qam调制器特性【液晶光调制器的调制特性及应用研究】

　　摘要：重点对纯相位光调制器的特性及其在光束动态偏转系统中的应用进行了分析，并介绍了斜入射下纯相位光调制器的特性及新型无源液晶光调制器等液晶光调制器的新发展趋势。 　　关键词：液晶光调制器；纯相位调制；纯振幅调制
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：A
　　
　　Research of Modulation Characterization and Application
　　ｏf the Liquid Crystal Spatial Light Modulator
　　
　　 WANG Li
　　(Department of Physics,Dezhou University, Shandong Dezhou 253023,China)
　　
　　Abstract:Introduced properties of the phase-only liquid crystal spatial light modulator and it"s application in beam steering system and oblique-incidence characteristic of parallel- aligned N-LCSLM and a new azo control spatial light modulator.
　　Keywords: LC-SLM;phase-only modulation; amplitude-only modulation
　　
　　
　　液晶空间光调制器（ＬＣ－ＳＬＭ）是利用液晶的电光效应来达到对光波的某个参量进行调制的一种新型的衍射光学元件，具有尺寸小、质量轻、驱动电压低、功耗低、无机械惰性等特点，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，因此它的光调制特性越来越为人们所关注。
　　
　　1液晶光调制器的调制原理
　　
　　 一般的液晶空间光调制器是由液晶片在两边加平行于液晶片的偏振片组成，如图1所示，两个偏振镜的状态分别由Ψ1和Ψ2表示,它们是各自的偏振轴与x轴的夹角。LC-SLM对光束的调制主要是LC-SLM的旋光偏振性和双折射性。LC-SLM一般是振幅与相位耦合调制，通过选择入射线偏振光振动方向与定向矢的夹角和驱动电压的大小，可实现近振幅调制和近相位调制 [4]，当入射线偏振光振动方向平行于定向矢、且驱动电压较小时，可得到近相位调制。当入射线偏振光振动方向垂直于定向矢、且驱动电压较大时，可得到近振幅调制。若要用上述结构实现纯振幅和纯相位调制，还需要插入适当的相位延迟器[5]。
　　液晶空间光调制器以制作简单、价格低、耗能低、易控制、易制成二维器件、且易构成并行光学信息处理器件等优点，倍受国内外研究学者的关注。但大多数的学者由于制作液晶屏条件的限制，仅研究扭曲型液晶电视作为相位型空间光调制器。扭曲型液晶电视在相位调制的时候伴有振幅调制，在这种条件下通常解决的办法是利用整个驱动电压的一部分，使得在这一部分电压内保证振幅调制尽量的小，因此减少了相位调制的范围,且不是严格意义上的纯相位调制。同时扭曲的液晶空间光调制器不能用于光学模式识别、相位相关滤波器和可编程衍射光学元件等，大大限制了液晶光调制器的应用范围。因此纯相位液晶光调制器的调制特性研究和应用成为了一个必然和热点话题。
　　
　　2纯相位液晶光调制器
　　
　　纯相位电寻址空间光调制器可对光波相位面进行连续调制，特别适合连续光束偏转控制，在光通信领域有广泛的应用，可以克服机械偏转设备重量大、尺寸大、不可编程等缺点。
　　平行排列的向列相液晶空间光调制器的优点就是对通过它的光仅进行相位调制，而不改变其偏振方向。图2为纯相位空间光调制器的工作原理。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[6-7]。
　　中科院长春光机所研制了平行排列液晶空间光调制器 [8]，并对液晶空间光调制器相位调制特性和振幅调制特性进行了测量。实验结果表明，在整个灰度级范围内是纯相位调制的空间光调制器，并且调制的范围可达到0.6λ。在ZYGO菲佐干涉仪上进行了精度特性的研究，得到了非常好的结果，在1cm2的面积上,进行了畸变波前的调制，其精度峰谷值可达0.098λ，方根值可达0.017λ。在此精度的基础上产生了π相位差的栅结构，证明了这种液晶空间光调制器可以很好地进行相位调制。这种平行排列的液晶空间光调制器在光学相关、相位比较技术等光学信息处理以及在自适应光学方面有着重要的应用前景。
　　由于纯相位液晶空间光调制器可以实现相位的连续调制，这一点使其非常适用于空间光束偏转，因而其在激光相控阵雷达和自由空间光互连等领域有广阔的应用前景。哈工大设计了一个能够发射任意衍射点阵图形的系统装置[9]，其中的一个核心部件是液晶空间光调制器，是美国BNS公司的专利产品，是近年发展起来的微电子机械领域的最新研究成果。该系统采用液晶空间光调制器，通过对一组激光束的相位进行控制和波束合成，提出了点阵图形的相位优化思想，成功地运用于液晶空间光调制器纯相位调制激光光束；设计了光束动态偏转系统，实现空间光束的动态连续偏转，取得了在100 ms内偏转偏差度小于8%的二维点阵式光束的满意实验结果。该偏转原理不仅适用于发射离散的点阵图形，而且对于发射连续图形也一样适用。
　　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。浙江大学的现代光学仪器实验室[10]对液晶光调制器在读出光斜入射下的理论进行了推导，建立了读出光斜入射时液晶光调制器的理论模型，以正入射时光调制器的电压和输出光强的关系，得到液晶分子的转角与电压的关系，从而进一步计算出相位差。随着入射角的增大，液晶层的相位调制深度逐渐减少，而衍射效率变化并不明显；随着分子倾角的减小，相位调制深度逐渐升高。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，且衍射效率非常稳定。
　　
　　3新型的液晶光调制器
　　
　　现在的液晶空间光调制器是有源器件，多采用电压控制，这种控制方法使得其结构相对复杂，需外加控制电路，调制特性难于掌握，因而在一定程度上限制了它的广泛应用。因此研究人员提出了一种新型偶氮控制液晶空间光调制器[11]，它利用偶氮分子的光控分子取向，用薄薄的一层偶氮分子取代了现行的电压调制电路，只需改变控制光的偏振全息图样，就可以方便实现对光信息的空间调制，而且该调制器是一种无源器件。这种新型偶氮控制液晶空间光调制器有望在数据存储与处理、二元光学及大平面液晶显示等方面得到广泛应用。
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　　参考文献：
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　　[10]叶必卿，陈军，福智异央等.斜入射液晶空间光调制器的特性[J].中国激光，2006，33（5）：587-590.
　　[11]廖鹏,韩俊鹤,欧慧灵等.一种新型液晶空间光调制器的理论分析[J].河南大学学报，32(1):12-15.省略。
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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