CN117607038A - 一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，该系统包括液晶盒、偏光片、光电探测器、信号处理及控制模块、二维纳米液晶材料、液晶盒玻璃盖板、绝缘填充物、金属正电极、液晶盒玻璃基板、金属负电极。所述液晶盒内有沿圆周等间隔分布的N个电极，N为大于等于8的偶数。所述电极上施加交流电，幅值为0.01V/mm‑100V/mm，频率为1Hz‑1MHz。液晶盒厚度为0.5mm‑50mm，电极宽度为圆形液晶盒半径的1/16‑1/4。其中注入层状二维纳米液晶材料，通过在不同位置的电极上施加电压，对待测光干涉光强的变化进行实时记录，检测干涉光强变化的周期来得到偏振态。该发明结构组成简单，无机械旋转装置，且不严格限制使用哪种层状二维纳米液晶材料，有效降低了系统的复杂度。

Description

一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统。

技术背景

光偏振态检测设备在通信、传感和探测等多个领域具有重要的应用价值。目前常见的偏振态检测方法包括：旋转光学组件(如偏光片或波片)法、电光调制晶体法、偏振各向异性探测法等。第一种是通过旋转光学组件，分析干涉光强的变化周期特征来得到待测光的偏振态信息，但该方法需要机械旋转装置，难以实现小型化；第二种是通过在测试系统中加入电光晶体，分析出射光强随调制电信号的变化特征来反推待测光的偏振态，但所需电光晶体的成本较高；第三种是由具有偏振响应各向异性的材料(如黑磷等二维材料)加工成纳米结构的探测器，直接根据探测器的输出信号得到偏振态，然而这类探测器的结构较复杂，加工工艺要求高。除了上述方法之外，还有结合图像处理技术来分析偏振态的方法，但是需要运行图像处理算法，数据处理过程较为繁琐。综上所述，目前偏振态检测系统存在着难以实现小型化、成本较高、结构复杂和测试过程繁琐等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提出一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统。

所述的一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统包括液晶盒、偏光片、光电探测器、信号处理及控制模块、二维纳米液晶材料、液晶盒玻璃盖板、绝缘填充物、金属正电极、液晶盒玻璃基板、金属负电极。

具体地，液晶盒内有沿圆周等间隔分布的N个电极，N为大于等于8的偶数，数量为N/2的正电极全部位于圆形液晶盒的一侧，数量为N/2的负电极全部位于另一侧。所述电极上施加的驱动电压为交流电，幅值大小在0.01V/mm到100V/mm之间，频率在1Hz到1MHz之间。液晶盒的厚度为0.5mm-50mm，电极的宽度为圆形液晶盒半径的1/16到1/4，电极基板间注入层状二维纳米液晶材料。所述的液晶材料为无机溶致型液晶材料，在电场作用下取向方向沿电场分布，形成具有单轴晶体特征的双折射效应，且非寻常光的光轴与液晶分子的取向方向一致，在待测光波段透过率超过99％。

本发明提出的系统其特征在于只需要使用液晶盒和偏光片两个光学元件，在不同位置的电极上施加电压后，利用液晶分子的取向，产生电致双折射效应，使得待测光经过液晶盒后累积一定的相位差，经过偏光片后干涉光强发生变化，对待测光干涉光强的变化进行实时记录，通过改变电场方向，最终计算得到待测光的偏振态，当变化周期为π/2时，入射光为线偏振态；变化周期为π时，入射光为椭圆偏振态。

本发明的有益效果是：(1)本发明提出了一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，该系统结构简单、不需波片与机械旋转装置，可根据入射光的波长对探测器进行选配，通过控制外部电场可快速完成检测，可实现从紫外到红外波段内的调控，降低了测试系统的复杂度，提高了检测效率。(2)本发明不严格限制使用哪种层状二维纳米液晶材料(如氧化石墨烯液晶、二维蛭石液晶、磷酸钛液晶、磷酸锆液晶等)，只要满足待测光波段透明、不导电且液晶分子沿电场方向取向即可。

附图说明

附图1是本发明的一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统的结构示意图。

附图2是本发明的一种电极个数为8的液晶盒结构示意图。

附图3是本发明所述液晶盒第一对电极加电时二维纳米液晶材料沿电场方向取向的示意图。

附图4是本发明所述的偏振光干涉原理示意图。

附图5是本发明所述液晶盒第二对电极施加电压时二维纳米液晶材料沿电场方向取向的示意图。

附图6是本发明的实施提供的另外一种施加电压的方式示意图。

附图7是本发明的实施提供的一种线偏振光干涉光强的归一化值随光轴旋转角度变化的曲线图。

附图8是本发明的实施提供的一种椭圆偏振光干涉光强的归一化值随光轴旋转角度变化的曲线图。

附图9是本发明的实施提供的一种电极数量N为16时得到的线偏振光响应信号序列随角度序列变化的散点图。

附图10是本发明的实施提供的一种电极数量N为16时得到的椭圆偏振光响应信号序列随角度序列变化的散点图。

附图中：1-液晶盒、2-偏光片、3-光电探测器、4-信号处理及控制模块、5-层状二维纳米液晶材料、6-液晶盒玻璃盖板、7-绝缘填充物、8-正电极、9-液晶盒玻璃基板、10-负电极。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的优点以及具体的实施方式，下面结合附图和具体实施方式来对本发明进行进一步描述。本发明所述的实施方式为其中一种，不是全部实施例，也可以用不同于此描述的其他方式来实施。

一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，包括液晶盒、偏光片、光电探测器、信号处理及控制模块、二维纳米液晶材料、液晶盒玻璃盖板、绝缘填充物、金属正电极、液晶盒玻璃基板、金属负电极，如附图1所示。所述液晶盒结构如附图2所示(附图中画出的是电极个数为8)，包括盒内的氧化石墨烯液晶材料、封装的液晶盒玻璃盖板盒基板、分隔电极的绝缘填充物、4个正电极和4个负电极。液晶盒内部圆柱形填充区域的半径为3mm，厚度为1mm，电极的宽度为2mm。所述电极上施加的驱动电压为交流电，幅值为10V/mm，频率为10KHz。

当电极上不加驱动电压时，液晶盒中的材料为各向同性相，光通过时不会产生相位差。在对其中一个正电极和负电极组成的电极对(如附图3中的A和A’组成电极对)施加驱动电压时，液晶盒中的液晶分子会沿电场的方向取向，如附图3所示，会形成类似于单轴晶体的非寻常光光轴，产生电致双折射Δn，其值的大小由所采用的液晶材料和所施加驱动电压(包括幅值和频率)决定。所形成的光轴方向与电场方向一致，此时待测光在通过液晶盒后会产生相位差其表达式为：

式中，λ为入射光的波长，d为液晶盒的厚度。入射光的表达式可以表示为：

式中，I_i为入射光强，E_ix为入射光电场的x方向分量，E_iy为入射光电场的y方向分量，a为E_iy与E_ix振幅比，为E_iy与E_ix之间的初始相位差。

待测偏振光通过液晶盒之后会累积相位差其偏振态会发生改变，其偏振态可以通过控制液晶光轴的方向进行调控(即附图4中的角度α)，从液晶盒出射的光经过偏光片后发生干涉，干涉过程的矢量分解如附图4所示，推导可得干涉光强的归一化值I_o的表达式为：

式中，α为电场方向与x正方向的夹角，规定偏光片透光方向为y方向，正交方向为x方向，α的值会随着电极的位置变化。本发明中所使用的液晶材料在电场作用下非寻常光的光轴方向与电场线方向一致，在电极施加驱动电压后，正负电极连线方向、电场方向、非寻常光的光轴方向三者的方向一致，α即为光轴旋转的角度。

通过有序地选取电极对施加驱动电压，可以形成一个光轴旋转角度的离散值θ，序列记为{θ₁,θ₂,......,θ_M}，该序列的构建方式由施加电压的方式决定，这里给出了两个具体的实施方式，其中一种施加电压的方式为：信号处理及控制模块控制液晶盒上的电极从位于x正方向上的第一对驱动电极(如附图3中的A和A’)开始，接下来是第二对电极(如附图5中的B和B’)，依次类推，逐个有序地施加交流电压，同时采集光电探测器上的输出的响应信号，一直到位于x负方向的第N/2个电极也施加完驱动电压后结束。此时θ从0°逐渐增大到180°，形成一个角度序列{θ₁,θ₂,......,θ_N/2}，光电探测器输出的响应信号也可以组成一个信号序列{U₁,U₂,......,U_N/2}。这种施加电压的方式特征在于加电的一对正负电极位置关系满足中心对称，在某一对电极加驱动电压时，其余电极均不加电压。由于二维纳米液晶材料为绝缘材料，电极之间不会发生漏电现象。

另外一种施加电压的方式为：从液晶盒上的第一对电极开始，逐个有序地给电极施加驱动电压，一直到第N/2对电极，但此时一个正电极将与多个负电极组成电极对(这里以三个为实施例子)。除了与位置关系满足中心对称的负电极组成驱动电极对之外，还可以与其左右相邻的两个负电极组成电极对，如正电极A分别与负电极A’、B’和C’组成电极对，如附图6所示。此时会形成另外一个角度序列{θ₁,θ₂,......,θ_3N/2}，并得到相应的探测器输出信号序列{U₁,U₂,......,U_3N/2}。这种施加电压的实施方式可以充分利用已有电极，能够解决电极数量不足带来的采样点偏少的问题。

接下来对本发明提出的角度序列生成方法和信号序列的分析方法进行详细的叙述。对于第一种施加电压的实施方式，角度序列的生成公式为：

对于第二种施加电压的实施方式，角度序列的生成公式为：

以上两种施加电压的方式生成的角度序列可以统一表示为{θ₁,θ₂,......,θ_M}，相应地，采集探测器输出信号得到的信号序列也可以统一表示为{U₁,U₂,......,U_M}。在得到信号序列与扫描角度序列后，检测信号序列中的值U随扫描角度α变化的周期特征，来得到待测偏振光的偏振态。

根据干涉光强的表达式(4)，当待测光为线偏振光时，干涉光强随光轴旋转角度α变化的周期为π/2，不同偏振态的线偏振光干涉光强的归一化值随扫描角度的变化情况如附图7所示，其偏振态分别为：

P1：{a＝0}，P2：{a＝0.27}，P3：{a＝0.58}，P4：{a＝1}，P5：{a＝1.73} (7)

以上5种偏振态其透光方向与x轴正方向的夹角分别为0°、15°、30°、45°和60°。从附图7可以看出，待测光为线偏光时其变化周期均为π/2。当入射光为椭圆偏振光时，干涉光强随夹角α变化的周期为π，不同偏振态的椭圆偏振光干涉光强的归一化值随扫描角度的变化情况如附图8所示，其偏振态分别为：

以上5种偏振态其y方向与x方向振幅比a均为1。从附图8可以看出，待测光为椭圆偏振光时其变化周期均为π。

由奈奎斯特采样定律可知，采样的角度间隔不得大于π/4，即电极的数量N≥8。基于以上原理，本发明所提出的系统检测偏振态的流程为：将待测光束引入偏振态检测系统，对电极有序地施加交流电压，改变电场方向，同步采集光电探测器的响应信号，在完成所有电极的驱动后得到信号序列{U₁,U₂，......,U_M}，将每个电极所对应的角度值按照驱动顺序组成一个角度序列{θ₁,θ₂,......,θ_M}，检测干涉光强角度变化的周期，通过周期信息判断偏振光的偏振态，变化周期为π/2时，入射光为线偏振态；变化周期为π时，入射光为椭圆偏振态。

这里给出一个电极的数量N＝16的实施例子。驱动电压的实施方式采用第一种，电压为10V、频率为10KHz，此时5种偏振态的线偏振光和椭圆偏振光的信号序列随角度序列变化的情况分别如附图9和附图10所示。从附图9和附图10中可以看出，当入射光为线偏振光时，信号值会出现两两重复的情况，这是由于其周期为π/2，而椭圆偏振光则不会出现此种情况。通过检测附图9和附图10中输出信号的变化周期可知，附图9中变化周期为π/2，入射光为线偏振光；附图10中变化周期为π，入射光为椭圆偏振光。其他实施例子，如N>16时，可以利用离散傅里叶变换得到信号序列随扫描角度α变化的周期信息，从而判断待测光的偏振态。

本发明基于二维纳米液晶材料的电光双折射性质和偏振光干涉的原理，提出了一种新型的偏振态检测系统。本发明结构简单，无机械旋转装置，可使用多种二维纳米液晶材料，利用光电探测器输出信号的变化周期检测待测光的偏振态信息，有效提高了测试效率，降低了测试系统的复杂度。

Claims (5)

1.一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，其特征在于，包括液晶盒、偏光片、光电探测器、信号处理及控制模块、二维纳米液晶材料、液晶盒玻璃盖板、绝缘填充物、金属正电极、液晶盒玻璃基板、金属负电极。

2.根据权利要求1所述的一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，其特征在于，所述的液晶盒内有沿圆周等间隔分布的N个电极，N为大于等于8的偶数，数量为N/2的正电极全部位于圆形液晶盒的一侧，数量为N/2的负电极全部位于另一侧，液晶盒的厚度为0.5mm-50mm，电极的宽度为圆形液晶盒半径的1/16到1/4。

3.根据权利要求1所述的一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，其特征在于，所述的液晶材料沿电场线方向取向，能产生电致双折射效应，且该液晶材料的透过率超过99％。

4.根据权利要求1所述的一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，其特征在于，所述施加在电极上的驱动电压为交流电，幅值大小在0.01V/mm到100V/mm之间，频率在1Hz到1MHz之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于层状二维纳米液晶材料的偏振态检测系统，其特征在于，在不同位置的电极上施加电压后，利用液晶分子的取向，对待测光干涉光强的变化进行实时记录，通过改变电场方向，最终计算得到待测光的偏振态，当变化周期为π/2时，入射光为线偏振态；变化周期为π时，入射光为椭圆偏振态。