共頁第14頁液晶空間光調(diào)制器概述空間光調(diào)制器是可以人工主動控制的儀器，它可以通過改變參量，比如材料，電極電壓，還有材料間的間隔參數(shù)等等，改變空間光束的振幅、相位等參數(shù)，給予光波想要的信息，達(dá)到對光的調(diào)制。最近幾年，對空間光調(diào)制器的研究越來越多，它具有的高精度、低電壓驅(qū)動、高反應(yīng)靈敏度等優(yōu)點(diǎn)?？臻g光調(diào)制器有多個(gè)種類，比如微通道板、液晶、變形反射鏡等。在這些種類中，液晶空間光調(diào)制器應(yīng)用最為廣泛。1968年，美國RCA公司發(fā)明了世界第一臺電尋址液晶光調(diào)制器(LiquidCrystalSpatialLightModulator,LC-SLM)。1992年，美國BNS公司與科羅拉多大學(xué)共同研發(fā)了基于硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCoS)空間光調(diào)制器REF_Ref29196\r\h[19]，從此，LCoS進(jìn)入大力發(fā)展階段，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)和公司都在研發(fā)高精度、高分辨率、高相位深度的LCoS器件。之所以要研究LCoS，是因?yàn)槠湓诟咚俾蕚鬏斖ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，新型顯示器等多種光學(xué)產(chǎn)品中有很大應(yīng)用。相比之下，我國的LC-SLM自主研制還處于起步階段，大多數(shù)還是商業(yè)用的液晶顯示器。REF_Ref29493\r\h[20]2004年開始，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所致力于研制由薄膜晶體液晶電視(TFT-LCTV)改裝的平行排列液晶相位調(diào)制器，該調(diào)制器可應(yīng)用在光學(xué)檢測、光學(xué)系統(tǒng)成像以及大氣湍流模擬等方向。REF_Ref29673\r\h[21]對于LCoS器件而言，隔離度與衍射效率是非常重要的兩個(gè)指標(biāo)，它直接決定了器件的使用效率以及空間光調(diào)制的結(jié)果。由于技術(shù)產(chǎn)品的需要，LCoS器件需要能夠接受和處理多種參數(shù)的光源。到目前為止，LCoS器件仍然存在著大偏轉(zhuǎn)角下衍射效率低，隔離度不高等問題。本論文就是針對LCoS器件進(jìn)行相關(guān)的研究，從其運(yùn)行原理，材料參數(shù)產(chǎn)生的影響等，通過仿真計(jì)算、模型組建達(dá)到現(xiàn)實(shí)情況的模擬，尋求波長選擇開關(guān)在衍射效率和隔離度之間的平衡。并且通過優(yōu)化空間光調(diào)制器件結(jié)構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動電場分布，實(shí)現(xiàn)多相位深度與衍射能量分布的自由組合調(diào)制，在實(shí)現(xiàn)波長選擇開關(guān)高隔離度的前提下，提升衍射效率。在進(jìn)行仿真研究的過程中，保證材料和參數(shù)的現(xiàn)實(shí)可行性，在模擬方面給予現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，可以為之后實(shí)驗(yàn)室等實(shí)際器件實(shí)現(xiàn)做出支持。液晶空間光調(diào)制器有兩種類型：透射式（玻璃基）液晶空間光調(diào)制器和反射式（硅基）空間光調(diào)制器，下面對這兩種儀器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和原理的介紹。圖1-2展示了兩種液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。透射型LC-SLM一般材料為玻璃，而反射型是硅基。首先是透射型液晶空間光調(diào)制器。它的作用類似于一個(gè)可以進(jìn)行編程改變透過率的二維薄膜片，在薄膜片上存在著許多像素單元，這些像素單元通過設(shè)定一定參數(shù)可以改變?nèi)肷涔獾恼穹?，相位等?shù)值，實(shí)現(xiàn)對入射光的調(diào)制。透射型的液晶空間光調(diào)制器，其出射光是從另一側(cè)直接射出，而反射型液晶空間光調(diào)制器出射光是從入射平面射出。反射型LC-SLM的基本原理和透射型相同，但是它增加了一層介質(zhì)反射膜。這層膜可以將調(diào)制過的入射光反射回去。在對入射光進(jìn)行相同的調(diào)制情況下，反射型液晶空間光調(diào)制器中光束只需要經(jīng)過透射型液晶層的一半的距離。因此，反射型液晶空間光調(diào)制器比透射型更加高效，可以使器件有更薄的厚度，提高了光能的利用率。也因此反射型液晶空間光調(diào)制器比透射型具有更高的反應(yīng)效率和靈敏度，所以反射型液晶空間光調(diào)制器的使用范圍和研究更廣，本論文也是對于反射型液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行研究。圖1-2液晶空間光調(diào)制器類型空間光調(diào)制器有多種類型，本論文研究的硅基液晶光調(diào)制器件屬于反射式相位型硅基液晶空間光調(diào)制器。它的基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。光由上方入射，經(jīng)過器件后反射回來。器件的最上層是抗反射膜，光束的波長會對它的厚度產(chǎn)生影響，所以需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這層膜的作用就是過濾掉部分其它波長的光，使需要的波長的光束絕大部分都能夠入射到硅基液晶器件中。第二層是玻璃層，厚度沒有特定的要求。玻璃層下面有一層氧化銦錫(IndiumTinOxide,ITO)片狀導(dǎo)電電極。標(biāo)有PI的一層是配向?qū)?，它可以定向液晶分子排列的方向，?dāng)有外加電場時(shí)，大部分分子會受到電場的影響往同一方向偏轉(zhuǎn)，達(dá)到控制光信息的作用。這一層的材料是聚酰亞胺(Polyimide,PI)。配向?qū)拥暮穸雀鶕?jù)器件的規(guī)格改變，對于光的調(diào)制影響不大。最中間，最寬的一層就是液晶(LiquidCrystal,LC)層。液晶材料的選取由研究需求決定，它需要滿足器件的性能要求。目前來說，可以選擇的液晶有藍(lán)相液晶、向列相液晶、鐵電液晶等。硅基光調(diào)制器中液晶層的厚度比較重要，由于本論文是研究高相位深度的硅基液晶空間光調(diào)制器，其厚度有明確的要求，才能夠滿足指定相位深度的光學(xué)調(diào)制，因此選擇的是基于向列相液晶的LCoS器件。在實(shí)驗(yàn)過程中，一共使用了兩種液晶盒厚度，一種為8um，一種為12um，這兩種厚度的液晶盒可以達(dá)到目的，仿真也是圍繞這兩個(gè)對比組進(jìn)行。實(shí)際器件中，液晶層還包括框膠，紫外UV(Ultraviolet,UV)固化膠等材料，由于這些材料厚度很小，可以忽略不計(jì)，在仿真過程中可以忽略這些影響。在下基板的配向?qū)雍拖聦咏饘賹又g有一層鈍化層，多使用二氧化硅和氮化物等。下層一般使用鋁電極，而鋁電極會產(chǎn)生邊緣電場效應(yīng)，它會影響到硅基光調(diào)制器間中的電場分布，而鈍化層可以抵消大部分這種影響。除此之外，鋁電極層起到反射入射光的作用，使光束再次經(jīng)過整個(gè)器件又從玻璃層射出。鋁電極層是由多個(gè)獨(dú)立的像素組成，每個(gè)像素之間有間隙，一般間隙都很小，可以縮小器件工作過程中與目標(biāo)產(chǎn)生的偏差。這一層每個(gè)像素都有單獨(dú)的電壓參數(shù)，利用控制電極電壓產(chǎn)生閃耀光柵的效果，是調(diào)制器中最重要的部分。鋁電極的厚度沒有具體要求，實(shí)驗(yàn)中參數(shù)為0.2um。這一層的下面是硅基板，一般通入一定的電壓用來驅(qū)動電路，厚度沒有要求，最下面是金屬基板。在整個(gè)器件的右側(cè)有一個(gè)ITO連接條，它上面鏈接ITO層，下面鏈接金屬基板，目的是為了能讓電壓加載到ITO層，仿真模型搭建中可以不考慮此器件，直接設(shè)定ITO和硅基板的電壓即可。所有這些組合起來，實(shí)現(xiàn)對空間光的調(diào)制作用。圖1-3反射式相位型硅基液晶空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)由反射式相位型硅基液晶空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)可知，像素電極的參數(shù)決定了液晶分子的偏轉(zhuǎn)情況，而液晶分子的偏轉(zhuǎn)情況決定了等效折射率，決定了對入射光的調(diào)制方式。所以，像素電極在硅基空間光調(diào)制器中起著非常重要的作用。像素電極的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4LCoS像素電極結(jié)構(gòu)圖像素電極之間相互獨(dú)立，形狀通常為正方形。像素與像素之間還存在著空隙。像素的數(shù)目決定了電極的分辨率。通常為了描述像素電極的效率，我們設(shè)定一個(gè)值叫做開口率。開口率用字母Ar表示。開口率的計(jì)算和像素電極的參數(shù)有關(guān)。設(shè)像素電極邊長為d，