斜入射液晶空间光调制器的特性

第33卷　第5期2006年5月

中　国　激　光

CHIN ESE JOU RNA L OF LASE RS

Vo l.33,N o.5

M ay ,2006

文章编号:

0258-7025(2006)05-0587-04斜入射液晶空间光调制器的特性

叶必卿1,陈　军1

,福智

央2,伊ヶ崎泰则2,井上卓2,原　勉

2

(1

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江杭州310027;2

浜松光子株式会社,日本)

摘要　用读出光斜入射到液晶空间光调制器(LC -SL M )的读出面,是一种有效的提高空间光调制器(S LM )读出效率的方法。测量了读出光以不同角度入射到液晶空间光调制器的读出面上时,相位调制深度与写入光强的关系、衍射效率与二值光栅对比度的关系。得到随着入射角度的增加,最大相位调制深度减小,而衍射效率变化并不明显。在45°时有最大相位调制深度2.0936π和35.4%的正一级衍射效率。关键词　信息光学;液晶空间光调制器;斜入射中图分类号　T H 744 文献标识码　A

Oblique -Incidence Characteristic of Parallel -Aligned

Nematic -Liquid -Crystal Spatial Light Modulator

YE Bi -qing 1,CHEN Jun 1,Norihiro Fukuchi 2,

Yasuno ri Igasaki 2,Takashi Inoue 2,Tsutomu Hara 2

1

State K ey L aboratory o f Modem Optical Instrumentation ,

Z hejiang University ,Hangzhou ,Z hej iang 310027,China

2

Hamamatsu Photonics K .K.,J apan

A bstract I t is a valid way to impr ove the read -out lig ht efficiency of spatial ligh t modulator that the incident read -out light o bliquely enters the read -out plane o f the liquid cry stal spatial light modulato r.With differ ent incident

ang les ,the r elatio ns o f the phase modulatio n depth and the w rite -in light intensity and of the diff ractio n efficiency and the co ntrast of the bina ry g ra ting are mea sured.I t is found that ,with increasing incident angle ,the max imum depth of the phase modulatio n decreases ,but obvio us change o f the diffraction efficiency does no t occur.With 45°incident angle ,the maximum de pth of the phase modulatio n reaches 2.0936π,and the po sitive first order diffrac tion efficiency is 35.4%.

Key words info rmatio n o ptics ;liquid crystal spatial ligh t mo dula tor ;oblique incidence

收稿日期:2005-05-26;收到修改稿日期:2005-11-13

作者简介:叶必卿(1978—),女,浙江杭州人,浙江大学博士研究生,主要从事激光与非线性光学的研究。E -mail :canoo @

1　引　言

空间光调制器(S LM )在二维空间内可以对光信息包括振幅、相位、偏振态三方面进行调制。液晶空间光调制器就是利用液晶的电光效应来达到对光波的调制,它已经在相关光学、自适应光学、光互连、光束变换、光运算、光存储和神经网络[1～3]

中得到广

泛的应用,并有希望在未来的光计算机中作为接口

器件[4]

。因此它的光调制特性越来越为人们所关

注。

当空间光调制器工作在正入射情况时,必须利

用分光镜使得入射光和反射光分离,以使得到的反射光光强被极大衰减,在一定程度上限制了它的应用。为了得到更强的反射光强,采用读出光斜入射

模式是一种有效的方法。虽然对于正入射工作模式的特性研究已经有大量报道[5,6],但空间光调制器的斜入射调制特性研究尚少报道。本文测量了光寻址液晶空间光调制器的斜入射光学调制特性,在45°入射时得到最大2.0936π的相位调制深度和35.4%的正一级衍射效率。

2　液晶空间光调制器的结构

液晶空间光调制器的结构如图1所示,光电导层α-Si ∶H 层能将某点写入光的强度转化为对液晶层上对应点的电压强度用来实现光寻址。液晶层被夹在玻璃片和高反射率绝缘层(Dielectric M irro r )之间,用以实现光调制。读出光被高反射率绝缘层反射,两次经过液晶层后,写入光的光强信息就载入到读出光的相位中。实验中测量的液晶空间光调制器是滨松光子株式会社生产的x 7550型反射式纯相位调制器[7]

。

图1空间光调制器的结构

Fig.1Structure of spatial lig ht modulato

r

图2液晶空间光调制器的调制原理Fig.2Principle of phase mo dula tion

图2为空间光调制器的工作原理图,这种空间光调制器中液晶分子排列为平行排列而非扭曲排列。在没有写入光时由于光电导层电阻值大,液晶层上几乎没有外加电压,液晶分子沿oy 方向排列不发生倾斜,如图2(a )所示。当有入射光时,光电导层电阻值减小,液晶层有外加电压。液晶分子受电压作用由原来的oy 方向在yoz 平面上向z 轴方向倾斜。在极限情况下与z 轴平行。在入射光强较小的一般情况下液晶分子的排列如图2(b )所示,与z 轴成θ角。此时液晶层的光折射率改变,导致反射光

的相位产生延时。与扭曲排列的液晶空间光调制器

不同,这种平行排列的调制器对反射光的偏振没有调制作用,仅改变其相位,可用来实现纯相位调制。

3　液晶空间光调制器的斜入射特性

3.1　相位调制的特性

研究相位调制特性的实验装置如图3所示。用波长为680nm 的半导体激光作为写入光,经过由透镜L 3,L 4组成的望远镜系统扩束后均匀而垂直地入射到LCD 上。LCD 由计算机控制起电寻址作用。写入光通过LCD 后照射到空间光调制器(S LM )的入射面上[8]

。H e -Ne 激光作为读出光经

过由L 1,L 2组成的望远镜系统准直、扩束后以η角入射到空间光调制器的读出面,其反射光光强由能量计测出。起偏器P 1和检偏器P 2的快轴方向相互垂直且均与y 轴成45°角。液晶空间光调制器工作在频率为1kH z ,峰-峰电压值为6V 的方波电压下。

图3研究相位调制特性的实验装置Fig.3Setup fo r measuring phase mo dula tion

实验中用计算机控制改变半导体激光器的光强,即将不同灰度值写入LCD ,测量在不同灰度值下的反射光强。定义灰度值0表示无光强透过,灰

度值256表示能透过全部光强。通过分析反射光光强可以计算出空间光调制器的相位调制深度[5],反射光与相位调制的关系方程式为

I ( )=(I max -I min )sin 2( /2)+I min ,其中I max 和I min 分别为所测出光强的最大值和最小值。I ( )为不同写入光强下的反射光光强, 为不同

写入光强下调制器的相位调制深度。

图4为在不同灰度值下反射光的光强。不同曲线对应不同的入射角,在灰度值230之后各条曲线的反射光强度几乎不变,表明此后液晶空间光调制器对读出光的相位调制已趋于饱和。图5表示相位调制深度与灰度值之间的关系,不同曲线对应不同的入射角。由图5可见,随着灰度值的增加,相位调制深度几乎呈线性增长,并在灰度值230左右达到

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