關(guān)秀麗

GUAN Xiu-li

（長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

在飛機(jī)對地面的光通信系統(tǒng)中，由于大氣湍流造成的閃爍、漂移等影響，在光探測器像面上激光光斑的能量會(huì)發(fā)生變化，因此光束控制技術(shù)就成為關(guān)鍵的系統(tǒng)技術(shù)之一，它將直接影響到系統(tǒng)的誤碼率。只有具備了高精度、快速的光束衰減控制能力的光束控制系統(tǒng)，對入射的激光能量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使光探測器接收到的激光能量保持穩(wěn)定，才能提高系統(tǒng)通信質(zhì)量，降低誤碼率，實(shí)現(xiàn)高信噪比的激光信號探測，整個(gè)大氣通信系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)高效可靠的信息傳輸[1]。

本文采用了基于液晶的空間光調(diào)制技術(shù)對光束進(jìn)行控制。文中對液晶空間光調(diào)制器的工作原理以及光束控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。采用液晶裝置取代傳統(tǒng)的衰減片，擬將液晶作為一種動(dòng)態(tài)可調(diào)的光強(qiáng)控制器置于通信光信道中，利用其高精度、快速的光束衰減控制能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)光強(qiáng)控制，從而達(dá)到高精度、快速的光束控制作用。

液晶空間光束調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，它由兩片偏振片夾一液晶顯示層構(gòu)成。現(xiàn)在最通行的電尋址液晶空間光調(diào)制器是薄膜晶體管透射陣列式液晶電視，這種電尋址液晶空間光調(diào)制器能方便地與計(jì)算機(jī)接口，在設(shè)定的光學(xué)調(diào)制模式下，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的單元像素的振幅或相位的調(diào)制[6]。

圖1 液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，液晶在沒有外加電場作用時(shí)，各向同性的非偏振光經(jīng)過P（起偏器）后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行于起偏器光軸的平面偏振光，偏振光經(jīng)過單軸晶體液晶時(shí)將不改變偏振光的振動(dòng)方向。經(jīng)過起偏器后的偏振光到達(dá)Q（檢偏器）時(shí)，因光的振動(dòng)方向垂直于Q的光軸，偏振光被阻擋（P、Q安裝時(shí)光軸彼此相互垂直），所以Q沒有光輸出；當(dāng)給液晶施加電壓后，液晶分子的排列狀態(tài)發(fā)生變化，液晶的分子長軸開始沿電場方向傾斜，這時(shí)通過液晶調(diào)制器的平面偏振光將改變其振動(dòng)方向，所以經(jīng)過起偏器P產(chǎn)生的平面偏振光，通過液晶光調(diào)制器后，其振動(dòng)方向就不再與Q的光軸垂直，而是在Q的光軸方向上有偏振光的振動(dòng)分量，所以此時(shí)檢偏器就會(huì)有光輸出，輸出光的強(qiáng)弱與液晶自身的性質(zhì)及外加電壓的大小等因素有關(guān)。

根據(jù)瓊斯矩陣分析方法和液晶分子的構(gòu)造特性，導(dǎo)出的液晶分子的Lu-Saleh模型為：由扭曲向列(TN)液晶分子構(gòu)造的液晶空間光調(diào)制器。設(shè)液晶分子的長軸與X軸方向一致，液晶層與前后偏振片的偏振向的夾角如圖2所示，TN型液晶光強(qiáng)調(diào)制原理如下[3]：

其出射光的透射率為：

出射的光為線偏振光，其位相調(diào)制原理為：

式中，δ為光場相位變化量，ψ1為起偏器的偏振方向與X軸的夾角；ψ2為檢偏器的偏振方向與X軸的夾角； β和γ的定義如下：

式(3)中的θ和ne(θ)的含義如下：

式(4)和式(5)中的各參量的涵義是：θ為液晶分子因所加的電壓v而引起的扭曲角；v0為液晶分子開始偏轉(zhuǎn)時(shí)的起始電壓，即閾值；v0為液晶分子偏轉(zhuǎn)達(dá)到49.6o時(shí)的電壓；d為液晶分子層的厚度；ne為雙折射e光的折射率；n0為雙折射o光的折射率。若ψ1=0o，ψ2=90o，則有

通過設(shè)置不同的偏振片相對偏振方位ψ1與ψ2，就可改變加在液晶像素上的電壓V(實(shí)際是改變相應(yīng)輸入圖像的灰度值，因圖像的灰度值與ne或β值有單值對應(yīng)性)。

圖2為液晶光束控制原理框圖。信標(biāo)光經(jīng)過大氣傳播，入射到起偏器后形成線偏振光，光波通過液晶光調(diào)制器后光強(qiáng)發(fā)生衰減，衰減了的光波信號由CA-D1相機(jī)捕獲，進(jìn)行處理和分析后生成數(shù)字量信號。生成的數(shù)字信號通過LVDS接口，送入光強(qiáng)檢測系統(tǒng)測出衰減后的信標(biāo)光光波強(qiáng)度。調(diào)整加在液晶光調(diào)制器上的外加電壓，就可實(shí)現(xiàn)對衰減的光強(qiáng)的補(bǔ)償效應(yīng)[5]。

起偏器 液晶光調(diào)制器 檢偏器 通信光路 激光接收CA-D1相機(jī)

圖2 液晶光束控制原理框圖

1 液晶光束控制實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了能在實(shí)驗(yàn)室完成液晶光束控制實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如下的以932液晶光控系統(tǒng)為核心，結(jié)合CCD采集及計(jì)算機(jī)組成的實(shí)時(shí)、可調(diào)控的激光光束空間整形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 基于液晶的光強(qiáng)自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)原理框圖

圖4 電壓-透過率對應(yīng)曲線

圖5 電壓-光斑平均能量對應(yīng)曲線

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用810nm半導(dǎo)體激光，經(jīng)發(fā)射裝置變成平行光，經(jīng)過起偏器然后出射，在信標(biāo)光路中加入液晶光調(diào)制器，對入射的信標(biāo)激光能量進(jìn)行閉環(huán)控制，由CA-D1相機(jī)對激光進(jìn)行成像，保證激光光斑成像大小為3×3像元，并由激光功率計(jì)探測激光光束能量。通過改變液晶控制系統(tǒng)上所加的電壓值實(shí)現(xiàn)檢測液晶對激光能量的衰減效果，得到衰減控制曲線（電壓-透過率曲線）及光斑平均強(qiáng)度與電壓的變化關(guān)系[4]。

2 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大氣激光通信系統(tǒng)中，采用液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行激光光束的實(shí)時(shí)整形，可方便地對光束能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制采集、存儲(chǔ)與處理，從而實(shí)現(xiàn)對光束的實(shí)時(shí)控制，獲得所需形狀的近場光束?？梢?，液晶光束控制技術(shù)在激光系統(tǒng)前級的光束整形中具有重要的應(yīng)用前景。

[1]李宏生.湍流對大氣中傳輸激光束的影響[D].長春:長春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002.

[2]朱成禹.電尋址空間光調(diào)制技術(shù)的研究[D].長春:長春光機(jī)所,2002.

[3]Johnson K,et al.Smart Spatial Light Modulators using Liquid Crystals On Silicon[J].IEEE,1993,(2):699-714.

[4]Dou R,Giles M.Closed-loop adaptive optics system with a liquid crystal television as a phase retarder[J].OptLerr,1995,20(10):1583-1585.

[5]Jianjun Li,Zongkai Wang,Yong Cai et al.Study of E-o Properties of Polymer Network Stabilized ferroelectric Liquid Crystal In Smectic C*Phase Ferroelectrics[J].1998,213:91-99.

[6]武曉陽,賀庚賢.基于液晶光閥的數(shù)字仿真目標(biāo)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,8-1:25-30.