基于像素级观测的LCOS芯片及电场边缘效应研究

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硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)空间光调制器,具有相位稳定性好、响应速度快和像素尺寸小等优势,应用于相位控制和光束偏转等领域。纯相位调制的LCOS芯片采用电控双折射模式液晶。利用LCOS芯片构建动态相位光栅,入射光会出现光束偏转。结合液晶内在的弹性性质和配向膜锚定作用,电场边缘效应会改变光栅的相位轮廓,使相位转变区平滑过渡形成相位回程区,产生寄生光栅,降低衍射效率。为此,本文提出了一种改进式扫描白光干涉系统,其中,补偿玻璃平板被紧贴于参考镜处,用来补偿LCOS芯片的玻璃盖片对系统光程差的影响。利用扫描白光干涉系统,本文分别对LCOS芯片的相位调制特性、相位光栅的相位轮廓和电场边缘效应对光栅轮廓的影响进行了分析。本文首先介绍液晶的基本物理性质和LCOS芯片的相位调制原理。利用差分迭代法对液晶的一维指向矢分布进行仿真分析,从而获取LCOS芯片相位调制特性的仿真曲线。接着,通过比较不同白光干涉信号峰值算法,证明了Morlet小波变换法具有求解精度高,抗噪能力强的特点。基于扫描白光干涉系统的结构和相关装置,求得系统横向分辨率为0.79μm,实际相位分辨率约为0.01π,结果表明:本系统能够对LCOS芯片进行像素级相位观测分析。同时,利用本系统可以获取相位调制特性的实际曲线并进行相位线性校正。然后,采用Logistic函数对系统所观测的光栅相位轮廓进行拟合,结果表明:在光栅周期为80μm,相位调制幅度为2π的相位二元光栅中,回程区宽度为11.49μm;在光栅周期为64μm的相位闪耀光栅中,回程区宽度为8.31μm,相位调制幅度为1.60π。进一步的分析表明,电极宽度的增大会导致闪耀光栅由锯齿状结构变为阶梯结构;光栅周期的减小会导致闪耀光栅内电场边缘效应增强,相位回程区的相对宽度增大,衍射效率降低。最后,通过搭建光束偏转平台验证了不同周期下闪耀光栅的衍射效率。
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