液晶光隔離器的研究

宋師霞 柯莎 李亞亞

摘要：信息技術和光通信技術中，光隔離器使用非常普遍，通常采用的光隔離器多為磁旋光材料制作，但它缺乏可調性。近年來對液晶材料物理性能的深入研究表明，液晶在場的作用下有良好的旋光性，而且可調，為制作光隔離器提供了有利的保證，本文利用Jones矩陣分析了液晶的旋光效應，通過推導得出了液晶盒用于光隔離器的Jones矩陣。測試了液晶旋光的非互易性，對制做液晶光隔離器提供了依據;分析了液晶的電控效應，通過控制加在液晶盒上的電壓，即可控制光譜帶寬，又可控制液晶的旋光效應。

關鍵詞：液晶;光隔離器;矩陣;旋光

1 緒論

典型的光隔離器基本結構如圖（1）。旋轉器的法拉第旋轉方向僅由磁場方向決定，而與光的傳播方向無關。一束線偏光通過旋轉器，其振動面將沿順（逆）時針旋轉ψ角;當反射光再次通過旋轉器，其振動面將沿同一方向再轉過ψ角，即光束一正一反兩次通過旋轉器，振動面的最終位置對初始位置轉過了2ψ，對于理想的光隔離器用法拉第旋轉器，其ψ=45°。設從起偏器出射的線偏振光電矢量與起偏器的主透偏方向平行，通過旋轉器后其振動面旋轉45°（檢偏器的主透偏方向與起偏器成45°角），恰好通過檢偏器。如果光被反射，反向通過旋轉器后，其振動面共轉過90°，正好與起偏器的主透偏方向垂直而被隔斷[1]。

2 液晶旋光效應的理論分析

由于液晶具有旋光效應[2，3，]，當一束偏振光經過液晶盒后，其出射光的偏振方向將旋轉一個角度，這樣就可以用液晶盒代替磁旋光晶體制成光隔離器（如圖2）。

沿與液晶表面正交的Z軸，把液晶均勻的分成若干薄層，每個薄層可以看作一個單軸晶片。每個這樣的薄層可以看成一個單軸晶片，因為液晶分子的長軸取向相同。如果Z軸發生變化，光軸就會隨分子長軸發生旋轉，形成扭曲型各向異性介質。在線性扭曲向列型液晶中，假設光軸的方位是ψ，則ψ和Z是線型函數：ψ=αz。

3 液晶旋光非互易性的實驗測試

本實驗所用實驗裝置如圖3所示。液晶盒為BL-009型向列相液晶，光源為1350nm紅外激光器，室內溫20攝氏度。首先調整好光路，使入射光能到達探測器，然后旋轉檢偏器等探測器讀數為最小值時，記下探測器讀數，同時記下測角儀讀數。測出透射的光強度在不同磁場下的大小、測出光軸旋轉角在不同磁場下的大小;最后，把入射光的方向改為反向，測出透射的光強度在不同磁場下的大小、測出光軸旋轉角在不同磁場下的大小，作出透射比與磁場的關系和旋光角與磁場的關系曲線圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以得出，開始時，最小透射光強和光軸的旋轉角幾乎沒有變化，當磁場強度超過閾值磁場時，透射光強與旋轉角隨著磁場強度的增大而變化。這說明液晶的光軸發生了旋轉。圖中a是入射光沿正向時的曲線，b是入射光反方向時的曲線，兩種曲線基本重合，由此看出液晶光軸的旋轉角度與入射光的入射方向無關。一束偏振光經過液晶盒后，偏振面與旋轉了一個角度，當光被反射后，再次通過液晶盒，其偏振面沿同一方向繼續旋轉同樣的角度，旋轉角加倍。這種現象可以看作液晶旋光非互異性。當通過調整磁場強度大小，使液晶的旋光角為45°，就可以制成液晶光隔離器[8]。

4 討論

光隔離器的核心器件是具有非互易性的旋光器，由于液晶具有旋光作用和非互易性，且液晶的旋光作用可以用外加磁場和電壓來控制，這樣就能很方便的調整旋光角的大小。由于液晶的閾值電壓很低（一般在0.8伏），稍微改變電壓大小就有很明顯的調控作用，所以利用電壓控制旋光就會更加容易。同時，由于液晶具有電控濾波作用[4，5]，液晶盒代替法拉第旋轉器，制成液晶光隔離器，可提高光隔離器的精度。通過調整加在液晶盒兩端的電壓，可很方便的制做寬帶光隔離器和窄帶光隔離器。

參考文獻：

[1]李國華，代作曉.光隔離器用法拉第旋轉器的Mueller矩陣形式[J].光電子·激光，1997，8（4）：275277.

[2]任廣軍，李國華.液晶磁控效應的Jones 矩陣研究[J].液晶與顯示，2003，18（5）：357361.

[3]宋菲君.近代光學信息處理[M].北京：北京大學出版社，1999.

[4]龐巖濤，李國華，等.液晶調諧濾光片的設計[J].液晶與顯示，2000，15（3）：192195.

[5]王寧，李國華，云茂金.液晶電控雙折射特性的研究[J].中國激光，2002，29（10）：10641066.

[6]任廣軍，王鵬，張強，等.液晶磁致旋光的研究[J].物理學報，20072，56：994998.

[7]漆明春.液晶電控波片的光電特性研究及其應用[D].四川：電子科技大學，2014.

[8]任廣軍.液晶的磁控偏振特性研究[D].曲阜師范大學，2004.

基金項目：銀川能源學院科學研究項目（2016KYY25）

作者簡介：宋師霞（1981），女，山東人，碩士，主要從事物理學研究。