华中科技大学 硕士学位论文 液晶空间光调制器主要参数的测量 姓名：傅琰 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：竺子民 2011-05-24 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘 要 液晶空间光调制器（LCSLM）是一种利用液晶分子光学特性制成的实时光学器 件，其在光学信息处理研究中发挥着广泛而重要的作用，应用领域包括图像显示、 数字全息、精密测量、激光光波前整形等，并且随着研究的深入，其应用领域也在 不断的扩展。本论文的主要工作就是设计讨论适当的方法对这一广泛应用的器件的 基本参数做出测量。 实验第一步测量的是液晶空间光调制器最基本的参数像素大小，无论其做何 种功能使用，像素多少，像素间隔以及像素占空比都是在使用前必须知道的。本论 文一共用了四种方法对液晶板的像素进行测量，得到结果，并就试验复杂程度、试 验器材要求和最后结果的精确度对不同的方法进行了比较，讨论其各自的适用范围。 然后本论文对液晶空间光调制器的复振幅调制特性进行了测量，从试验的目的 出发，参考了前人对此做出的各种研究，酌其要，删其繁，补其乏。在振幅调制特 性测量时，针对前人在测定最佳起偏角检偏角只做一次光强透过率实验的弊端，提 出了两次测量取差值的方法，得到更有说服力的结果。在做位相调制特性测量实验 时，针对马赫曾德尔干涉法所固有的对实验器材要求较高的弊端，使用了零点校 正的方法来中和由于器材不够理想而带来的试验误差，另外在最后的试验数据处理 阶段提出一种新的简单实用的方法，大大减小了数据处理的复杂程度。 关键词关键词：液晶空间光调制器 像素 振幅调制 相位调制 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Liquid crystal spatial light modulator is a kind of real-time optical device made by liquid crystal molecules using its optical properties. In optical information processing it plays an extensive and important effect. Its application fields include image display, digital holographic, precision measurement and laser light reforming, and with further research, its applications are constantly expanding. Major work of this paper is to discuss some appropriate methods for this widely used measurement devices to test its basic parameters. The first step is to measure liquid crystal spatial light modulators basic parameter - the number of pixels. Regardless of what kind of functionality, the number of pixels, pixel spacing and pixel occupies emptiescompared is the duty must be known before using it. This paper is shared by four methods of measuring the number of pixels, get results. Test complexity, equipment requirements and the accuracy of the final results of different methods were compared to discuss their respective scope of application. Then we test its complex amplitude modulation characteristics. Starting from the purpose of testing, we made reference to a variety of previous studies on this, take advantage of them, and make up disadvantage of them. In amplitude modulation characteristics measuring, our predecessors in determining the best angles only do it once of the transmittance experiment, we do it twice and get more convincing results. Measurement of the Phase Modulation Characteristics, for Mach - Zehnder interferometers inherent drawbacks of high requirement of experimental equipment, we used the method of zero point correction to make up of it. And make up a new simple and practical way to do the final Data Processing, which greatly reduces the complexity of data processing. Key words: Liquid crystal spatial light modulator Pixel Amplitude modulation Phase modulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论 空间光调制器（SLM）是一种能将信息加载于一个一维或二维光学数据场上，以 有效地利用光的固有传播速度、互联能力和并行性的器件。此类器件可以在随时间变 化的光驱动信号或者电驱动信号等的控制下，影响空间上光分布的位相、振幅、波长 以及偏振态等信息，或者是改变入射光的相干性。利用它的这些性质，可将其作为实 时光学信息处理、光学神经网络和光计算等系统中的结构单元或关键器件1。 1.1 空间光调制器的分类 一般空间光调制器按照控制信号的不同可分为光寻址空间光调制器(OA-SLM)和 电寻址空间光调制器(EA-SLM) 。而按照读出光的方式不同又可分为反射型和透射型 2。 除了上面所说的分类方式，还可以按照不同的工作原理来对其进行分类。因为空 间光调制器可利用的物理效应很多，比如声光效应、磁光效应、二次电光效应（克尔 效应）、线性电光效应（泡克尔斯效应）以及半导体的各种电光效应等，再者可以利 用这些效应的材料也很多，比如声光材料，磁光材料，光电晶体，液晶以及铁电陶瓷 等，故而按其工作原理分种类繁多，本论文仅就几种常见的加以介绍。 (1)声光空间光调制器 这类的空间光调制器主要是利用了声光材料的光弹效应， 利用声波场来实现对材料折射率的控制。其写入信息一般只沿一维空间分布，故其最 适合用于一维光信号的处理。 (2)磁光空间光调制器 这类的空间光调制器主要是利用了铁磁材料的诱导磁化效 应来写入信号，再利用磁光效应来完成对读出光的调制。 (3)电光空间光调制器 此类空间光调制器是应用某些材料的泡克尔斯效应或克尔 效应，通过外加电场改变材料的折射率来实现光调制的。 (4)液晶空间光调制器 此类空间光调制器利用的是液晶分子的电光效应，主要是 电控双折射效应3。这类空间光调制器是本文讨论的重点。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.2 液晶空间光调制器的发展 液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator， LCSLM)它是一类基于液 晶分子的电控双折射效应的有源光学器件。一般地，液晶空间光调制器是由许多独立 的液晶单元组成的，它们有规则的排列成一维或是二维阵列，理论上讲，每个独立单 元都可以彼此独立的由驱动信号来控制，这些驱动信号通过改变液晶分子的排列取向， 来达到对入射光波的位相或者振幅进行有效调制的目的，从而灵活的改变入射光波的 波前。对于光学信息处理领域的研究来说，如何得到想要的任意波前是一个极具研究 价值的课题。所以液晶空间光调制器和动态波前变换技术的有机结合，将产生许多具 有重大价值的应用。 早在 1888 年，奥地利植物学家 F.Reinitzer 便发现了液晶分子，但是由于当时科技 水平的限制，直到 80 多年后这一特殊的物质才广泛地被人们重视研究。1961 年，普林 斯顿研究所的海尔梅尔将电子学引入对液晶分子光学特性的研究并取得重大进展。他 在 63 年发现电场会对液晶分子的排列取向产生影响，并于 64 年研制出了动态散射工 作方式的液晶显示器件，从而掀起了对液晶研究的高潮。68 年，海尔梅尔发现了液晶 分子的首个电光效应，即动态散射效应，紧接着又先后发现了液晶的其他的电光效应: 相变效应与宾主效应。动态散射效应指的是当加在液晶盒两端电压超过某特定值时， 液晶分子将产生无规则运动，盒内液晶分子折射率将随时间而发生变化，从而对外界 的入射光发生散射现象。相变效应指的是当液晶盒两端施加的电压超过阈值时，液晶 将会发生胆甾相和向列相之间的互相转变。 宾主效应指的是多色染料分子(宾)与液晶分 子(主)在外加电场的作用下重新排列， 从而导致光吸收特性的变化进而引起颜色的变化 (亦即“开”与“关”的变化)。当入射光照射到两端加了相互正交的偏振片的液晶盒的时 候，它的出射光光强或是反射光光强将随液晶盒两端的电压而发生改变。这些液晶分 子的电光效应的发现都有力的推动了对液晶器件研究4。 1971 年美国的休斯公司研制出了第一台透射式的液晶光调制器，它采用 ZnS 作为 光导层，使用直流电压驱动电路。由于这种空间光调制器在直流状态下工作，极容易 发生电极和液晶分子之间的电化学反应，使得器件的使用寿命很短，并且透射工作方 式下写入光和读出光之间将发生干扰，严重影响了器件性能。因此该类型的 SLM 并未 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学