消色差偏振旋轉(zhuǎn)器

楊艷靈，張 弛，郭玉強(qiáng)，孫 巖，李小帥，劉寧寧，馬紅梅，孫玉寶

(河北工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，天津 300401)

1 引 言

消色差偏振旋轉(zhuǎn)器是一種可以控制光的偏振狀態(tài)的光學(xué)元件，在光學(xué)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(yīng)用，因此對消色差偏振旋轉(zhuǎn)器的研究有著重要意義。

目前為止，人們提出了許多關(guān)于偏振旋轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[4-5]中提出了由一個TN盒和兩個單軸補(bǔ)償膜組成的消色差偏振光開關(guān)，帶寬較寬，但這種設(shè)計(jì)存在較為嚴(yán)重的漏光現(xiàn)象；文獻(xiàn)[6]提出由兩個均勻盒和一個TN盒組成的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器，但帶寬不夠?qū)?；文獻(xiàn)[7-8]提出的結(jié)構(gòu)雖然可以達(dá)到較好的消色差效果，但在參數(shù)設(shè)置上比較復(fù)雜，變量較多。針對之前人們提出的偏振旋轉(zhuǎn)器存在的問題，在本文中我們提出了兩種結(jié)構(gòu)的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器， 一種由4片波片組成，透過率可以達(dá)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(zhuǎn)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(nèi)的透過率可以達(dá)到99.8%～99.95%；偏振片平行放置時，漏光率低于0.15%。當(dāng)波片厚度在一定范圍內(nèi)變化時，偏振旋轉(zhuǎn)器的消色差性能不受影響。

2 理論分析

波片是一種光學(xué)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(chǎn)生不同的相位延遲，從而改變偏振態(tài)。幾個具有一定方位角的波片疊加可以用作偏振旋轉(zhuǎn)器，如圖1所示。

其中：

(a)

(b)圖1 偏振旋轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)和原理。(a)結(jié)構(gòu)；(b)角度。Fig.1 Structure and principle of polarization rotator. (a) structure； (b) orientation angles.

3 模擬計(jì)算與分析

計(jì)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(zhuǎn)特性，設(shè)置半波片光軸的方位角為45°，計(jì)算不同厚度波片在可見光范圍內(nèi)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(dá)到較高的透過率，帶寬較窄，在可見光范圍內(nèi)，透過率僅能達(dá)到40%以上，不能實(shí)現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)消色差的目的。因此，接下來計(jì)算了兩片波片組成的偏振旋轉(zhuǎn)器的消色差效果，兩個波片的方位角分別為23°和67°。結(jié)果如圖3所示，在可見光范圍內(nèi)，透過率可以達(dá)到70%以上，帶寬相對一片波片的旋轉(zhuǎn)器來說較寬，說明波片疊加可以提高在寬波帶范圍內(nèi)的透過率。根據(jù)這一特點(diǎn)，在本文中提出了兩種結(jié)構(gòu)的偏振旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器

單個波片的相位延遲等光學(xué)特性表現(xiàn)出嚴(yán)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(zhuǎn)器能夠補(bǔ)償波長變化導(dǎo)致的光學(xué)特性的偏差，從而達(dá)到消色差的目的。在更多層波片結(jié)構(gòu)情況下，需要對波片的厚度和光軸角度進(jìn)行優(yōu)選，考慮到每個波片包含兩個可變參數(shù)，在優(yōu)化過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況來進(jìn)行初步的設(shè)置：(1)波片的厚度設(shè)置為相同厚度，符合生產(chǎn)制作的實(shí)際，在優(yōu)化計(jì)算中可以減少波片數(shù)的變量；(2)上下對應(yīng)波片的光軸角度互余，則可以減少波片數(shù)一半的變量。然后將所有變量設(shè)置在合適的范圍內(nèi)，逐一計(jì)算出透過率光譜，并進(jìn)行透過率平均計(jì)算，來得到最優(yōu)的參數(shù)組合。

4.1 四波片式偏振旋轉(zhuǎn)器

由4個厚度相同的波片組成的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)過角度優(yōu)化計(jì)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(zhuǎn)器具有最好的偏振旋轉(zhuǎn)效果。入射偏振片光軸沿X軸方向，入射線偏振光經(jīng)過4個波片后旋轉(zhuǎn)了90°,當(dāng)檢偏器與起偏器正交放置時，光線透過；當(dāng)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(zhuǎn)器的透射光譜圖。

圖4 四波片組成的偏振旋轉(zhuǎn)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(lán)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(nèi)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(dāng)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(jì)算，可以看出這種四波片式偏振旋轉(zhuǎn)器當(dāng)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(nèi)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(zhuǎn)器

由液晶盒組成的偏振旋轉(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)器中的波片相同，液晶分子的預(yù)傾角設(shè)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(shù)為10.8，9.5，15.4 pN，轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)為100 mPa·s。當(dāng)不加電壓時，入射線偏振光通過器件后光線轉(zhuǎn)過90°，理想透過率為0，當(dāng)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(tài)不發(fā)生改變，理想透過率為1.0。但是在模擬計(jì)算中，由于驅(qū)動而增加的ITO薄膜對光有吸收效應(yīng)，以及更多界面的反射和薄膜干涉效應(yīng)，使得透過率不能達(dá)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(jié)構(gòu)的消色差偏振旋轉(zhuǎn)器的響應(yīng)時間Fig.8 Response time of achromatic polarization rotator with parallel LC cells

圖9 平行盒結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)器的透過率(驅(qū)動&未驅(qū)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(dāng)電壓在12 V以上時，透過率接近穩(wěn)定。所以在后面計(jì)算響應(yīng)時間和驅(qū)動狀態(tài)下的透過率時，為了達(dá)到更好的效果，我們對這種結(jié)構(gòu)的偏振旋轉(zhuǎn)器施加20 V的電壓，響應(yīng)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(nèi)的透過率低于0.12%，如圖9紅色實(shí)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(qū)動型的偏振旋轉(zhuǎn)器在每個液晶盒兩側(cè)添加了ITO層，而ITO界面之間具有反射和薄膜干涉效應(yīng)，因此驅(qū)動狀態(tài)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(qiáng)，所以，透過率隨波長增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。對比度為驅(qū)動狀態(tài)的透過率與未驅(qū)動狀態(tài)下透過率的比值，如圖10所示，在可見光范圍內(nèi)最低對比度為800，對比度較高。

圖10 平行盒結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器

六片波片式消色差偏振旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)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(jīng)過對波片的厚度和光軸角度的優(yōu)化計(jì)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(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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(jié) 論

本文對由波片組成的偏振旋轉(zhuǎn)器的消色差性能進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過改變波片的厚度和方位角度，得到效果較好的設(shè)置方式，由4個波片組成的偏振旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器進(jìn)行了模擬計(jì)算，其消色差性能良好，對比度高于800；6片式偏振旋轉(zhuǎn)器的透過率可達(dá)到99.8%以上，漏光率低于0.12%。在這兩種結(jié)構(gòu)中，波片的厚度都可以在一定范圍內(nèi)變化，而不影響透過率；考慮到波片實(shí)際貼合過程中存在的角度誤差，這兩種優(yōu)化結(jié)果中的波片光軸角度在偏差1°以內(nèi)，對光譜影響都很小。這種消色差性能較好的偏振旋轉(zhuǎn)器在顯示方面有著重要的應(yīng)用；在光通信中，可以降低串?dāng)_值；在偏振光譜成像中可以實(shí)現(xiàn)良好的光譜均勻性。