反射式液晶光阀用于激光束空间整形可行性研究

第38卷 第4期中 国 激 光V ol.38,N o.42011年4月CHINESE JO URNAL OF LASERSApril,2011利用衍射理论对基模高斯光束进行整形王小发1,2,3康治军3 樊仲维1,3,*连富强1,2,3黄 科1,2,3余 锦11中国科学院光电研究院,北京1000802中国科学院研究生院,北京1000493北京国科世纪激光技术有限公司,北京100085摘要 为了获得在液晶修复技术中所需要的光束质量好、能量分布比较均匀的矩形光束,提出了一种新的光束整形系统。

在这个系统中,通过对光阑后不同位置衍射效应的理论分析和计算,获得相应的衍射光斑图样,再利用4f 像传递系统对理想的光斑图样进行提取和传递,经过扩束聚焦之后,用于加工样品,并设计了相应的实验装置来验证这种系统的可行性。

研究结果表明,过光阑后不同位置的衍射面呈现出复杂的衍射图样,等效距离在56.0~58.5mm 之间能够选取到平化效果非常好的衍射面,4f 成像系统对其实现了较好的像传递,整形光束顶部的能量波动量小于5%,能量提取率达到80%。

关键词 激光光学;基模高斯光束;光束整形;矩形光阑;4f 成像系统中图分类号 O436.1 文献标识码 A d oi :10.3788/CJL 201138.0402006Beam Shaping of TEM 00Gaussian Be am by Using Diffraction TheoryWang Xiaofa 1,2,3 Kang Zhijun 3 Fan Zhongwei 1,3 Lian Fuqiang 1,2,3Huang Ke1,2,3Yu Jin11T he Academ y of Opt o Elect r onics ,Chin ese Academ y of Scien ces ,Beijing 100080,China2Gr a du a te U niv er sity of Chinese Aca dem y of S ciences ,Beijin g 100049,China3Beijin g GK La ser T echnology Co.,L td ,Beijing 100085,Chin aAbstract I n order to obtain the rectangular beam required for liquid crystal display(LCD)repair technology with good beam qua lit y and uniform energy distribution,a new beam shaping system has been proposed.I n this system,related diffraction patterns can be obtained by ca lculating and analyzing the diffraction effects in theory at different positions through rectangular aperture,and a proper diffraction surfac e,which will be used to process the sa mple,c an be extracted and transferred by using 4f image relaying system.In addition,a relevant experimental device has been designed to prove the feasibility of this system.The results show that there exit some of the c om plex diffrac tion patterns after passing through the apert ure,and some diffraction planes with very good energy uniformity distribution c an be selec ted in the 56.0~58.5mm range of the equivalent distance.The effective delivery is achieved by the use of 4f imaging system,the fluctuation range of energy on the top of sha ped beam is less than 5%,and energy efficiency is about 80%.Key wo rds la sers optic s;TEM 00Gaussian beam;beam shaping;rec tangular aperture;4f ima ging system OCIS co des 260.0260;220.0220;110.0110;050.0050收稿日期:2010 10 12;收到修改稿日期:2010 12 06基金项目:国家863计划(2008AA 031901)和国家自然科学基金(60927010)资助课题。

液晶光阀特性研究实验液晶光阀控制器的故障及排除方法：1.现象：调节振幅、灯压、频率等电位器，液晶光阀控制器的数显表数值不变化。

原因：液晶光阀控制器插件松动或电位器坏。

排除方法：打开控制器的箱盖，将各个对应的插件重新插紧。

如电位器坏，即更换。

2.现象：光强为零时，液晶光阀控制器上数显表有很大的显示数值；脉冲频率电位器调不到1KHz；灯压值不在正常值范围。

原因：控制上述值的模块没有归零。

排除方法：打开控制器的箱盖，调节与其相对应控制模块，将上述值归零（有些调不到零，但可以调到最小值，可以满足实验的需求）。

3.现象：液晶光阀控制器上的按键失灵。

原因：实验过程中，按键频繁切换，尤其是光强读数键，按的次数过多。

排除方法：A.更换按键弹簧。

B.分解液晶光阀控制器功能，用新设计的电路来代替光强键的功能。

设计新电路的方法及步骤如下：(1).激光器的功率在7—10mW，万用表电压、电流档分别测量由光强仪采集到的电压、电流值（均为直流），最大值均为0.3mA、0.3mV。

(2).确定是使用光强仪采集到的最大电流还是电压，来作为新电路的电流源或电压源。

(3).如选择光强仪采集到的最大电流作为电流源，计算电路参数。

(4).考虑到余量，按照最大电流0.5mA计算，可以拿一个量程为0.5mA的直流电流表，并接在光强采集仪的两端。

(5).如没有恰好0.5mA量程的电流表，如量程只有0.1mA的直流电流表，先用数字万用表测该电流表指针满偏时的内阻，内阻为2.275KΩ。

(6).计算电路参数，电路图如下：Is为光强仪采集到的电流。

(7).算出电阻R的参数为0.569 KΩ, 将其与电流表和光强仪并联。

(8).为了更好的保护直流电流表，可以用电位器来代替固定电阻值，电位器的最大阻值要大于0.569 KΩ,在调节电位器时电阻值不能小于0.569 KΩ。

注意：A.实验过程中，激光束没有扩束不能直接照在液晶光阀的表面上，否则液晶光阀的表面上会出现盲点，液晶光阀损毁。

级姓名学号日期:实验题目:液晶光阀特性研究实验目的:在大背景的情况下 , 从基本原理的角度出发 , 测量相关曲线 , 理解并解释相关现象 .实验原理:液晶光阀中的关键部分液晶是一种高分子化合物 , 其物理特性介于固体和液体之间 ; 其结构介于固体和液体之间 , 称为中间态或中间相 . 呈现出既有液体的流动性,又有晶体的光学各向异性,因而称为液晶。

它既不同于不能流动的晶体, 也有别于光学各向同性的液体,它的特性既有晶体的取向特性 , 又有液体的流动性 . 当液晶分子在取向膜层的影响下有序排列表现出的各向异性 , 又导致电、磁、光、力的各向异性 .由于液晶分子之间的相互作用远低于固体分子之间的相互作用力, 所以液晶的各向异性在外场作用下会发生显著变化 .下面就实验中的两个关键部件加以说明1. 偏振分光棱镜的的工作原理薄膜偏光分束棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜 , 再将两块棱镜的分光面胶合起来 , 并在通光面上镀制增透膜 , 以降低光通过棱镜时的反射损耗。

对于折射率不同的两种材料的交界面 , 总可以找到一个入射角 , 使之满足布儒斯特角条件 , 在这样一个条件下 , 激光由棱镜左侧入射后 , 在右侧透射的光为p分量光 , 在侧面反射的光为s分量光。

偏光分束镜的膜系设计要求 , 必须选择折射率满足一定的关系的膜料和基底材料,使p光全透过 , 而s光全12部反射 .液晶光阀的结构如下图所示图形的平板玻璃相对放置在一起,使其间相距为 10m 。

四周用环氧胶密封,但在一侧封接边上留有一个开口, 该开口称为液晶注入口。

液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。

注入后,用树脂将开口封堵好。

当然,作为扭曲向列型液晶显示器件, 在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。

该定向层经定向处理后, 可使液晶分子在液晶盒内, 在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列, 而在前后玻璃基板之间液晶分子又呈 45度扭曲排列, 经过反射回来再次产生 45度扭曲,这样就产生振动方向 900 偏转 .本实验中的液晶主要是向列型液晶, 其分子长轴近似平行, 且平行于玻璃平面液晶分子取向决定于取向膜层的方向 . 光通过液晶层时发生双折射效应,即入射的偏振光进入液晶层后, 这时的液晶层相当于一个位相片, 其位相的大小取决于写入光的强弱 . 反射回来的各种不同的椭圆偏振光 , 它的长、短轴的方向和比例经检偏器后的光强是不同的。

反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用研究1. 引言1.1 研究背景反射式光栅在激光器中的应用具有重要意义，因为光栅可以实现光的频率选择性反射或透射，从而调节光的波长和频率，具有很强的谱学和激光调控能力。

随着激光器技术的不断发展，反射式体布拉格光栅作为其中一种重要的光栅形式，其应用也越来越广泛。

研究人员对反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用进行了深入研究，通过优化设计和制备工艺，实现了在激光器中的高效能量转换和谐波产生。

而激光器的性能提升也离不开反射式体布拉格光栅的应用，因为光栅可以有效地控制激光的频率稳定性、波长选择性和束流调控等方面，为激光器的性能提升提供了重要支撑。

探究反射式体布拉格光栅设计及其在激光器中的应用是当前激光技术研究领域的热点之一。

通过深入研究，可以进一步拓展光栅在激光器中的应用前景，提升激光器的性能和稳定性，推动激光技术的发展和应用。

【内容结束】1.2 研究目的本文旨在探讨反射式体布拉格光栅在激光器中的设计原理和应用研究，旨在进一步提高激光器的性能和稳定性。

具体研究目的包括：1. 分析反射式体布拉格光栅的设计原理，探讨其在激光器中的优势和特点，为激光器的设计和优化提供理论支持。

2. 探究反射式体布拉格光栅在激光器中的具体应用场景，研究其对激光器性能的影响与提升效果。

3. 比较不同类型的反射式体布拉格光栅设计在激光器中的表现，深入分析其优缺点和适用性，为激光器设计提供技术指导。

4. 探讨反射式体布拉格光栅在激光器性能提升中的作用机制，揭示其对激光器输出功率、波长稳定性等参数的影响规律。

5. 结合实验验证与结果分析，进一步验证反射式体布拉格光栅在激光器中的应用效果，为相关研究提供实践基础和技术支持。

1.3 研究意义反射式体布拉格光栅是一种在激光器中广泛应用的新型光学元件，具有良好的光学性能和调制能力。

通过对其设计及应用进行研究，可以进一步优化激光器的性能，提高输出功率和光束质量，拓展激光器在各种领域的应用。

液晶光阀特性研究
目录
实验目的
实验原理
数据处理
实验总结
思考题
原始数据
实验目的（回目录）
1.测量液晶的相关曲线
2.理解并解释相关现象
实验原理（回目录）
1.偏振分光棱镜的的工作原理
棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜,再将两块棱镜的分光面胶合起来,并在通光面上镀制增透膜,以降低光通过棱镜时的反射损耗。

2.液晶光阀
液晶光阀分为投射式的液晶光阀和反射式的液晶光阀
a)液晶
液晶的分子为有机分子，大多为棒状，即它的长度尺寸为直径尺寸的5 倍以上。

由于分子结构的这种对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小
b)取向膜
液晶器件的玻璃基板最表层上都要有一层取向膜，其作用是使液晶沿预定方向取向。

这一层膜虽薄，约在50 ～150 纳米之间，但却是液晶器件的关键部分。

c)方向矢
b)灯压6.24V，驱动频率1.00KHz
a)当驱动电压为0.99时，将上图放大得
带来了一定的误差。

另外，光路调节也可能不是很精确，而光学的实验往往是对每一步都是由严格的要求的，这些导致了这次实验出现的种种误差。

思考题（回目录）
1.液晶光阀的驱动电压用的是交流电，能用直流电吗？说出原因。

答：不能用直流电。

由实验原理知道，当液晶层加上交流电压后，液晶分子会在电压的作用下沿电场方向偏转，从而改变液晶的双折射效应。

2.在不同光压下驱动电压和输出光强曲线
a)灯压0V，驱动频率1.00KHz
c)灯压8.62V，驱动频率1.00KHz。

实验2－15 液晶光阀（教师用书）一.实验的目的意义和要求液晶光阀是当前飞速发展的光电子学中一种重要的空间光调制器，它已在大屏幕投影显示、相干光实时处理系统及红外导弹跟踪模拟等领域获得广泛应用，是正在发展的高新技术基本元件之一，前景广阔。

本实验内容涉及液晶的光学性质、各种偏振光及其转换、光电导材料的特性、偏振分光棱镜的作用、物理思想丰富、物理图像清晰，概念简明易懂。

要求学生通过该实验能了解和掌握上述有关知识，进一步掌握液晶光阀利用液晶的光学特性而制作的空间光调制器的工作原理二. 参考书籍与材料(一)必须阅读的参考书籍与材料1. 章志鸣，沈元华，陈惠芬. 光学（第二版）.北京：高等教育出版社. 2000. P.154-156, P.307-3092. 沈元华，陆申龙.基础物理实验.北京：高等教育出版社.2003.（二）建议阅读的参考书籍与材料1.宋菲君，Jutamulia S.近代光学信息处理﹝M﹞.北京：北京大学出版社，1998.2.沈元华,马秀芳等.小课题实验---液晶光阀的特性及应用﹝A﹞.面向21世纪实验物理教学展望及教学改革经验交流会议论文集﹝C﹞.天津，19983.陈波等. 介绍一个现代化的普物实验——液晶光阀. 大学物理, 1999, 18 (12 ): 31~334.甘巧强等. 液晶光阀图像输出特性的深入研究. 物理实验, 2002, 22(10):45～48（见附件）5.孙萍，杨文等.液晶光阀实时图象变换﹝J﹞.物理实验，2002，22（11）：10~136.徐平，梁家辉.液晶光阀用于光学傅里叶变换﹝J﹞.物理实验，2002，（12）：8~11三．实验前应回答的问题(一)有关激光光源的问题1．实验中所用的氦氖激光器有什么特点？是否可用一般的激光器取代它？为什么？答：实验中所用的氦氖激光器带有布儒斯特窗，因此它输出的激光是线偏振光。

而一般氦氖激光器所输出激光的偏振态是随机的，所以不能用以取代。

液晶光阀特性研究pb04210272 刘琼 04023实验目的液晶是进行信息与激光技术领域科研工作的关键光电子器之一。

本实验就是在这个大背景下，从基本原理的角度出发，测量其相关曲线，理解并解释相关现象。

实验原理1.偏振分光棱镜的工作原理折射率不同的介质交界面，当光以布儒斯特角入射时，投射光为P 分量光，侧面反射的光为S 分量光。

实验要求P 光全透过而S 光全反射，.偏振分光棱镜既起到起偏器作用又起到检偏器的作用。

2.液晶光阀本实验使用反射式液晶光阀。

对液晶排列与X 轴方向一致的指向矢n E 0线偏振光分量x E 、y E 得：δδθθθθ22022sin cos sin cos 2)sin ()cos (E E E E E y x y x =-+ （1） 式中：z n n )(2//⊥-=λπδ从（1）式可知，当0=θ和2/πθ=时，则Ey ＝0和x E ＝0 ，，即入射的线偏振光的偏振方向不发生变化；当4/πθ=时，式（1）变成 δδ22022sin 2cos 2EE E E E y x yx =-+ （2）由此可知，入射光沿着z 方向前进，则其偏振光状态按照直线、椭圆、圆、椭园、直线偏振光的顺序变化，线偏振光的偏光方向也发生变改。

本实验液晶主要是向列型液晶，分子长轴近似平行。

光通过液晶层发生双折射效应。

入射的偏振光及反射回来后各种不同椭圆偏振光长、短轴方向和比例以及经检偏器后的光强是不同的。

液晶层加一定电压，液晶的方向矢向电场方向偏转，从而改变折射效应。

实际工作的光路如下图：实验内容1.观察并记录实验现象；具体要点是记录出现正像、反转像、边缘增强像的次数，正像、反转像、边缘增强像所对应的电压的范围等各种参数值.2.取定驱动频率为f=1.0kHz,驱动电压为零，写入光为零时，绘出取向角ψ与输出光强的关系曲线.驱动电压为零，写入光为零时输出光强最小时的ψ定义为零.3.对于图片的不同位置，写入光的光强是不一样的.为了对写入光有一个量化的概念，我们在实验中取三种光强状态[全暗(步骤3已完成) 、全明、中间值]分别对应图片中的透光部分、边缘部分、不透光部分，分别测出在某一驱动频率的情况下驱动电压和输出光强曲线.①.写入光为零，驱动频率为f=1.0kHz ，ψ＝400，测量LCLV输出光强与驱动电压的关系. (步骤3已完成)②.写入光全明（白色照明灯压为8.64伏），驱动频率为f=1.0kHz ，ψ＝400，测量LCLV 输出光强与驱动电压的关系.③.写入光为中间值（白色照明灯压为旋钮逆时针旋到最小），驱动频率为f=1.0kHz ，ψ＝400，测量LCLV输出光强与驱动电压的关系.将①②③的数据在一张图中绘出，根据图线将得到什么结论？将实验现象加以描述并解释. 数据处理及误差分析1．取向角ψ与输出光强的关系曲线实验数据如下：f=1.01kHz,驱动电压为0V.关系曲线如下图：Y A x i s T i t l eX Axis Title2．三种写入光强状态下驱动电压与光强的关系 全暗即写入光为00102030405060Y A x i s T i t l eX Axis Title图中黑线为写入光全暗时，红线为全亮，蓝线为半暗。

液晶光阀王舒涵 201311141005日期：2016年3月31日指导教师：王引书【摘要】本实验利用激光器、透镜、PBS、正性扭曲-向列相液晶、光电池、功率计、白光源等光学仪器在驱动电源频率为1.0KHz下测量了正性扭曲-向列相液晶写入电压分别为0V和5V时的工作曲线，找出液晶作为光阀进行图像分别变换出现正像、负像、边缘增强、边缘减弱时的图像，并且进行了图像的实时相减；然后利用傅里叶透镜观进行了对网格的空间滤波，分别滤掉了竖直和水平方向的网格。

【关键词】液晶光阀，实时相减，傅里叶变换，空间滤波一、引言：空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件，是光电混合处理系统的关键器件之一。

液晶光阀就是利用液晶对光的调制特性而制作的一种具有实时功能的空间光调制器，被广泛地应用于光学信息处理、光学互连及光计算、图像波长变换、光信息贮存、非相干光与相干光图像转换、图像的假彩色编码、文字与图像的相关识别、大屏幕投影显示、计算机终端显示、光模拟军事训练、机器人视觉领域。

实验中我们将了解液晶光阀的工作原理，理解图像反转、微分、相减、傅里叶变换和空间滤波的原理，掌握利用液晶光阀实现非相干光和相干光图像转换的方法，了解基本的计算全息的知识。

二、实验原理1、液晶光阀的工作原理：1.1正性扭曲——向列相液晶盒：液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向性，又有液体的流动性。

本实验使用的是正性向列相液晶，外场的作用下分子取向将沿电场方向排列，因此，可以通过控制电场来控制液晶分子的取向，从而控制液晶对光的透过特性。

实验中，液晶各分子的长轴方向都平行于基片表面，但两基片上的分子长轴方向有一定的夹角。

其中，液晶盒基片经过了表面取向处理，使得盒内液晶分子在分子相互作用力的影响下，两基片间的分子长轴将逐渐从一个基片处的方向“均匀”地过渡到另一个基片处的方向，形成均匀的扭曲排列，且基片间的分子长轴都平行于基片表面，1.2混合场效应：液晶光阀是利用液晶的混合场效应来实现对读出光的调制的。