液晶光隔离器的研究

宋师霞 柯莎 李亚亚

摘要：信息技术和光通信技术中，光隔离器使用非常普遍，通常采用的光隔离器多为磁旋光材料制作，但它缺乏可调性。近年来对液晶材料物理性能的深入研究表明，液晶在场的作用下有良好的旋光性，而且可调，为制作光隔离器提供了有利的保证，本文利用Jones矩阵分析了液晶的旋光效应，通过推导得出了液晶盒用于光隔离器的Jones矩阵。测试了液晶旋光的非互易性，对制做液晶光隔离器提供了依据;分析了液晶的电控效应，通过控制加在液晶盒上的电压，即可控制光谱带宽，又可控制液晶的旋光效应。

关键词：液晶;光隔离器;矩阵;旋光

1 绪论

典型的光隔離器基本结构如图（1）。旋转器的法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关。一束线偏光通过旋转器，其振动面将沿顺（逆）时针旋转ψ角;当反射光再次通过旋转器，其振动面将沿同一方向再转过ψ角，即光束一正一反两次通过旋转器，振动面的最终位置对初始位置转过了2ψ，对于理想的光隔离器用法拉第旋转器，其ψ=45°。设从起偏器出射的线偏振光电矢量与起偏器的主透偏方向平行，通过旋转器后其振动面旋转45°（检偏器的主透偏方向与起偏器成45°角），恰好通过检偏器。如果光被反射，反向通过旋转器后，其振动面共转过90°，正好与起偏器的主透偏方向垂直而被隔断[1]。

2 液晶旋光效应的理论分析

由于液晶具有旋光效应[2，3，]，当一束偏振光经过液晶盒后，其出射光的偏振方向将旋转一个角度，这样就可以用液晶盒代替磁旋光晶体制成光隔离器（如图2）。

沿与液晶表面正交的Z轴，把液晶均匀的分成若干薄层，每个薄层可以看作一个单轴晶片。每个这样的薄层可以看成一个单轴晶片，因为液晶分子的长轴取向相同。如果Z轴发生变化，光轴就会随分子长轴发生旋转，形成扭曲型各向异性介质。在线性扭曲向列型液晶中，假设光轴的方位是ψ，则ψ和Z是线型函数：ψ=αz。

3 液晶旋光非互易性的实验测试

本实验所用实验装置如图3所示。液晶盒为BL-009型向列相液晶，光源为1350nm红外激光器，室内温20摄氏度。首先调整好光路，使入射光能到达探测器，然后旋转检偏器等探测器读数为最小值时，记下探测器读数，同时记下测角仪读数。测出透射的光强度在不同磁场下的大小、测出光轴旋转角在不同磁场下的大小;最后，把入射光的方向改为反向，测出透射的光强度在不同磁场下的大小、测出光轴旋转角在不同磁场下的大小，作出透射比与磁场的关系和旋光角与磁场的关系曲线图4和图5所示。

由图4和图5可以得出，开始时，最小透射光强和光轴的旋转角几乎没有变化，当磁场强度超过阈值磁场时，透射光强与旋转角随着磁场强度的增大而变化。这说明液晶的光轴发生了旋转。图中a是入射光沿正向时的曲线，b是入射光反方向时的曲线，两种曲线基本重合，由此看出液晶光轴的旋转角度与入射光的入射方向无关。一束偏振光经过液晶盒后，偏振面与旋转了一个角度，当光被反射后，再次通过液晶盒，其偏振面沿同一方向继续旋转同样的角度，旋转角加倍。这种现象可以看作液晶旋光非互异性。当通过调整磁场强度大小，使液晶的旋光角为45°，就可以制成液晶光隔离器[8]。

4 讨论

光隔离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场和电压来控制，这样就能很方便的调整旋光角的大小。由于液晶的阈值电压很低（一般在0.8伏），稍微改变电压大小就有很明显的调控作用，所以利用电压控制旋光就会更加容易。同时，由于液晶具有电控滤波作用[4，5]，液晶盒代替法拉第旋转器，制成液晶光隔离器，可提高光隔离器的精度。通过调整加在液晶盒两端的电压，可很方便的制做宽带光隔离器和窄带光隔离器。

参考文献：

[1]李国华，代作晓.光隔离器用法拉第旋转器的Mueller矩阵形式[J].光电子·激光，1997，8（4）：275277.

[2]任广军，李国华.液晶磁控效应的Jones 矩阵研究[J].液晶与显示，2003，18（5）：357361.

[3]宋菲君.近代光学信息处理[M].北京：北京大学出版社，1999.

[4]庞岩涛，李国华，等.液晶调谐滤光片的设计[J].液晶与显示，2000，15（3）：192195.

[5]王宁，李国华，云茂金.液晶电控双折射特性的研究[J].中国激光，2002，29（10）：10641066.

[6]任广军，王鹏，张强，等.液晶磁致旋光的研究[J].物理学报，20072，56：994998.

[7]漆明春.液晶电控波片的光电特性研究及其应用[D].四川：电子科技大学，2014.

[8]任广军.液晶的磁控偏振特性研究[D].曲阜师范大学，2004.

基金项目：银川能源学院科学研究项目（2016KYY25）

作者简介：宋师霞（1981），女，山东人，硕士，主要从事物理学研究。