液晶技術在的光束控制系統中的應用

關秀麗

GUAN Xiu-li

（長春大學 電子信息工程學院，長春 130022）

0 引言

在飛機對地面的光通信系統中，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發生變化，因此光束控制技術就成為關鍵的系統技術之一，它將直接影響到系統的誤碼率。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，對入射的激光能量進行實時控制，使光探測器接收到的激光能量保持穩定，才能提高系統通信質量，降低誤碼率，實現高信噪比的激光信號探測，整個大氣通信系統才能實現高效可靠的信息傳輸[1]。

本文采用了基于液晶的空間光調制技術對光束進行控制。文中對液晶空間光調制器的工作原理以及光束控制系統進行了深入研究。采用液晶裝置取代傳統的衰減片，擬將液晶作為一種動態可調的光強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，實現實時、動態光強控制，從而達到高精度、快速的光束控制作用。

液晶空間光束調制器的結構如圖1所示[2]，它由兩片偏振片夾一液晶顯示層構成。現在最通行的電尋址液晶空間光調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制器能方便地與計算機接口，在設定的光學調制模式下，實現相應的單元像素的振幅或相位的調制[6]。

圖1 液晶空間光調制器的結構圖

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

根據瓊斯矩陣分析方法和液晶分子的構造特性，導出的液晶分子的Lu-Saleh模型為：由扭曲向列(TN)液晶分子構造的液晶空間光調制器。設液晶分子的長軸與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型液晶光強調制原理如下[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時的起始電壓，即閾值；v0為液晶分子偏轉達到49.6o時的電壓；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(實際是改變相應輸入圖像的灰度值，因圖像的灰度值與ne或β值有單值對應性)。

圖2為液晶光束控制原理框圖。信標光經過大氣傳播，入射到起偏器后形成線偏振光，光波通過液晶光調制器后光強發生衰減，衰減了的光波信號由CA-D1相機捕獲，進行處理和分析后生成數字量信號。生成的數字信號通過LVDS接口，送入光強檢測系統測出衰減后的信標光光波強度。調整加在液晶光調制器上的外加電壓，就可實現對衰減的光強的補償效應[5]。

起偏器 液晶光調制器 檢偏器 通信光路 激光接收CA-D1相機

圖2 液晶光束控制原理框圖

1 液晶光束控制實驗及數據分析

為了能在實驗室完成液晶光束控制實驗，設計了如下的以932液晶光控系統為核心，結合CCD采集及計算機組成的實時、可調控的激光光束空間整形實驗系統，如圖3所示。

圖3 基于液晶的光強自適應控制實驗原理框圖

圖4 電壓-透過率對應曲線

圖5 電壓-光斑平均能量對應曲線

在實驗室內，采用810nm半導體激光，經發射裝置變成平行光，經過起偏器然后出射，在信標光路中加入液晶光調制器，對入射的信標激光能量進行閉環控制，由CA-D1相機對激光進行成像，保證激光光斑成像大小為3×3像元，并由激光功率計探測激光光束能量。通過改變液晶控制系統上所加的電壓值實現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）及光斑平均強度與電壓的變化關系[4]。

2 結論

實驗結果表明，在大氣激光通信系統中，采用液晶空間光調制器進行激光光束的實時整形，可方便地對光束能量進行動態實時控制采集、存儲與處理，從而實現對光束的實時控制，獲得所需形狀的近場光束。可見，液晶光束控制技術在激光系統前級的光束整形中具有重要的應用前景。

[1]李宏生.湍流對大氣中傳輸激光束的影響[D].長春:長春理工大學學報,2002.

[2]朱成禹.電尋址空間光調制技術的研究[D].長春:長春光機所,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.基于液晶光閥的數字仿真目標研究[J].微計算機信息,2008,8-1:25-30.