趙春芳, 賈明輝

(1. 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014040； 2. 內(nèi)蒙古民族大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

0 引 言

當(dāng)前光學(xué)偏振在微納領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，其中光束偏振狀態(tài)是可控調(diào)制[1-3]的基礎(chǔ)。因此，偏振調(diào)制器的性能是保證高精度測(cè)量的關(guān)鍵因素之一。相位連續(xù)控制液晶的可變相位延遲器(LCVR)具備了低驅(qū)動(dòng)電壓、無機(jī)械旋轉(zhuǎn)、快速響應(yīng)、小體積等優(yōu)勢(shì)[4-7]。然而，由于技術(shù)上的局限性，LCVR的性能通用性較差，環(huán)境溫度對(duì)其性能有明顯的影響，這限制了其在精密光學(xué)偏振測(cè)量中的應(yīng)用。為了突破這一限制，LCVR的光電特性，特別是對(duì)特征軸的方位角和相位延遲譜的在線精確標(biāo)定，一直是偏振測(cè)量方法[8-10]的重要內(nèi)容。 目前，LCVR光電特性的測(cè)試方法可分為：① 通過偏振測(cè)試儀器對(duì)LCVR的光電特性進(jìn)行測(cè)試，該方法取決于測(cè)試儀器的性能，測(cè)量誤差將直接進(jìn)入LCVR[11-13]的測(cè)試系統(tǒng)中；此外，在測(cè)試完成后，LCVR需要重新安裝到它的應(yīng)用系統(tǒng)中，這不可避免地引入了二次裝配錯(cuò)誤，使得錯(cuò)誤分析更加復(fù)雜。② 通過LCVR的在線自我檢測(cè)系統(tǒng)，利用LCVR集成測(cè)試系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)來構(gòu)建的；通過對(duì)LCVR的調(diào)制規(guī)則和最終輸出強(qiáng)度的分析，計(jì)算LCVR的光電特性；這種基于LCVR的應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試方法，在不需要拆裝的情況下進(jìn)行測(cè)試，避免重復(fù)安裝錯(cuò)誤，同時(shí)，在應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試過程中，簡(jiǎn)化了LCVR校準(zhǔn)過程[14-15]。但是，現(xiàn)有的測(cè)試方法通常涉及多臺(tái)設(shè)備，甚至需要旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，在這一點(diǎn)上，測(cè)量結(jié)果要考慮其自身的缺陷、旋轉(zhuǎn)和裝配誤差因素，如精度、誤差分析更為復(fù)雜[16]。 基于上述背景，本文提出了一種基于單偏振鏡的新方法，設(shè)計(jì)的模型可以快速計(jì)算出LCVR的方位角和相位延遲值。為了驗(yàn)證該方法的有效性，建立了LCVR的光電特性測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該測(cè)量方法使用兩種偏振器件，即線性偏振器和LCVR。鹵鎢光源準(zhǔn)直后的射線進(jìn)入分束器,反射的光經(jīng)分束器事件線性偏振鏡和LCVR,平面鏡反射后由LCVR和線性偏振鏡進(jìn)行分束,分束器的透射光強(qiáng)度信號(hào)由采集的光譜探測(cè)器和傳送到計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制電壓LCVR，LCVR的旋轉(zhuǎn)角度則由轉(zhuǎn)盤控制。

圖1 液晶相位延遲器光電特性測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2 方位角的實(shí)驗(yàn)分析與討論

方位角的實(shí)驗(yàn)測(cè)量目標(biāo)是方位角45°條件下不同波長(zhǎng)下的LCV。考慮了在不同波長(zhǎng)誤差和裝配誤差下的LCVR方位角，利用上述的在線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)角的角度進(jìn)行測(cè)量。陣列檢測(cè)器采用測(cè)試全光譜的光譜儀，它的波長(zhǎng)分辨率為4～7 mm，因此可以用光譜波長(zhǎng)的一對(duì)一實(shí)現(xiàn)檢測(cè)像素，進(jìn)而得到了波長(zhǎng)的光強(qiáng)度信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為L(zhǎng)CVR方位角約45°時(shí)，650 nm光強(qiáng)隨電壓變化曲線；(b)為2.64 V，650 nm光強(qiáng)隨LCVR方位角(旋轉(zhuǎn)臺(tái))變化曲線；(c)5波長(zhǎng)、4溫度測(cè)試LCVR，方位角45°對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)角度。由圖2(a)可以看出，電壓和延遲值呈非線性關(guān)系,LCVR方位角隨電壓變化是緩慢的, 由圖2(b)可以得出，光的強(qiáng)度波谷對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度, 單向重復(fù)實(shí)驗(yàn)使用轉(zhuǎn)臺(tái)最小增量運(yùn)動(dòng)是0.025，測(cè)試角度步長(zhǎng)0.04。圖2(c)表明了溫度和轉(zhuǎn)盤的微妙變化對(duì)方位角影響較為明顯，造成這種原因是每個(gè)波長(zhǎng)的最小光強(qiáng)度的測(cè)試電壓是不同的，不同電壓下的液晶分子的軸向方位是不同的。

3 相位的實(shí)驗(yàn)分析與討論

LCVR通常被認(rèn)為是軸向方位持續(xù)和相位延遲的理想偏振裝置。下面對(duì)相位進(jìn)行分析，考慮到在線快速測(cè)試的目的，采用LCVR固定方位角，波長(zhǎng)采用650、700、750和800 nm的旋轉(zhuǎn)角，與平均LCVR方位角45°相對(duì)應(yīng)。在上述情況下，對(duì)LCVR進(jìn)行了一系列的電壓分析，并收集了相應(yīng)電壓的光強(qiáng)度譜，測(cè)試結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：當(dāng)電壓小于閥值(約0.55 V)時(shí)，液晶分子基本上沒有偏轉(zhuǎn)，因此此時(shí)每個(gè)波長(zhǎng)的相位延遲不變；當(dāng)電壓大于閾值電壓,相位隨著電壓的增加延遲值開始下降；電壓大于3.5 V左右是電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力平衡了液晶分子的復(fù)位力,因此相位延遲的變化值往往是緩慢的。上述結(jié)果表明，同樣的電壓，波長(zhǎng)越短，相位延遲值越大；且測(cè)試系統(tǒng)的LCVR每個(gè)波長(zhǎng)的延遲值均大于零。

圖3 不同電壓、波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的延遲值

圖4分別為(a)相位延遲均值；(b)標(biāo)準(zhǔn)差；(c)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，這組結(jié)果是測(cè)試系統(tǒng)的重要參數(shù)。誤差結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠通過電壓控制液晶分子的折射率來實(shí)現(xiàn)對(duì)光的相位延遲，然而液晶分子是雪茄形狀的，其折射率會(huì)隨電壓的改變而變化。當(dāng)不加電壓時(shí)，液晶分子平躺在與玻璃板平行的方向；加上電壓時(shí)，液晶分子開始“站立起來”。當(dāng)電壓足夠的時(shí)候，液晶分子可以旋轉(zhuǎn)到與玻璃板垂直的方向。從圖4依然能夠可以看出：采用最小二乘擬合的光強(qiáng)度和相應(yīng)的LCVR方位，可獲得該電壓的三角值；通過這種方式，可以測(cè)量該電壓的LCVR方位和絕對(duì)值，但測(cè)量的絕對(duì)值也需要不可折疊。文中采用的這種方法需要很長(zhǎng)時(shí)間來測(cè)量光源的穩(wěn)定性、設(shè)備的旋轉(zhuǎn)精度和旋轉(zhuǎn)光束的旋轉(zhuǎn)角度等，不是特別適合快速測(cè)量的目的。

圖4 (a) 相位延遲均值； (b) 標(biāo)準(zhǔn)差； (c) 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié) 語

文中提出了一種基于單偏振器的方法來測(cè)量液晶的光電特性。該方法采用線性偏光器和平面反射器，在線性偏光器的條件下，通過對(duì)光強(qiáng)度的改變，得出了系統(tǒng)LCVR特征軸向方位和相位延遲值實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的測(cè)試結(jié)構(gòu)、相位延遲的測(cè)量過程不需要旋轉(zhuǎn)裝置，以及對(duì)寬帶相位延遲頻譜的快速訪問。