消色差偏振旋轉器

楊艷靈，張 弛，郭玉強，孫 巖，李小帥，劉寧寧，馬紅梅，孫玉寶

(河北工業大學 應用物理系，天津 300401)

1 引 言

消色差偏振旋轉器是一種可以控制光的偏振狀態的光學元件，在光學測量、液晶顯示、光通信、光譜偏振成像等[1-3]方面有著廣泛的應用，因此對消色差偏振旋轉器的研究有著重要意義。

目前為止，人們提出了許多關于偏振旋轉器的設計方法，文獻[4-5]中提出了由一個TN盒和兩個單軸補償膜組成的消色差偏振光開關，帶寬較寬，但這種設計存在較為嚴重的漏光現象；文獻[6]提出由兩個均勻盒和一個TN盒組成的消色差偏振旋轉器，但帶寬不夠寬；文獻[7-8]提出的結構雖然可以達到較好的消色差效果，但在參數設置上比較復雜，變量較多。針對之前人們提出的偏振旋轉器存在的問題，在本文中我們提出了兩種結構的消色差偏振旋轉器， 一種由4片波片組成，透過率可以達到99.82%以上，漏光率低于0.12%；用4個平行液晶盒代替四波片，組成的偏振旋轉器消色差性能良好，對比度高于800；另一種由6片波片以一定的方位角組合而成，在可見光范圍內的透過率可以達到99.8%～99.95%；偏振片平行放置時，漏光率低于0.15%。當波片厚度在一定范圍內變化時，偏振旋轉器的消色差性能不受影響。

2 理論分析

波片是一種光學各向異性材料[9-12]，偏振光的兩垂直振動分量通過波片后會產生不同的相位延遲，從而改變偏振態。幾個具有一定方位角的波片疊加可以用作偏振旋轉器，如圖1所示。

其中：

(a)

(b)圖1 偏振旋轉器的結構和原理。(a)結構；(b)角度。Fig.1 Structure and principle of polarization rotator. (a) structure； (b) orientation angles.

3 模擬計算與分析

計算中波片的雙折射率為Δn=0.108(450 nm), 0.1(550 nm)，0.095(650 nm)。我們首先用TechWiz LCD 1D軟件模擬了一片半波片的偏振旋轉特性，設置半波片光軸的方位角為45°，計算不同厚度波片在可見光范圍內的透過率，如圖2所示。

可以看出一個半波片僅能在500～550 nm之間達到較高的透過率，帶寬較窄，在可見光范圍內，透過率僅能達到40%以上，不能實現在可見光范圍內消色差的目的。因此，接下來計算了兩片波片組成的偏振旋轉器的消色差效果，兩個波片的方位角分別為23°和67°。結果如圖3所示，在可見光范圍內，透過率可以達到70%以上，帶寬相對一片波片的旋轉器來說較寬，說明波片疊加可以提高在寬波帶范圍內的透過率。根據這一特點，在本文中提出了兩種結構的偏振旋轉器。

圖2 一片半波片的透過率Fig.2 Transmittance of a half-wave plate

圖3 兩片波片的透過率Fig.3 Transmittance of two wave plates

4 兩種結構的消色差偏振旋轉器

單個波片的相位延遲等光學特性表現出嚴重的色散特性，難以適用于寬波段，而由多個單波片按照光軸成不同夾角組合而成的偏振旋轉器能夠補償波長變化導致的光學特性的偏差，從而達到消色差的目的。在更多層波片結構情況下，需要對波片的厚度和光軸角度進行優選，考慮到每個波片包含兩個可變參數，在優化過程中會產生海量的數據，因此根據經驗和實際情況來進行初步的設置：(1)波片的厚度設置為相同厚度，符合生產制作的實際，在優化計算中可以減少波片數的變量；(2)上下對應波片的光軸角度互余，則可以減少波片數一半的變量。然后將所有變量設置在合適的范圍內，逐一計算出透過率光譜，并進行透過率平均計算，來得到最優的參數組合。

4.1 四波片式偏振旋轉器

由4個厚度相同的波片組成的消色差偏振旋轉器的結構如圖4所示，經過角度優化計算，得到波片的方位角從上到下分別為82°，60°，30°，8°時，該偏振旋轉器具有最好的偏振旋轉效果。入射偏振片光軸沿X軸方向，入射線偏振光經過4個波片后旋轉了90°,當檢偏器與起偏器正交放置時，光線透過；當檢偏器與起偏器平行放置時，光線不透過。圖5、6是檢偏器與起偏器透光軸正交和平行時，偏振旋轉器的透射光譜圖。

圖4 四波片組成的偏振旋轉器Fig.4 Polarization rotator consisting of four wave plates

圖5 正交偏光片時的透射光譜Fig.5 Transmittance spectra for crossed polarizers

圖5中黑線、紅線、藍線和綠線分別代表4個波片厚度都為2.2，2.3，2.4，2.5 μm，偏振片正交放置時的透過率曲線，在可見光范圍內透過率在99.75%～99.93%之間。圖6是偏振片平行放置時的透過率曲線，可以看出，當波片的厚度在2.2～2.5 μm之間變化時，透過率低于 0.15%，漏光率較低。

因此通過模擬計算，可以看出這種四波片式偏振旋轉器當波片厚度在2.2～2.5 μm之間時，透過率不受影響，并且可見光范圍內的透過率波動范圍較小，消色差性能良好。

圖6 平行偏光片時的透射光譜(平行偏振片)Fig.6 Transmittance spectra for parallel polarizers

4.2 四平行液晶盒式偏振旋轉器

由液晶盒組成的偏振旋轉器是通過施加電壓來控制液晶分子指向矢分布，從而在不移動偏振片的情況下達到控制偏振光的偏振方向的目的。使用液晶盒代替波片，液晶光軸角度與上述偏振旋轉器中的波片相同，液晶分子的預傾角設置為2°，液晶盒厚度為2.3 μm。液晶材料的雙折射率為Δn=0.108(450 nm), 0.1(550 nm)，0.095(650 nm)，液晶的介電各向異性為5.3，彈性常數為10.8，9.5，15.4 pN，轉動粘滯系數為100 mPa·s。當不加電壓時，入射線偏振光通過器件后光線轉過90°，理想透過率為0，當施加電壓后，液晶分子垂直于液晶盒基板排列，入射偏振光的狀態不發生改變，理想透過率為1.0。但是在模擬計算中，由于驅動而增加的ITO薄膜對光有吸收效應，以及更多界面的反射和薄膜干涉效應，使得透過率不能達到1.0。

圖7 平行液晶盒的電光特性Fig.7 Electro-optical properties of a rotator composed of parallel liquid crystal cells

圖8 平行盒結構的消色差偏振旋轉器的響應時間Fig.8 Response time of achromatic polarization rotator with parallel LC cells

圖9 平行盒結構旋轉器的透過率(驅動&未驅動)Fig.9 Transmittance of the parallel cells (with and without driving)

首先模擬了這種液晶盒的電光特性，如圖7所示，當電壓在12 V以上時，透過率接近穩定。所以在后面計算響應時間和驅動狀態下的透過率時，為了達到更好的效果，我們對這種結構的偏振旋轉器施加20 V的電壓，響應過程如圖8所示，上升時間大約為0.189 ms,下降時間大約為3.39 ms。

在不加電壓的情況下，在可見光范圍內的透過率低于0.12%，如圖9紅色實線所示。加20 V電壓后，液晶分子指向矢沿著垂直于液晶盒基板的方向排列，此時液晶的雙折射為0，偏振片平行放置，光線透過，如圖9黑線所示，透過率在95.75%～98.5%之間，由于這種驅動型的偏振旋轉器在每個液晶盒兩側添加了ITO層，而ITO界面之間具有反射和薄膜干涉效應，因此驅動狀態下的透過率會低于100%，在短波段范圍，由于材料對光的吸收比較強，所以，透過率隨波長增加呈現逐漸上升的趨勢。對比度為驅動狀態的透過率與未驅動狀態下透過率的比值，如圖10所示，在可見光范圍內最低對比度為800，對比度較高。

圖10 平行盒結構旋轉器的對比度Fig.10 Contrast of a rotator composed of parallel liquid crystal cells

4.3 六波片式偏振旋轉器

六片波片式消色差偏振旋轉器結構如圖11所示，在兩個偏振片中間放置6片波片，入射偏振光沿X軸方向。經過對波片的厚度和光軸角度的優化計算， 波片的方位角從下到上分別為3°，13°，33°，57°，77°，87°。如圖12所示，當波片厚度為1.8，1.9，2.0 μm時，偏振片正交放置，透過率在99.79%～99.95%之間。當偏振片平行放置時，透過率如圖13所示，漏光率低于0.12%，消色差性能良好。

圖11 6片波片組成的偏振旋轉器Fig.11 Polarization rotator consisting of six wave plates

圖12 正交偏光片時的透射光譜Fig.12 Transmittance spectra for crossed polarizers

圖13 平行偏光片時的透射光譜Fig.13 Transmittance spectra for parallel polarizers

5 結 論

本文對由波片組成的偏振旋轉器的消色差性能進行了模擬計算，通過改變波片的厚度和方位角度，得到效果較好的設置方式，由4個波片組成的偏振旋轉器，最低透過率在99.75%以上，漏光率低于0.15%；并對由液晶盒代替波片組成的偏振旋轉器進行了模擬計算，其消色差性能良好，對比度高于800；6片式偏振旋轉器的透過率可達到99.8%以上，漏光率低于0.12%。在這兩種結構中，波片的厚度都可以在一定范圍內變化，而不影響透過率；考慮到波片實際貼合過程中存在的角度誤差，這兩種優化結果中的波片光軸角度在偏差1°以內，對光譜影響都很小。這種消色差性能較好的偏振旋轉器在顯示方面有著重要的應用；在光通信中，可以降低串擾值；在偏振光譜成像中可以實現良好的光譜均勻性。