趙春芳, 賈明輝

(1. 包頭鐵道職業(yè)技術學院， 內蒙古 包頭 014040； 2. 內蒙古民族大學 數(shù)學學院， 內蒙古 通遼 028000)

0 引 言

當前光學偏振在微納領域已經(jīng)有了廣泛的應用，其中光束偏振狀態(tài)是可控調制[1-3]的基礎。因此，偏振調制器的性能是保證高精度測量的關鍵因素之一。相位連續(xù)控制液晶的可變相位延遲器(LCVR)具備了低驅動電壓、無機械旋轉、快速響應、小體積等優(yōu)勢[4-7]。然而，由于技術上的局限性，LCVR的性能通用性較差，環(huán)境溫度對其性能有明顯的影響，這限制了其在精密光學偏振測量中的應用。為了突破這一限制，LCVR的光電特性，特別是對特征軸的方位角和相位延遲譜的在線精確標定，一直是偏振測量方法[8-10]的重要內容。 目前，LCVR光電特性的測試方法可分為：① 通過偏振測試儀器對LCVR的光電特性進行測試，該方法取決于測試儀器的性能，測量誤差將直接進入LCVR[11-13]的測試系統(tǒng)中；此外，在測試完成后，LCVR需要重新安裝到它的應用系統(tǒng)中，這不可避免地引入了二次裝配錯誤，使得錯誤分析更加復雜。② 通過LCVR的在線自我檢測系統(tǒng)，利用LCVR集成測試系統(tǒng)的部分結構來構建的；通過對LCVR的調制規(guī)則和最終輸出強度的分析，計算LCVR的光電特性；這種基于LCVR的應用系統(tǒng)的測試方法，在不需要拆裝的情況下進行測試，避免重復安裝錯誤，同時，在應用系統(tǒng)調試過程中，簡化了LCVR校準過程[14-15]。但是，現(xiàn)有的測試方法通常涉及多臺設備，甚至需要旋轉機械設備進行測試，在這一點上，測量結果要考慮其自身的缺陷、旋轉和裝配誤差因素，如精度、誤差分析更為復雜[16]。 基于上述背景，本文提出了一種基于單偏振鏡的新方法，設計的模型可以快速計算出LCVR的方位角和相位延遲值。為了驗證該方法的有效性，建立了LCVR的光電特性測試系統(tǒng)，并進行了相關的實驗和分析。

1 系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該測量方法使用兩種偏振器件，即線性偏振器和LCVR。鹵鎢光源準直后的射線進入分束器,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和線性偏振鏡進行分束,分束器的透射光強度信號由采集的光譜探測器和傳送到計算機,計算機數(shù)據(jù)處理和控制電壓LCVR，LCVR的旋轉角度則由轉盤控制。

圖1 液晶相位延遲器光電特性測試系統(tǒng)示意圖

2 方位角的實驗分析與討論

方位角的實驗測量目標是方位角45°條件下不同波長下的LCV?？紤]了在不同波長誤差和裝配誤差下的LCVR方位角，利用上述的在線測試系統(tǒng)對轉臺角的角度進行測量。陣列檢測器采用測試全光譜的光譜儀，它的波長分辨率為4～7 mm，因此可以用光譜波長的一對一實現(xiàn)檢測像素，進而得到了波長的光強度信息，實驗結果如圖2所示。圖2(a)為LCVR方位角約45°時，650 nm光強隨電壓變化曲線；(b)為2.64 V，650 nm光強隨LCVR方位角(旋轉臺)變化曲線；(c)5波長、4溫度測試LCVR，方位角45°對應的旋轉臺角度。由圖2(a)可以看出，電壓和延遲值呈非線性關系,LCVR方位角隨電壓變化是緩慢的, 由圖2(b)可以得出，光的強度波谷對應的旋轉角度, 單向重復實驗使用轉臺最小增量運動是0.025，測試角度步長0.04。圖2(c)表明了溫度和轉盤的微妙變化對方位角影響較為明顯，造成這種原因是每個波長的最小光強度的測試電壓是不同的，不同電壓下的液晶分子的軸向方位是不同的。

3 相位的實驗分析與討論

LCVR通常被認為是軸向方位持續(xù)和相位延遲的理想偏振裝置。下面對相位進行分析，考慮到在線快速測試的目的，采用LCVR固定方位角，波長采用650、700、750和800 nm的旋轉角，與平均LCVR方位角45°相對應。在上述情況下，對LCVR進行了一系列的電壓分析，并收集了相應電壓的光強度譜，測試結果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：當電壓小于閥值(約0.55 V)時，液晶分子基本上沒有偏轉，因此此時每個波長的相位延遲不變；當電壓大于閾值電壓,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)生的電場力平衡了液晶分子的復位力,因此相位延遲的變化值往往是緩慢的。上述結果表明，同樣的電壓，波長越短，相位延遲值越大；且測試系統(tǒng)的LCVR每個波長的延遲值均大于零。

圖3 不同電壓、波長對應的延遲值

圖4分別為(a)相位延遲均值；(b)標準差；(c)相對標準差，這組結果是測試系統(tǒng)的重要參數(shù)。誤差結果表明：系統(tǒng)能夠通過電壓控制液晶分子的折射率來實現(xiàn)對光的相位延遲，然而液晶分子是雪茄形狀的，其折射率會隨電壓的改變而變化。當不加電壓時，液晶分子平躺在與玻璃板平行的方向；加上電壓時，液晶分子開始“站立起來”。當電壓足夠的時候，液晶分子可以旋轉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度和相應的LCVR方位，可獲得該電壓的三角值；通過這種方式，可以測量該電壓的LCVR方位和絕對值，但測量的絕對值也需要不可折疊。文中采用的這種方法需要很長時間來測量光源的穩(wěn)定性、設備的旋轉精度和旋轉光束的旋轉角度等，不是特別適合快速測量的目的。

圖4 (a) 相位延遲均值； (b) 標準差； (c) 相對標準差

4 結 語

文中提出了一種基于單偏振器的方法來測量液晶的光電特性。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，通過對光強度的改變，得出了系統(tǒng)LCVR特征軸向方位和相位延遲值實驗。結果表明：系統(tǒng)具有簡單的測試結構、相位延遲的測量過程不需要旋轉裝置，以及對寬帶相位延遲頻譜的快速訪問。