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第六章SpatialLightModulator空间光调制器►概述►液晶光阀►电光效应器件光处理信息的特点：1.信息量大。光波频率高达1014Hz，作为载波可以携带更多的信息。2.并行处理。光的传播具有独立特性，两束或者多束光相遇不会相互干扰。3.处理速度快。纯光学的信息处理系统处理速度就是光速。§1概述空间光调制器（SpacialLightModulators,SLM）是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。驱动信号：电信号、光信号调制目标：相位、偏振、振幅（或强度）乃至波长，或是非相干光到相干光的转换等等应用：光互连、光学信息处理、光计算、光学神经网络一、空间光调制器的分类•按读出方式：反射式、透射式按输入控制信号方式：光寻址(O-SLMs)、电寻址(E-SLMs)从应用角度分为：模拟和数字目前已有多种空间光调制器实用化，主要有下面几种：调制或变换的物理效应：•线性电光效应（泡克尔斯效应）•二次电光效应（克尔效应）•声光效应•磁光效应•机械效应•热效应•半导体的自电光效应•光折变效应二、空间光调制器的基本功能1、变换器功能电-光转换、串行-并行转换、相干-非相干转换、对比度反转。2、放大功能弱光写入，强光读出。可获得增强的相干光图象。3、算术运算功能SLM可实现数字的矢量-矩阵或矩阵-矩阵之间的乘法。可实现相干图象的相加或相减(O-SLM)。4、记忆功能所有的SLM都是利用电荷生成元件形成一个与写入像相对应的电荷分布，这种电荷分布可以在SLM中存储一小时或更长时间，因而SLM可作为短期的像存储器件。PROM器件的存储时间可长达两小时以上，MSLM甚至可达几个月之久。5、线性和非线性变换特性通常的输入-输出特性有：线性关系、正弦方值关系asin2(I2)、指数关系，正弦关系6、阈值操作功能硬截止(图中实线)和模拟(虚线)两种情况。利用阀值特性或双稳态特性可以实现：二进制逻辑运算及模／数转换7、光学限幅功能利用阈值特性可进行图象的二元化或限幅，例如可用来限制噪声光束强度的涨落►概述►液晶光阀►电光效应器件什么是液晶？液晶材料是一种流体，它介于完全规则(固体)与不规则状态(液体)之间的中间态物质，兼有液体和晶体两者共有的属性。哪些物质是液晶材料？有机化合物（例如芳香族、脂肪族，硬脂酸等）及它们的混合物。热致液晶和溶致液晶§2.液晶光阀一、液晶分类近晶型（层状）、向列型（丝状）、胆甾型（螺旋状）近晶型向列型胆甾型二、液晶特性1、液晶的取向效应液晶分子由于它的细长结构和具有两种介电常数，从而呈现各向异性的特性。//////平行于分子长轴的介电常数垂直于分子长轴的介电常数正性液晶或P型液晶负性液晶或N型液晶液晶双折射现象液晶的取向效应当外加电场E足够小（小于其响应阈值）时，则分子取向不受电场影响；当外加电场足够大（超过其阈值）时，分子取向发生变化。可以利用液晶这一特性来进行光调制不加电时，液晶排列如上图。起偏光通过液晶后发生双折射，再通过检偏器，这时可以看到有光输出。加电后，液晶排列发生变化，这时没有双折射，在无输出光。2、液晶的电光效应液晶的电光效应主要包括：•扭曲效应•动态散射效应•电控双折射效应•相变效应•宾主效应1）扭曲效应2）动态散射效应通过加高频电场时液晶分子取向紊乱，使各处的折射率随时间发生变化，从而使入射光受到散射，透过率下降。3）电控双折射效应在外加电场作用下，液晶分子取向变化，而使液晶对某一方向入射的光产生双折射。4）相变效应在正型液晶中掺入正介电异性的胆甾液晶，使混合物成为具有长螺距的液晶，螺旋轴与玻璃板平行，对外界光产生散射，呈白浊状，施加一定电压后，液晶长轴沿电场方向变化，螺旋解开，液晶变成透明态。优点：不用偏光片、视角大5）宾主效应将沿液晶分子长轴方向和短轴方向对可见光的吸收不同的二色性染料作为客体，溶于定向排列的液晶主体中，染料分子会随液晶分子的排列变化而变化，在电场作用下，染料分子和液晶分子排列发生变化，染料对入射光的吸收也将发生变化。三、光寻址液晶光阀硫化镉液晶光阀（CdS-LCLV）特点：混合场效应（扭曲向列相特性和电控双折射）、并行寻址功用：非相干/相干转换、波长转换、图象增强优点：结构紧凑、室温工作、驱动电压低、功耗小、输出图象反差高、灵敏度高等缺点：响应速度慢、分辨率一般。其他：硅液晶光阀（Si-LCLV）也是光寻址，采用金属氧化物半导体（MOS）型硅光导体，有更好的关断状态和响应时间。四、电寻址液晶光阀电荷耦合器寻址液晶光阀（CCD-LCLV）特点：混合场效应（扭曲向列相特性和光学双折射）、串行寻址功用：串行-并行转换、光电转换其他：铁电液晶（FLC）光阀和表面稳定铁电液晶（SSFLC）光阀，响应速度快，反差高。►概述►液晶光阀►电光效应器件外部强电场改变介质电性质或结构，从而引起光学性质的变化。一、电光效应1、泡克尔斯效应（一次电光效应）：具有非中心对称晶格点阵结构晶体，在外加电场作用下变成双轴晶体（感生双折射效应）。2、克尔效应（二次电光效应）：具有中心对称晶格点阵结构晶体，在外加电场作用下显示出双折射现象。§3电光效应器件二、泡克尔斯读出光调制器泡克尔斯读出光调制器(PROM)是利用硅酸铋(Bi12SiO20,简写BSO)或BGO(锗酸铋)等晶体的光电导特性和线性电光效应而制成的光寻址空间光调制器。氙灯瞬时、均匀照明，BSO成为导体，BSO界面上积累均匀电荷加直流电压V0关闭氙灯，BSO失去导电性，电极短路，BSO界面上的电荷被保留下来，内电场也保留下来写入：蓝光写入，双色反射层可通过蓝光。蓝光作用在BSO上，对应光强大的地方光电导效应明显，而光强小的地方光电导效应不明显，因而形成于写入光图象相对应的电子图象。电子图象电压与曝光量之间的关系为：)exp(0KEVV读出：红光读出。BSO光电导效应对红光不敏感。红光起偏后入射到PROM，由于电子图像所形成的电压不同，因此BSO上不同位置的双折射效应也不同。最后输出光的偏振态受到写入图象形成的电场分布的调制，经检偏后即得到相应的光强调制。三、微通道板空间光调制器(MSLM)MicrochannelSpatialLightModulator特点:1、微通道板能对写入图象进行增强；电子增益为1042、很宽的光谱响应范围；输入可以从X射线及紫外到中红外，输出光谱也可以从中紫外到中红外变化；其他空间光调制器：A.Si-PLZT空间光调制器PLZT(Pb1-x,Lax(Zry,Ti1-y)1-x/4O3)是铅、锆、镧、钛组合物，是一种透明铁电陶瓷。PLZT具有各种光电特性。当给PLZT上加以电场时，从垂直于电场方向入射的光可被调制。Si-PLZT空间光调制器是硅光电探测器和PLZT联合使用实现光调制的空间光调制器。B.磁光空间光调制器（MOSLM）磁光调制器利用对铁磁材料的诱导磁化来纪录写入信息，利用磁光效应来实现对读出光波的调制。1.磁滞特性2.法拉第效应和克尔磁光效应偏振光经磁光介质透射（法拉第效应）或反射（克尔磁光效应）后偏振方向会发生变化。3、器件结构4、工作原理写入均匀磁化（饱和磁化线圈）电寻址自发扩展（反转核）读出MOSLM的特点是电寻址、写入速度快、性能稳定、对比度高。一般只有开关两种状态。多灰度级MOSLM并联：串联：复合象元：混合型：C.表面形变空间光调制器（DMD）表面形变调制相位或振幅分类：(a)弹性体器件：(b)薄膜器件：(c)悬臂梁式器件：G-E表面形变空间光调制器数字微镜(DigitalMicormirrorDevice)扭臂电极平台硅衬底二元输出。可通过调整开关状态占空比来实现多灰度级显示。在数字光投(DLP)中广泛使用。D.自电光效应器件空间光调制器(SEED)半导体多量子阱(MQW)结构：多层半导体薄膜交替，形成对束缚电子-空穴对的量子阱。具有很强的电光特性和响应速度。光吸收─→电流↑↓电场←─电压