一种基于液晶显示原理的光控光开关的制作方法

1.本实用新型属于液晶类光调制器件领域，尤其涉及一种基于液晶显示原理的光控光开关。


背景技术：

2.随着科技的发展，光
‑
电和电
‑
光效应被用于制造各类光电器件。如在电寻址空间光调制器中引入一层光敏介质后可以把该器件改造成光寻址空间光调制器，这一处理把光信息处理领域的电
‑
光接口器件改造成光控光接口器件。
3.通常，只利用一种效应实现光调控时会事倍功半，如非线性材料中的自聚焦效应通常要强激光条件下才能实现；但是在一些材料上外加电压后，弱光也能产生自聚焦效应。虽然利用电光效应制造的器件具有优异的性能，但是电光效应的引入会制约器件的响应速度。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于液晶显示原理的光控光开关。
5.本实用新型是通过如下技术方案来实现的：
6.基于液晶显示原理的光控光开关，其特征在于，起偏器、液晶盒、检偏器、滤波片依次共轴排列；
7.采用斜入射控制光取代电压来调控所述液晶盒液晶分子排列；
8.所述液晶盒边界处液晶分子长轴沿z轴排列；
9.实验选择所述控制光的光波长和所述信号光的光波长要不一样；
10.采用所述滤波片滤掉出射端的所述控制光；
11.本实用新型的有益效果：本实用新型通过巧妙的借助所述起偏器和所述检偏器以及所述控制光，在所述液晶盒中液晶分子的光取向效应理论上实现了光
‑
光调控，能够提升器件的响应速度。
附图说明
12.图1为实用新型侧面图；
13.图2为控制光功率不同时液晶分子取向角δθ分布图；
14.图3为出射光位相差δ随控制光的光强变化图；
15.图4透射光的光强随控制光的光强变化图；
具体实施方式
16.以下将结合本实用新型专利附图，对本实用新型专利实施方式进行清楚完整的描述。以下描述只是本专利其中一种实例，而非全部实例。具体保护范围以权利要求为准。
17.实用新型侧面图如图1所示，该实用新型由起偏器(1)、检偏器(3)、液晶盒(2)、以
及滤波片(4)构成，信号光沿z轴传输，所述控制光(5)在x
‑
z平面传输且与z轴夹角为λ，所述液晶盒(2)边界处液晶分子长轴沿z轴排列，所述信号光沿方向传输如图1所示，控制光(5) 沿方向传输如图1所示；分别表示所述信号光和控制光(5)的电矢量强度。
18.在上述条件下，所述信号光为自然光，光源发出的所述信号光经过所述起偏器(1)后，变为沿起偏器(1)透光方向振动的线偏振光。所述线偏振光进入所述液晶盒(2)后，在图1中的 a点(虚线圆圈)处分解为振动方向互相垂直的两束线偏振光，其中一束为寻常光(沿y轴方向振动)，另外一束为非寻常光(沿x轴方向振动)。此处用到晶体光学的原理：线偏振光进入单轴晶体后发生双折射分解为寻常光和非寻常光，其中寻常光振动方向(y轴方向)垂直于主截面(x
‑
z平面)，所述非寻常光振动方向(x轴方向)平行于主截面。此时，所述寻常光的折射率可以表示为：
[0019][0020]
其中，n
e
(θ＝0)＝n
||
和n
o
＝n
⊥
分别表示所述非寻常光和所述寻常光的主折射率。
[0021]
在该条件下，根据琼斯矩阵的原理，所述入射光可以写为：
[0022][0023]
所述起偏器(1)透光方向与x轴夹角为α，所述检偏器(2)透光方向与x轴夹角为β。在直角坐标系，下起偏器(1)的琼斯矩阵为：
[0024][0025]
检偏器(2)的琼斯矩阵为：
[0026][0027]
当所述液晶盒(2)中液晶分子长轴方向与x轴夹角为θ，所述信号光进入液晶盒(2)中液晶层后分解为所述寻常光和所述非寻常光，在液晶盒(2)的液晶中传输时它们的振动方向始终保持不变。由于这两种光在液晶盒(2)的液晶中的折射率不同，穿过液晶盒(2)中液晶层后会产生相位差δ。根据琼斯矩阵原理，所述信号光穿过液晶盒(2)中液晶层的过程可以用下述矩阵描述：
[0028][0029]
其中δ为所述信号光穿过所述液晶盒(2)中液晶层时所述寻常光和所述非寻常光的位相差：
[0030][0031]
(1
‑
6)式中λ0表示光在真空中的波长，l表示所述液晶盒(2)中液晶层的厚度(左右)，n
e
(θ)表示所述非寻常光的折射率(它与液晶分子的取向角δθ有关)，n
o
表示所述寻常光的折射率。根据上述分析，出射光的琼斯向量可表示为：
[0032]
[0033]
此时，所述出射光的强可以表示为：
[0034]
i
out
＝|a
out
|2 |b
out
|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
8) 当所述入射信号光束的琼斯向量e
in
、所述起偏器(1)对应的矩阵p1、所述液晶盒(2)中液晶层对应的矩阵g和所述检偏器(3)对应的矩阵p2均已知时，根据(1
‑
7)和(1
‑
8)式可以得到出射光强。通常，液晶盒(2)装置给定后，e
in
、p1和p2是一些固定不变的向量或矩阵。在这个条件下，计算所述出射光强时需要计算液晶盒(2)中液晶层的传输矩阵g。从公式(1
‑
5)可以看出为了得到矩阵g，需要计算所述非寻常光和所述寻常光通过液晶盒(2)液晶层时产生的位相差δ。当环境温度和液晶盒(2)中液晶层厚度(左右厚度)给定时，通过计算液晶盒(2)中液晶分子取向角δθ后再根据公式(1
‑
6)可以得到位相差δ。在这个思想指导下，我们将利用所述斜入射控制光束(5)取代外加电压来调控液晶盒(2)中液晶分子的取向角δθ实现对垂直于液晶盒(2)表面入射信号光透射光强的调制。
[0035]
当所述控制光(5)传输方向与z轴夹角为时，所述液晶盒(2)中液晶材料的非线性系数最大。此时，小功率的控制光(5)就能使液晶盒(2)中液晶分子发生重新排列。在控制光(5) 作用下，液晶盒(2)中液晶分子由z轴方向逆时针过角度δθ如图1所示。在展曲、扭曲和弯曲系数相等，入射端(a点)和出射端(b点)z轴坐标分别为0和l(见图1)，并在强锚定边界条件(边界处液晶分子不发生旋转，边界处液晶分子排列由边界处理决定，入射光几乎不能使液晶盒中边界处的液晶分子重新取向)下得：
[0036][0037]
其中k为展曲、扭曲和弯曲的弹性模量，是光频电场的各向异性系数，γ是所述控制光(5)和z轴的夹角，l是所述液晶盒(2)的厚度。在上述条件下，所述信号光通过液晶盒(2)中液晶层后的位相差δ可以通过积分或者沿z轴分成厚度为δz的薄层(设同层内分子取向角δθ相同)用求和计算表示为：
[0038][0039]
数值仿真时选择所述液晶盒(2)厚度l＝10μm，k＝1.5
×
10
‑7erg，n
o
＝1.55，n
e
＝1.74，所述信号光波长为λ1＝500nm，所述控制光(5)波长为λ2＝632.8nm，δε
rf
＝9.4、ε0＝8.9
×
10
‑
12
、所述起偏器(1)和所述检偏器(3)与x轴夹角分别为α＝45
°
和β＝ 45
°
，初始输入所述信号光振幅e0＝[2,2]
′
。
[0040]
在上述条件下，给出了所述控制光(5)光强分别为0.5mw/m2、1mw/m2、2mw/m2和4mw/m2时分子取向角δθ沿z轴的分布图如图2所示。从该图可以看出分子取向角δθ在所有所述入射信号光的光强下都呈高斯分布。其中所述液晶盒(2)边界的地方(z为0和l处) 液晶取向角δθ最小，液晶盒(2)中央位置分子取向角δθ最大。这是因为液晶盒(2)中边界处液晶分子排列受边界影响较大，液晶盒(2)中央位置受边界的影响相对较小。从该图还可以看出随着控制光(5)的光强增加，液晶盒(2)中央位置处液晶分子取向角δθ逐渐增大。当所述入射信号光的光强进一步增加时，液晶盒(2)中液晶分子取向角δθ接近沿着x轴排列。此后，随着所述入射信号光的光强的进一步增加，液晶盒(2)中液晶分子的取向角δθ不再增大。但是，公式(1
‑
9)给出的取向角δθ仍然随控制光(5)光强增加而增加。这是因为公式(1
‑
9)
是从数学原理推导出来的公式。需要从物理的角度对该公式修正,修正只需加上边界限定，具体范围可以从实验中测得。
[0041]
经过上述分析，所述斜入射的控制光(5)可以取代电场来使所述液晶盒(2)液晶分子重新取向。下面将利用上述所有公式分析所述控制光(5)对所述信号光传输的影响，其中液晶盒(2)中液晶分子长轴与x周的夹角图3给出了所述信号光穿过液晶盒(2)后的位相差δ随控制光(5)光强的变化曲线。从图中可以看出，位相差δδ随控制光(5)光强的增加单调递增。这是因为随着控制光(5)光强的增加液晶盒(2)内取向角δθ逐渐增大，最终导致所述非寻常光的折射率增大(θ减小)。因此，在其它条件不变时出射光的位相差δ将增大。为了描述的方便，图3中纵坐标是一个无量纲的量，横坐标控制光(5)光强单位是mw/m2。该现象和电场作用下信号光通过液晶盒(2)后的位相差变化趋势相反。这是因为电场使液晶盒(2)中液晶分子与x轴夹角θ增大，而控制光(5)使θ减小。
[0042]
图4给出了所述信号光束经过所述液晶盒(2)后的光强随所述控制光(5)光强变化曲线。从该图中可以看出，所述信号光的透射光强随控制光(5)光强的增大呈现出周期震荡。通过选择合适的控制光(5)的光强变化区间，可以得到所述信号光出射光强随控制光(5)的光强变化而变化的线性变化曲线。达到了全光控制目的，进而提升了器件的灵敏度。为了消除探测过程中控制光(5)对所述信号光的干扰，实验过程中选择控制光(5)的光波长和信号光的光波长是不一样的。在这个条件下，在末端采用所述滤波片(4)滤掉出射端的控制光(5)。
[0043]
以上所述，是本实用新型专利较佳的具体实施方式。但是本实用新型专利的保护范围不仅限于此，具体保护范围以权利要求为准。