消色差偏振旋转器

杨艳灵，张 弛，郭玉强，孙 岩，李小帅，刘宁宁，马红梅，孙玉宝

(河北工业大学 应用物理系，天津 300401)

1 引 言

消色差偏振旋转器是一种可以控制光的偏振状态的光学元件，在光学测量、液晶显示、光通信、光谱偏振成像等[1-3]方面有着广泛的应用，因此对消色差偏振旋转器的研究有着重要意义。

目前为止，人们提出了许多关于偏振旋转器的设计方法，文献[4-5]中提出了由一个TN盒和两个单轴补偿膜组成的消色差偏振光开关，带宽较宽，但这种设计存在较为严重的漏光现象；文献[6]提出由两个均匀盒和一个TN盒组成的消色差偏振旋转器，但带宽不够宽；文献[7-8]提出的结构虽然可以达到较好的消色差效果，但在参数设置上比较复杂，变量较多。针对之前人们提出的偏振旋转器存在的问题，在本文中我们提出了两种结构的消色差偏振旋转器， 一种由4片波片组成，透过率可以达到99.82%以上，漏光率低于0.12%；用4个平行液晶盒代替四波片，组成的偏振旋转器消色差性能良好，对比度高于800；另一种由6片波片以一定的方位角组合而成，在可见光范围内的透过率可以达到99.8%～99.95%；偏振片平行放置时，漏光率低于0.15%。当波片厚度在一定范围内变化时，偏振旋转器的消色差性能不受影响。

2 理论分析

波片是一种光学各向异性材料[9-12]，偏振光的两垂直振动分量通过波片后会产生不同的相位延迟，从而改变偏振态。几个具有一定方位角的波片叠加可以用作偏振旋转器，如图1所示。

其中：

(a)

(b)图1 偏振旋转器的结构和原理。(a)结构；(b)角度。Fig.1 Structure and principle of polarization rotator. (a) structure； (b) orientation angles.

3 模拟计算与分析

计算中波片的双折射率为Δn=0.108(450 nm), 0.1(550 nm)，0.095(650 nm)。我们首先用TechWiz LCD 1D软件模拟了一片半波片的偏振旋转特性，设置半波片光轴的方位角为45°，计算不同厚度波片在可见光范围内的透过率，如图2所示。

可以看出一个半波片仅能在500～550 nm之间达到较高的透过率，带宽较窄，在可见光范围内，透过率仅能达到40%以上，不能实现在可见光范围内消色差的目的。因此，接下来计算了两片波片组成的偏振旋转器的消色差效果，两个波片的方位角分别为23°和67°。结果如图3所示，在可见光范围内，透过率可以达到70%以上，带宽相对一片波片的旋转器来说较宽，说明波片叠加可以提高在宽波带范围内的透过率。根据这一特点，在本文中提出了两种结构的偏振旋转器。

图2 一片半波片的透过率Fig.2 Transmittance of a half-wave plate

图3 两片波片的透过率Fig.3 Transmittance of two wave plates

4 两种结构的消色差偏振旋转器

单个波片的相位延迟等光学特性表现出严重的色散特性，难以适用于宽波段，而由多个单波片按照光轴成不同夹角组合而成的偏振旋转器能够补偿波长变化导致的光学特性的偏差，从而达到消色差的目的。在更多层波片结构情况下，需要对波片的厚度和光轴角度进行优选，考虑到每个波片包含两个可变参数，在优化过程中会产生海量的数据，因此根据经验和实际情况来进行初步的设置：(1)波片的厚度设置为相同厚度，符合生产制作的实际，在优化计算中可以减少波片数的变量；(2)上下对应波片的光轴角度互余，则可以减少波片数一半的变量。然后将所有变量设置在合适的范围内，逐一计算出透过率光谱，并进行透过率平均计算，来得到最优的参数组合。

4.1 四波片式偏振旋转器

由4个厚度相同的波片组成的消色差偏振旋转器的结构如图4所示，经过角度优化计算，得到波片的方位角从上到下分别为82°，60°，30°，8°时，该偏振旋转器具有最好的偏振旋转效果。入射偏振片光轴沿X轴方向，入射线偏振光经过4个波片后旋转了90°,当检偏器与起偏器正交放置时，光线透过；当检偏器与起偏器平行放置时，光线不透过。图5、6是检偏器与起偏器透光轴正交和平行时，偏振旋转器的透射光谱图。

图4 四波片组成的偏振旋转器Fig.4 Polarization rotator consisting of four wave plates

图5 正交偏光片时的透射光谱Fig.5 Transmittance spectra for crossed polarizers

图5中黑线、红线、蓝线和绿线分别代表4个波片厚度都为2.2，2.3，2.4，2.5 μm，偏振片正交放置时的透过率曲线，在可见光范围内透过率在99.75%～99.93%之间。图6是偏振片平行放置时的透过率曲线，可以看出，当波片的厚度在2.2～2.5 μm之间变化时，透过率低于 0.15%，漏光率较低。

因此通过模拟计算，可以看出这种四波片式偏振旋转器当波片厚度在2.2～2.5 μm之间时，透过率不受影响，并且可见光范围内的透过率波动范围较小，消色差性能良好。

图6 平行偏光片时的透射光谱(平行偏振片)Fig.6 Transmittance spectra for parallel polarizers

4.2 四平行液晶盒式偏振旋转器

由液晶盒组成的偏振旋转器是通过施加电压来控制液晶分子指向矢分布，从而在不移动偏振片的情况下达到控制偏振光的偏振方向的目的。使用液晶盒代替波片，液晶光轴角度与上述偏振旋转器中的波片相同，液晶分子的预倾角设置为2°，液晶盒厚度为2.3 μm。液晶材料的双折射率为Δn=0.108(450 nm), 0.1(550 nm)，0.095(650 nm)，液晶的介电各向异性为5.3，弹性常数为10.8，9.5，15.4 pN，转动粘滞系数为100 mPa·s。当不加电压时，入射线偏振光通过器件后光线转过90°，理想透过率为0，当施加电压后，液晶分子垂直于液晶盒基板排列，入射偏振光的状态不发生改变，理想透过率为1.0。但是在模拟计算中，由于驱动而增加的ITO薄膜对光有吸收效应，以及更多界面的反射和薄膜干涉效应，使得透过率不能达到1.0。

图7 平行液晶盒的电光特性Fig.7 Electro-optical properties of a rotator composed of parallel liquid crystal cells

图8 平行盒结构的消色差偏振旋转器的响应时间Fig.8 Response time of achromatic polarization rotator with parallel LC cells

图9 平行盒结构旋转器的透过率(驱动&未驱动)Fig.9 Transmittance of the parallel cells (with and without driving)

首先模拟了这种液晶盒的电光特性，如图7所示，当电压在12 V以上时，透过率接近稳定。所以在后面计算响应时间和驱动状态下的透过率时，为了达到更好的效果，我们对这种结构的偏振旋转器施加20 V的电压，响应过程如图8所示，上升时间大约为0.189 ms,下降时间大约为3.39 ms。

在不加电压的情况下，在可见光范围内的透过率低于0.12%，如图9红色实线所示。加20 V电压后，液晶分子指向矢沿着垂直于液晶盒基板的方向排列，此时液晶的双折射为0，偏振片平行放置，光线透过，如图9黑线所示，透过率在95.75%～98.5%之间，由于这种驱动型的偏振旋转器在每个液晶盒两侧添加了ITO层，而ITO界面之间具有反射和薄膜干涉效应，因此驱动状态下的透过率会低于100%，在短波段范围，由于材料对光的吸收比较强，所以，透过率随波长增加呈现逐渐上升的趋势。对比度为驱动状态的透过率与未驱动状态下透过率的比值，如图10所示，在可见光范围内最低对比度为800，对比度较高。

图10 平行盒结构旋转器的对比度Fig.10 Contrast of a rotator composed of parallel liquid crystal cells

4.3 六波片式偏振旋转器

六片波片式消色差偏振旋转器结构如图11所示，在两个偏振片中间放置6片波片，入射偏振光沿X轴方向。经过对波片的厚度和光轴角度的优化计算， 波片的方位角从下到上分别为3°，13°，33°，57°，77°，87°。如图12所示，当波片厚度为1.8，1.9，2.0 μm时，偏振片正交放置，透过率在99.79%～99.95%之间。当偏振片平行放置时，透过率如图13所示，漏光率低于0.12%，消色差性能良好。

图11 6片波片组成的偏振旋转器Fig.11 Polarization rotator consisting of six wave plates

图12 正交偏光片时的透射光谱Fig.12 Transmittance spectra for crossed polarizers

图13 平行偏光片时的透射光谱Fig.13 Transmittance spectra for parallel polarizers

5 结 论

本文对由波片组成的偏振旋转器的消色差性能进行了模拟计算，通过改变波片的厚度和方位角度，得到效果较好的设置方式，由4个波片组成的偏振旋转器，最低透过率在99.75%以上，漏光率低于0.15%；并对由液晶盒代替波片组成的偏振旋转器进行了模拟计算，其消色差性能良好，对比度高于800；6片式偏振旋转器的透过率可达到99.8%以上，漏光率低于0.12%。在这两种结构中，波片的厚度都可以在一定范围内变化，而不影响透过率；考虑到波片实际贴合过程中存在的角度误差，这两种优化结果中的波片光轴角度在偏差1°以内，对光谱影响都很小。这种消色差性能较好的偏振旋转器在显示方面有着重要的应用；在光通信中，可以降低串扰值；在偏振光谱成像中可以实现良好的光谱均匀性。