LBTEK 液晶可变延迟器——技术说明

一、概述

LBTEK 液晶可变延迟器（Liquid Crystal Variable Retarder，LCVR）基于向列相液晶和ITO玻璃材料，依托反平行式液晶盒制成，安装于机械外壳中并附带接线，分为无延迟量补偿和带延迟量补偿两种。在聚酰亚胺（Polyimide，PI）层摩擦取向的作用下，其液晶分子快轴取向在整个元件平面内一致，通过施加外部交流电压（不可外加直流电压），无补偿的液晶盒可实现延迟量在约数十纳米到λ/2之间的灵活可调，带补偿的液晶盒则可实现0到λ/2的延迟量调节范围。

基于其延迟量可调特性，LBTEK 液晶可变延迟器具有两种典型应用，用做偏振调制器时，入射线偏振光的偏振方向与液晶可变延迟器快轴呈45 °，可使调节范围最广；用作纯相位延迟器时，入射线偏振光的偏振方向应与液晶可变延迟器快轴呈0 °。

其延迟量调节不依赖机械组件，具有较快的响应时间，宽谱适用的同时能够保证较广的工作温度范围和较好的延迟量均匀性，是一种性能优秀的可调波片类产品。

二、产品外观

LBTEK 液晶可变延迟器基于向列相液晶和ITO玻璃材料，依托反平行式液晶盒及聚酰亚胺摩擦取向工艺制成，外形呈现为“前后错位玻璃衬底+中间向列相液晶层”的三明治结构。液晶盒前后衬底的ITO层分别接线，并封装于机械外壳中，机械外壳兼容Ø1 英寸或Ø2 英寸光学元件安装座。在机械外壳上，标注了产品的名称、型号等关键参数，并用长实线标记了产品的快轴方向，方便用户在光路系统中快速区分产品参数、进行元件调试。

图1 LBTEK 液晶可变延迟器产品结构（以1英寸液晶可变延迟器为例）

三、光学特性

1. 延迟量可调

LBTEK 液晶可变延迟器的功能主要由液晶盒内的向列相液晶填充层实现。当没有外加电压时，液晶分子在聚酰亚胺层的作用下，沿着摩擦方向排列；当通过玻璃衬底的ITO导电层接入外部交流电压时，液晶分子会在电压的影响下发生排列方向的改变，改变程度与电压幅值有关，且当电压增大到一定水平时，排列方向将几乎不再发生变动。

由此，液晶可变延迟器基于液晶材料的双折射特性所呈现出的宏观光学特性是：

• 在与元件表面平行的方向上，液晶可变延迟器的快轴方向始终不变；在与元件表面垂直的方向上，液晶分子排列方向的改变会导致延迟量的改变，具体为随外接交流电压的增大而减小。
• 对于不同波长的光，液晶可变延迟器的延迟量上限不一，其与液晶材料的固有参数和液晶盒厚度相关，但在工作波段范围内可以确保＞λ/2。
• 无补偿液晶可变延迟器的延迟量下限约为数十纳米左右，这是由于靠近衬底的液晶分子在聚酰亚胺层的锚定作用下，几乎不受外加电压的影响发生排列方向变化，造成了少量延迟量残留；带补偿液晶可变延迟器增加了一片快轴方向与液晶盒垂直的延迟量补偿片，抵偿了原液晶盒的少量延迟量残留，因此其延迟量可调节至0。

所以液晶可变延迟器本质上是一款延迟量可调的各向异性波片。

图2 液晶可变延迟器的延迟量可调原理示意

2. 偏振调制特性

如前所述，LBTEK 液晶可变延迟器本质上是一款延迟量可调的各向异性波片，因此具备与聚合物波片类似的偏振调制特性。

当液晶可变延迟器的延迟量为光源的λ/2时，能够使出射的寻常光 o 光和非常光 e 光之间产生λ/2 光程差，即π相位差，常用于改变线偏振光的偏振方向。设入射线偏振光的偏振方向与波片的快轴夹角为 a，则通过二分之一波片后的光束偏振方向会向着快轴的方向转过 2a。

图3 液晶可变延迟器作为λ/2波片时功能示意

当液晶可变延迟器的延迟量为光源的λ/4时，能够使出射的寻常光 o 光和非常光 e 光之间产生λ/4 光程差，即π/2 相位差，常用于实现光束线偏振态与圆偏振态之间的转换。当入射线偏振光的偏振方向与波片快轴夹角 a=45°时，则出射光束会转变为圆偏振光。

图4 液晶可变延迟器作为λ/4波片时功能示意

四、参数说明

1. 延迟量相关参数

当对液晶可变延迟器施加外部交流电压时，液晶分子会在电压的影响下发生排列方向的改变，改变程度与电压幅值有关，且当电压增大到一定水平时，排列方向将几乎不再发生变动。因此，在与元件表面垂直的方向上，会产生延迟量的改变，具体为随外接交流电压的增大而减小。对于不同波长的光，LBTEK 液晶可变延迟器的延迟量上限不一，与液晶材料的固有参数和液晶盒盒厚相关，但在工作波段范围内可以确保＞λ/2；无补偿液晶可变延迟器的延迟量下限约为数十纳米，这是由于靠近衬底的液晶分子在聚酰亚胺层的锚定作用下，几乎不受外加电压的影响发生排列方向变化，造成了少量延迟量残留；带补偿液晶可变延迟器增加了一片快轴方向与液晶盒垂直的延迟量补偿片，抵偿了原液晶盒的少量延迟量残留，因此其延迟量可调节至0。

2. 响应时间

当对液晶可变延迟器施加外部交流电压后，液晶分子达到预期的排列方向改变效果或延迟量改变效果时，会经过一小段时间差。我们将液晶可变延迟器由10V到半波电压的延迟量上升时间和由半波电压到10V的延迟量下降时间之和定义为其响应时间。响应时间参数与液晶材料的粘度、环境温度、外接电压高低等因素相关——液晶材料粘度越小，环境温度越高，外接电压越高，则响应时间越短。在一些需要高频调制的应用场景下，响应时间参数对液晶可变延迟器的性能有着较大的影响。经测量，LBTEK液晶可变延迟器的响应时间参考值为15.5/1.5 ms（上升/下降，@25 ℃，LCVR-H10-A/LCVR-H10C-A/LCVR-H10-B/LCVR-H10C-B/LCVR-H20-A/LCVR-H20C-A/LCVR-H20-B）或40.7/3.1 ms（上升/下降，@25 ℃，LCVR-H10-C/LCVR-H10C-C/LCVR-H20C-B/LCVR-H20-C/LCVR-H20C-C），能够满足多数液晶可变延迟器的应用场景需求。

3. 工作温度

液晶可变延迟器中所使用的核心双折射材料——向列相液晶，具有温度敏感特性，环境温度的改变会使液晶材料固有参数发生变动，进而影响液晶可变延迟器的光学性能。LBTEK液晶可变延迟器的工作温度范围为-20~45℃，在此温度区间内，其延迟量调节、响应时间等关键光学特性和参数不会出现明显异常，但延迟量-电压关系曲线会随温度发生不可忽略的变动。因此我们建议在使用产品时，参考产品附带的延迟量-电压关系曲线对外接电压进行实时调节，以确认液晶可变延迟器的延迟量达到预期。

LBTEK 液晶可变延迟器——应用案例

1. 偏振调制器

基于其延迟量可调特性，LBTEK 液晶可变延迟器可用作灵活的偏振调制器。当入射光为线偏振光时，调整液晶可变延迟器的快轴方向与入射光偏振方向呈45 °角，并对其施加外接交流电压，进行延迟量调节。随着液晶可变延迟器的延迟量在0~λ/2之间发生周期性的等效变化，出射光的偏振态会发生线偏振光（与入射光偏振方向平行）→右（左）旋椭圆偏振光→左（右）旋圆偏振光→左（右）旋椭圆偏振光→线偏振光（与入射光偏振方向垂直）的变化，由此实现对入射光的偏振调制功能。

图1 液晶可变延迟器用作偏振调制器工作原理示意

2. 激光散斑抑制系统

LBTEK 液晶可变延迟器还可用于激光散斑抑制系统。在双电压调制模式下，液晶可变延迟器可实现两种延迟量之间的迅速切换。当入射光为左旋圆偏振光时，调节电压使液晶可变延迟器的延迟量在λ和λ/2之间高频（约50 Hz）切换，出射光偏振态则会随之在左旋圆偏振态和右旋圆偏振态之间交替变化。偏振态高频切换的光束入射至液晶偏振光栅，由于偏振光栅偏振相关的二分束特性，其输出光会在±1级之间进行高频切换。将两束输出光通过透镜耦合至光纤中传输，后经过匀光照射至MASK上，并通过透镜成像。由于两幅图像的高频切换状态和人眼的视觉暂留特性，激光成像过程中的散斑得以消除，得到了更高的成像质量。

图2 液晶可变延迟器用于激光散斑抑制系统光路示意

LBTEK 液晶可变延迟器——定制能力

LBTEK 液晶可变延迟器除已有标准产品外，另提供各项参数规格的灵活定制：

若您需要的参数不在上表覆盖范围内，欢迎联系LBTEK技术支持详询！

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