器通常只能对光强进行测量，而光场传感技术则能够实现对光场的高精度测量。
通过对光场的调控，可以实现对光学特性（如折射率、散射、吸收等）的敏感探测。
这种光场传感技术在生物医学、环境监测和工业检测等领域都有很大的应用潜力。
综上所述，光场的操控和调控技术在各个领域都有着广泛的应用前景。
它不仅为传统光学技术的发展提供了新的途径，也为光学信息处理、光学通信和光学传感等领域带来了新的机遇。
相信随着技术的不断进步，光场的操控和调控技术将为我们创造更多的惊喜和可能性。
光场调控技术
光场调控技术
光场调控技术是一种基于光学原理的新型技术，它可以用来控制和调整光场的形状和强度分布，从而实现对光的精细控制和利用。
这种技术已经被广泛应用于光学成像、光学通信、光学传输、光学制造等领域。
光场调控技术的核心是利用光束的干涉、衍射、偏振等特性，通过空间光调制器、相位调制器、光学镜头等装置对光场进行精确控制。
这些装置可以控制光场的波前、相位、偏振、光强等参数，从而实现对光场的任意调控。
光场调控技术具有很多优点，例如精准控制、高速操作、灵活性强、可编程性好等，因此在很多领域都得到了广泛应用。
其中，光学成像领域是光场调控技术的重要应用领域之一，它可以实现超分辨成像、多光子成像、三维成像等高级成像技术。
此外，光学通信、光学传输、光学制造等领域也都在使用光场调控技术。
总的来说，光场调控技术是一种非常有前景的新型光学技术，它在光学成像、光学通信、光学传输、光学制造等领域都有广泛应用前景。
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布：
( , s) Ai[s ( / 2)2 +ia ) exp[as (a 2 / 2) i( 3 /12) i(a2 / 2) i(s / 2)]
(2.15)
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
03
艾里光束
特点： 1）无衍射 2）自加速 3) 自愈 应用： 1) 时空艾里光子弹 2) 弯曲的等离子体通道 3) 微粒操控 4) 大气湍流中的传输 5) 光片照明显微镜 ……
r
(r
u ) r
U r2
2ik
u z
0
(2.9)
方程(2.9)遵从角向偏振对称的解：
r i 2z / (2k)
U
(r,
z)
E0
J1
1
iz
/
z0
exp
1 iz / z0
u(r, z)
(2.10)
u(r, z)为(2.6)式表示的基模高斯解，J1(x)为第一类一阶贝塞尔函数。这个解对 应于角向偏振的贝塞尔高斯光束。类似的，径向偏振的解：
m = +2
m = -2
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
01
涡旋光束
特点： 1）螺旋形等相位面，相位分布由exp(imθ)决定 2）m为涡旋光束的拓扑荷，绕光束中心一周的相位改变为2mπ 3）具有每光子mћ的轨道角动量 4）相位奇点的存在导致了中心为暗场的环形光斑分布 应用： 1) 光镊：捕获和旋转 2) 超分辨显微技术 3) 日冕观测仪 4) 量子通讯 5) 量子计算 ……
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
02
矢量光束
考虑全矢量的亥姆霍兹方程：
Ek2E 0
(2.7)
此时轴对称的矢量解具有以下形式：
E(r, z) U(r, z)exp[i(kz t)]e
(2.8)
傍轴条件和慢变包络近似下，U(r, z)满足：
1 r
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
03
艾里光束
归一化衍射傍轴方程：
i
1 2
2 s 2
0
(2.12)
其中，s = x/x0为无量纲横向坐标，x0为选取的横坐标常量， z / kx02 为归一化传
输距离，k = 2πn/λ0为波矢，n为传输介质的折射率，λ0为真空中的波长。方程(2.12)
H
(r,
z)
H0
J1
1
r iz /
z0
exp
i 2z / 1 iz
(2k) / z0
u(r,
z)
exp[i(kz
t)]h
(2.11)
其中，H0为磁场振幅常量，h 为角向单位矢量。
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
(2.3) (2.4)
其中，E0为电场振幅常数，w(z)为光束尺寸，w0为束腰尺寸，φ(z) = arctan(z/z0) 为Gouy相位，q(z) = z-iz0为复光束参量，z0 = πw02/λ为瑞利长度，Lmp(x)为归一化拉 盖尔多项式，满足关系式：
x
d 2Lmp dx2
(m
1
x)
dLmp dx
(2.1)
其中k = 2π/λ为波矢。柱坐标系，傍轴条件下的解：
E(r,, z,t) u(r,, z) exp[i(kz t)]
(2.2)
利用慢变包络近似条件
2u z 2
k 2u ,
2u z 2
k
u z
，可得：
1 r
r
(r
u ) r
1 r2
2u 2
2ik
02
矢量光束
特点： 1）径向偏振矢量光束的波阵面上，任意位置处的偏振方向都沿着径向，角向 偏振矢量光束各点的偏振方向都垂直于径向 2）中心偏振奇点的存在导致了光场的环形分布 应用（径向偏振矢量光束）： 1) 超分辨显微成像 2) 光学微粒操控 3) 表面等离子体的共振激发 4) 微纳加工 ……
(a)径向(b)角向(c)径向和角向线性叠加的矢量光场偏振分布示意图
pLmp
0
(2.5)
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2.1 光场调控的基本介绍
u(r,
,
z)
E0
2
r w( z )
m
Lmp
2
r2 w( z )2
w0 w( z )
exp
i
k 2q(z)
r2
expi(2 p m 1)(z)exp(im )
第二章 液晶光场调控技术
u z
0
利用分离变量r, θ，得到拉盖尔-高斯解（LGmp模式）：
u(r,
,
z)
E0
2
r w( z )
m
Lmp
2
r2 w( z )2
w0 w( z )
exp
i
k 2q(z)
r2
expi(2 p m 1)(z)exp(im )
当m = p = 0时，(2.4)式便退化为基模高斯光：
u(r,
z)
E0
w0 w( z )
exp i ( z ) exp
i
k 2q( z)
r
2
(2.6)
当m ≠ 0时，LG模式将会携带螺旋相位项exp(imθ)，对应的光场即为涡旋光场。
m=0
m = +1
m = -1
m=1
m=2
(a)无限能量与(b) a = 0.05时有限能量的艾里光传播动态，插图里 为起始位置时艾里光的光强分布
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
液晶光子学
第二章 液晶光场调控技术
2.1 光场调控的基本介绍 2.2 基于倾角控制的液晶调光技术 2.3 结合方位角控制的液晶调光技术 2.4 讨论和展望 习题
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2.1 光场调控的基本介绍
第二章 液晶光场调控技术
通过调控光场的振幅、相位和偏振等信息产生空间结构光场
01
涡旋光束
标量亥姆霍兹方程： (2 k2)E 0
有着以下艾里无衍射解： ( , s) Ai[s ( / 2)2]exp[i(s / 2) i( 3 /12)]
(2.13)
初始位置有ϕ(0, s) = Ai(s)。须附加指数衰减项以实现有限能量的输出，即：
(0, s) Ai(s) exp(as)
(2.14)
其中，a为正数且a<<1。将(2.14)式代入(2.12)，可得有限能量的艾里光束场分