论文总字数：31970字

摘 要

近半个世纪以来，光通信的发展十分迅猛，在光束的幅度、相位调制上，传统技术往往需要体积巨大且结构复杂的光学仪器。而随着液晶器件的发展，它成功克服了传统技术结构复杂、功耗高的缺点，在显示和光调制的领域里应用广泛。其中液晶相位光栅具有衍射电控性、低功耗、平板化、高稳定性等优点，近些年得到了大量学者的研究。

本文基于矩形光栅的模型，通过改变液晶盒结构，探讨液晶相位光栅的各项光学性能受到结构变化的各种影响。对液晶光栅的光学性能，主要讨论其相位调制量、衍射效率和一级衍射角的变化，同时，初步地讨论了液晶相位光栅的分光能力。对于液晶光栅结构，主要研究了其盒厚、电极宽度、电极占空比对光栅光学性能的影响。在本文中，不涉及关于边缘场效应的讨论，仅基于类似矩形光栅的处理，研究550nm入射光下，液晶光栅的相关光学性能。通过分析仿真实验的结果，得出液晶光栅的结构参数对于其光学性能的影响，并给出一个光学性能相对较好的液晶光栅结构。

关键词：液晶光栅，衍射效率，衍射角，相位调制量

Abstract

In the past half century, the development of optical communication has been very rapid. In the amplitude and phase modulation of light beams, traditional techniques often require large and complex optical instruments. With the development of liquid crystal devices, it successfully overcomes the disadvantages of the traditional technology, such as complex structure and high power consumption, and is widely used in the field of display and light modulation. The liquid crystal phase grating has the advantages of diffractive electric control, low power consumption, flatness, high stability and the like, and has been studied by a large number of scholars in recent years.

In this paper, based on the rectangular grating model, by changing the structure of the liquid crystal cell, it is discussed that the optical performance of the liquid crystal phase grating is affected by various structural changes. The optical properties of the liquid crystal grating are mainly discussed in terms of the amount of phase modulation, diffraction efficiency, and first-order diffraction angle. At the same time, the optical splitting capability of the liquid crystal phase grating is discussed. For the liquid crystal grating structure, the influence of its cell thickness, electrode width, and electrode duty ratio on the optical performance of the grating is mainly studied. In this paper, the discussion about the fringe field effect is not involved. Based on the similar rectangular grating processing, the relevant optical properties of the liquid crystal grating at 550 nm incident light are studied. By analyzing the results of simulation experiments, the influence of the structural parameters of the liquid crystal grating on its optical performance is obtained, and a liquid crystal grating structure with relatively good optical performance is given.

KEY WORDS: Liquid crystal cell structure, diffraction efficiency, diffraction angle, phase modulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 液晶简介 3

1.2 液晶的物理性质 4

1.2.1 光学各向异性 4

1.2.2 介电各向异性 5

1.2.3 粘滞系数 6

1.2.4 弹性常数 6

1.3 液晶分类 6

1.4 液晶取向理论 7

1.5 本章小结 8

第二章 液晶相位光栅理论背景 9

2.1 光栅简介 9

2.2 液晶光栅简介 9

2.3 液晶光栅的结构 10

2.4 衍射光栅基本原理及分类 11

2.5 光栅的分光性能 11

2.5.1 光栅方程 11

2.5.2 光栅的主要性能 12

2.6 本章小结 13

第三章 基于TechWiz LCD 3D的液晶结构仿真 14

3.1 液晶盒工作模式理论 14

3.1.1 电控双折射模式 14

3.1.2 ECB模式工作原理 15

3.2 液晶光栅设计的理论背景 16

3.2.1 盒厚设计 16

3.2.2 液晶光栅结构设计 17

3.3 矩形光栅 18

3.3.1 液晶光栅相位分布 18

3.3.2 类矩形光栅分析 20

3.4 本章小结 21

第四章 液晶光栅的仿真 22

4.1 仿真内容介绍 22

4.1.1 仿真软件简介 22

4.1.2 关于盒厚的设计 22

4.1.3 关于液晶电极宽度的设计 22

4.1.4 关于电极占空比的设计 22

4.2 针对不同盒厚的对比测试 22

4.2.1 对比实验预设 22

4.2.2 仿真结果及分析 22

4.2.3 结论 27

4.3 针对不同电极宽度的对比测试 27

4.3.1 对比实验预设 27

4.3.2 仿真结果及分析 27

4.3.3 结论 31

4.4 针对不同电极占空比的对比测试 31

4.4.1 对比实验预设 31

4.4.2 仿真结果及分析 32

4.4.3 结论 34

4.5 液晶光栅的分光能力 35

第五章 总结 38

致谢 39

参考文献 40

附录A 42

绪论

很长一段时间以来，在国内外液晶的相关研究中，液晶相位光栅都属于其中的热点。尤其在近40年的时间里，对液晶相位光栅的研究愈发深入。实现液晶相位光栅的前提则是需要使用透明电极，并通过透明电极对液晶施加周期性分布的驱动电压，从而使得液晶指向矢在液晶盒中呈现周期性的排列[1]。一般地，不考虑边缘场效应时，当施加的驱动电压比液晶阈值电压要高时，液晶相位光栅的衍射现象会更为明显。由于平行取向的液晶具备易制造性以及良好的电控特性，在液晶光栅中的使用最为广泛[2]。

液晶简介

液晶属于一种部分有序的中间态物质，它介于各向同性液体和分子有序排列的晶体之间，这样的性质使液晶同时具备液体和晶体的许多特性，诸如液体的流动特性以及晶体的空间各向异性。

液晶初次被发现于1888年，属于一次意外发现。第一位发现液晶的是奥地利的植物生理学家，斐德烈·莱尼茨尔。他当时正在测定安息香酸胆固醇脂的熔点，当加热该物质至融化后，该物质并没有直接变得透明，而是处于一种浑浊的状态。当继续加热，温度升高以后，该物质才会转为清澈透明。他在多次实验以及与其他物理学家反复讨论后，最终确定了这种材料同时具有液体的流动性以及晶体的各向异性，并给这种材料起了一个新的名字——液晶[3]。如图1-1所示，加热过程中液晶的温度不断升高，液晶也经历着从浑浊到清澈的变化。当温度低于150摄氏度时，液晶一直处于不透明的固体状态；随着加热继续，温度升高至150-182摄氏度时，液晶则处于一种浑浊的液体状态；当加热至182摄氏度以上时，液晶完全液化，并呈透明液体状态。

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