液晶空间光调制器特性研究及在全息测量中的应用

论文摘要

本论文着重研究液晶空间光调制器的各种特性以及液晶空间光调制器的实际应用。文中分别对液晶空间光调制器在读出光正入射及读出光斜入射时的各种特性进行了研究,并提出了新的理论计算方法研究读出光斜入射时的特性。在应用研究中提出了二个实用的实时动态检测振动物体的系统。 本论文利用液晶的基本概念及向列相液晶连续体弹性形变理论,导出了向列相液晶在外场作用下指向矢的分布。应用以上理论结果对液晶的光学性质、液晶中光的传播以及液晶的电控双折射效应进行分析。 在读出光正入射时,研究了电寻址可程控相位型液晶空间光调制器的衍射效率及在不同电压强度及电压频率下光寻址平行排列向列相空间光调制器的光强调制特性和相位调制特性。采用高速图像摄取装置和相关光路结合组成的实验系统,分别研究了三种不同液晶空间光调制器的时间响应特性及温度对时间响应特性的影响。这个实验系统的最大特点是把被研究的液晶空间光调制器分成128×128个点阵,然后同时获得16384个点阵的时间响应特性,即两维空间的时间响应特性。这种研究方法可以观察时间响应过程中快速变化的状况,这是传统的研究方法无法做到的。 在读出光斜入射时,研究了不同入射角下电寻址可程控相位型液晶空间光调制器的光强调制特性、相位调制特性及衍射效率。用一种全新的思路对液晶空间光调制器在读出光斜入射下的理论进行了推导,建立了读出光斜入射的液晶空间光调制器的理论模型,并进行了数值计算,计算结果与实验结果基本相符。 本论文对液晶空间光调制器在全息干涉测量中的应用进行了以下研究:1) 研究了全息记录材料的要求,提出并建立了利用液晶空间光调制器的实时动态全息实验系统;利用全息干涉测量技术中的时间平均全息干涉法,进行全息的记录及再现;对干涉图形进行了理论分析,验证了实验系统的可行性和实用性。2) 提出并建立了应用液晶空间光调制器和法布里-帕罗干涉仪结合的全息剪切干涉系统,实现了振动物体的记录及再现。并利用剪切干涉原理对实验结果进行了理论分析。这两个实验系统的特点是可以观察到物体振动的动态变化过程。 本论文的实验研究工作是在日本滨松光子株式会社第四研究室联合研究时完成的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 空间光调制器的定义及分类
• 1.2 空间光调制器的发展状况
• 1.2.1 液晶空间光调制器的发展概况
• 1.2.2 变形空间光调制器的发展概况
• 1.2.3 微通道板空间光调制器的发展概况
• 1.2.4 光折变空间光调制器的发展概况
• 1.3 液晶空间光调制器的应用
• 1.4 本文主要内容及工作重点
• 第二章 液晶空间光调制器
• 2.1 液晶及液晶的特性
• 2.1.1 液晶的物质状态及类别
• 2.1.2 液晶的介电各向异性、粘滞系数及电光效应
• 2.2 液晶的双折射和电控双折射效应
• 2.2.1 液晶中光的传播——液晶的双折射
• 2.2.2 电控双折射效应
• 2.3 向列相液晶连续体弹性形变理论及其应用
• 2.3.1 形变的描述及连续体弹性形变理论
• 2.3.2 连续体弹性理论的应用——沿面平行排列向列相液晶在外场作用下指向矢的变化
• 2.3.3 沿面平行排列向列相液晶在外场作用下的指向矢分布的模拟
• 2.4 光寻址平行排列向列相液晶空间光调制器（PAL-SLM）的结构特性及工作原理
• 2.4.1 PAL-SLM的结构
• 2.4.2 PAL-SLM的工作原理
• 2.5 电寻址可程控相位型液晶空间光调制器（PPM）的结构特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 液晶空间光调制器在读出光正入射时的特性研究
• 3.1 研究光寻址平行排列向列相空间光调制器特性的两种光路
• 3.1.1 强度调制模式的光路
• 3.1.2 相位调制模式下的光路
• 3.2 时间响应特性及温度对其影响的研究
• 3.2.1 高速图像摄取装置
• 3.2.2 电寻址扭曲向列相空间光调制器的响应时间
• 3.2.3 光寻址平行排列向列相空间光调制器的响应时间
• 3.2.4 电寻址组合空间光调制器的响应时间
• 3.3 光寻址平行排列向列相空间光调制器（PAL-SLM）光强传输特性及相位调制特性的研究
• 3.3.1 电压强度对光强传输特性及相位调制特性的影响
• 3.3.2 电压频率对光强传输特性及相位调制特性的影响
• 3.3.3 PAL-SLM在不同相位调制深度时的输出特性
• 3.4 电寻址可程控相位型液晶空间光调制器（PPM）衍射效率的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 电寻址可程控相位型液晶空间光调制器（PPM）在读出光斜入射时的特性研究
• 4.1 PPM光传输特性和相位调制特性的研究
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 实验结果及特性分析
• 4.2 PPM的衍射效率研究
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验结果及特性分析
• 4.3 读出光斜入射时相位调制特性的理论探讨与数值模拟
• 4.3.1 模拟思路
• 4.3.2 模拟计算及结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 光寻址平行排列向列相液晶空间光调制器的应用研究
• 5.1 全息的基本原理——产生、记录及再现
• 5.2 全息干涉测量
• 5.2.1 基本概念
• 5.2.2 全息干涉测量技术
• 5.3 时间平均全息干涉法
• 5.4 全息记录材料
• 5.4.1 记录材料在记录时的光学变化
• 5.4.2 记录分辨率
• 5.5 液晶空间光调制器的特性参数的测量实验
• 5.5.1 空间光调制器的空间分辨率
• 5.5.2 空间光调制器的灵敏度
• 5.5.3 空间光调制器的衍射效率
• 5.5.4 空间光调制器的相位调制特性
• 5.6 液晶空间光调制器时间平均全息干涉测量实验
• 5.6.1 液晶空间光调制器的选用
• 5.6.2 实验系统
• 5.6.3 测量时入射角的选择
• 5.6.4 实验系统的优化
• 5.6.5 实验结果及分析
• 5.6.6 用柱透镜进行准直的实验
• 5.7 液晶空间光调制器全息剪切干涉测量实验
• 5.7.1 全息剪切干涉测量法
• 5.7.2 实验系统
• 5.7.3 实验结果及分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考资料
• 攻博期间发表的论文
• 致谢