液晶技术在的光束控制系统中的应用

关秀丽

GUAN Xiu-li

（长春大学 电子信息工程学院，长春 130022）

0 引言

在飞机对地面的光通信系统中，由于大气湍流造成的闪烁、漂移等影响，在光探测器像面上激光光斑的能量会发生变化，因此光束控制技术就成为关键的系统技术之一，它将直接影响到系统的误码率。只有具备了高精度、快速的光束衰减控制能力的光束控制系统，对入射的激光能量进行实时控制，使光探测器接收到的激光能量保持稳定，才能提高系统通信质量，降低误码率，实现高信噪比的激光信号探测，整个大气通信系统才能实现高效可靠的信息传输[1]。

本文采用了基于液晶的空间光调制技术对光束进行控制。文中对液晶空间光调制器的工作原理以及光束控制系统进行了深入研究。采用液晶装置取代传统的衰减片，拟将液晶作为一种动态可调的光强控制器置于通信光信道中，利用其高精度、快速的光束衰减控制能力，实现实时、动态光强控制，从而达到高精度、快速的光束控制作用。

液晶空间光束调制器的结构如图1所示[2]，它由两片偏振片夹一液晶显示层构成。现在最通行的电寻址液晶空间光调制器是薄膜晶体管透射阵列式液晶电视，这种电寻址液晶空间光调制器能方便地与计算机接口，在设定的光学调制模式下，实现相应的单元像素的振幅或相位的调制[6]。

图1 液晶空间光调制器的结构图

如图1所示，液晶在没有外加电场作用时，各向同性的非偏振光经过P（起偏器）后变为振动方向平行于起偏器光轴的平面偏振光，偏振光经过单轴晶体液晶时将不改变偏振光的振动方向。经过起偏器后的偏振光到达Q（检偏器）时，因光的振动方向垂直于Q的光轴，偏振光被阻挡（P、Q安装时光轴彼此相互垂直），所以Q没有光输出；当给液晶施加电压后，液晶分子的排列状态发生变化，液晶的分子长轴开始沿电场方向倾斜，这时通过液晶调制器的平面偏振光将改变其振动方向，所以经过起偏器P产生的平面偏振光，通过液晶光调制器后，其振动方向就不再与Q的光轴垂直，而是在Q的光轴方向上有偏振光的振动分量，所以此时检偏器就会有光输出，输出光的强弱与液晶自身的性质及外加电压的大小等因素有关。

根据琼斯矩阵分析方法和液晶分子的构造特性，导出的液晶分子的Lu-Saleh模型为：由扭曲向列(TN)液晶分子构造的液晶空间光调制器。设液晶分子的长轴与X轴方向一致，液晶层与前后偏振片的偏振向的夹角如图2所示，TN型液晶光强调制原理如下[3]：

其出射光的透射率为：

出射的光为线偏振光，其位相调制原理为：

式中，δ为光场相位变化量，ψ1为起偏器的偏振方向与X轴的夹角；ψ2为检偏器的偏振方向与X轴的夹角； β和γ的定义如下：

式(3)中的θ和ne(θ)的含义如下：

式(4)和式(5)中的各参量的涵义是：θ为液晶分子因所加的电压v而引起的扭曲角；v0为液晶分子开始偏转时的起始电压，即阈值；v0为液晶分子偏转达到49.6º时的电压；d为液晶分子层的厚度；ne为双折射e光的折射率；n0为双折射o光的折射率。若ψ1=0º，ψ2=90º，则有

通过设置不同的偏振片相对偏振方位ψ1与ψ2，就可改变加在液晶像素上的电压V(实际是改变相应输入图像的灰度值，因图像的灰度值与ne或β值有单值对应性)。

图2为液晶光束控制原理框图。信标光经过大气传播，入射到起偏器后形成线偏振光，光波通过液晶光调制器后光强发生衰减，衰减了的光波信号由CA-D1相机捕获，进行处理和分析后生成数字量信号。生成的数字信号通过LVDS接口，送入光强检测系统测出衰减后的信标光光波强度。调整加在液晶光调制器上的外加电压，就可实现对衰减的光强的补偿效应[5]。

起偏器 液晶光调制器 检偏器 通信光路 激光接收CA-D1相机

图2 液晶光束控制原理框图

1 液晶光束控制实验及数据分析

为了能在实验室完成液晶光束控制实验，设计了如下的以932液晶光控系统为核心，结合CCD采集及计算机组成的实时、可调控的激光光束空间整形实验系统，如图3所示。

图3 基于液晶的光强自适应控制实验原理框图

图4 电压-透过率对应曲线

图5 电压-光斑平均能量对应曲线

在实验室内，采用810nm半导体激光，经发射装置变成平行光，经过起偏器然后出射，在信标光路中加入液晶光调制器，对入射的信标激光能量进行闭环控制，由CA-D1相机对激光进行成像，保证激光光斑成像大小为3×3像元，并由激光功率计探测激光光束能量。通过改变液晶控制系统上所加的电压值实现检测液晶对激光能量的衰减效果，得到衰减控制曲线（电压-透过率曲线）及光斑平均强度与电压的变化关系[4]。

2 结论

实验结果表明，在大气激光通信系统中，采用液晶空间光调制器进行激光光束的实时整形，可方便地对光束能量进行动态实时控制采集、存储与处理，从而实现对光束的实时控制，获得所需形状的近场光束。可见，液晶光束控制技术在激光系统前级的光束整形中具有重要的应用前景。

[1]李宏生.湍流对大气中传输激光束的影响[D].长春:长春理工大学学报,2002.

[2]朱成禹.电寻址空间光调制技术的研究[D].长春:长春光机所,2002.

[3]Johnson K,et al.Smart Spatial Light Modulators using Liquid Crystals On Silicon[J].IEEE,1993,(2):699-714.

[4]Dou R,Giles M.Closed-loop adaptive optics system with a liquid crystal television as a phase retarder[J].OptLerr,1995,20(10):1583-1585.

[5]Jianjun Li,Zongkai Wang,Yong Cai et al.Study of E-o Properties of Polymer Network Stabilized ferroelectric Liquid Crystal In Smectic C*Phase Ferroelectrics[J].1998,213:91-99.

[6]武晓阳,贺庚贤.基于液晶光阀的数字仿真目标研究[J].微计算机信息,2008,8-1:25-30.