液晶光隔離器的研究

宋師霞 柯莎 李亞亞

摘要：信息技術(shù)和光通信技術(shù)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(diào)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(diào)，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(yīng)，通過推導(dǎo)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(jù);分析了液晶的電控效應(yīng)，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(yīng)。

關(guān)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(jié)構(gòu)如圖（1）。旋轉(zhuǎn)器的法拉第旋轉(zhuǎn)方向僅由磁場方向決定，而與光的傳播方向無關(guān)。一束線偏光通過旋轉(zhuǎn)器，其振動面將沿順（逆）時針旋轉(zhuǎn)ψ角;當(dāng)反射光再次通過旋轉(zhuǎn)器，其振動面將沿同一方向再轉(zhuǎn)過ψ角，即光束一正一反兩次通過旋轉(zhuǎn)器，振動面的最終位置對初始位置轉(zhuǎn)過了2ψ，對于理想的光隔離器用法拉第旋轉(zhuǎn)器，其ψ=45°。設(shè)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(zhuǎn)器后其振動面旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器后，其振動面共轉(zhuǎn)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(yīng)的理論分析

由于液晶具有旋光效應(yīng)[2，3，]，當(dāng)一束偏振光經(jīng)過液晶盒后，其出射光的偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)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?yàn)橐壕Х肿拥拈L軸取向相同。如果Z軸發(fā)生變化，光軸就會隨分子長軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成扭曲型各向異性介質(zhì)。在線性扭曲向列型液晶中，假設(shè)光軸的方位是ψ，則ψ和Z是線型函數(shù)：ψ=αz。

3 液晶旋光非互易性的實(shí)驗(yàn)測試

本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)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(nèi)溫20攝氏度。首先調(diào)整好光路，使入射光能到達(dá)探測器，然后旋轉(zhuǎn)檢偏器等探測器讀數(shù)為最小值時，記下探測器讀數(shù)，同時記下測角儀讀數(shù)。測出透射的光強(qiáng)度在不同磁場下的大小、測出光軸旋轉(zhuǎn)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(qiáng)度在不同磁場下的大小、測出光軸旋轉(zhuǎn)角在不同磁場下的大小，作出透射比與磁場的關(guān)系和旋光角與磁場的關(guān)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(qiáng)和光軸的旋轉(zhuǎn)角幾乎沒有變化，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過閾值磁場時，透射光強(qiáng)與旋轉(zhuǎn)角隨著磁場強(qiáng)度的增大而變化。這說明液晶的光軸發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)角度與入射光的入射方向無關(guān)。一束偏振光經(jīng)過液晶盒后，偏振面與旋轉(zhuǎn)了一個角度，當(dāng)光被反射后，再次通過液晶盒，其偏振面沿同一方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)同樣的角度，旋轉(zhuǎn)角加倍。這種現(xiàn)象可以看作液晶旋光非互異性。當(dāng)通過調(diào)整磁場強(qiáng)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)器，制成液晶光隔離器，可提高光隔離器的精度。通過調(diào)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。

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基金項(xiàng)目：銀川能源學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（2016KYY25）

作者簡介：宋師霞（1981），女，山東人，碩士，主要從事物理學(xué)研究。