第四章 元件的製作與光學實驗
4.3 斜向入射對液晶波相位調製的影響與量測
上一節我們只有考慮正向入射的影響，這一節我們必須考慮不 同角度入射光對液晶波板的影響，將實驗裝置如如圖 4.7
圖 4.7 斜向入射實驗架構圖
將光經過擴束，將過偏振片後，進入第一個透鏡，焦距為 5 公分，
將液晶波板置於焦距附近，之後再放入第二塊透鏡其焦距為 3.5 公分，
此時的成相位縮小 0.7 倍，成像再經過檢偏板，在後面放一塊 BS，
垂直光路的部分放上感光耦合元件(CCD)上，在外接螢幕上觀察其圖 形，平行光路的部分，我們使用一位移平台在 Y 軸方向移動，上面裝 置為一光圈，在位移平台後面放光偵測器，因為 CCD 只能觀測圖形的 形狀，不能很完整的告訴我們位置上的光強度，所以我們可以移動位
氦氖雷射
空間濾波器
反射鏡 反射鏡 反向對準液晶板
焦距(35mm) 焦距(50mm)
BS
CCD 位移平台
光偵測器 偏振板 光圈 偏振板
Y Z
X
52
移平台，挑選我們想要的圖形位置，則可以利用光偵測器測量光的強 度。
首先我們在測量在光只有經過 cross polarizes(未放上液晶波板) 與光經過傳統半波長相位板的兩個實驗中，測量的圖形為圖 4.8
(A)光只經過 Cross polarizes，不加液晶波板 中的圖形
(B)傳統半波長調製在 CCD 上偵測的圖形
(C) 傳統半波板與 cross polarizes 光強度在 Y 軸方向的變化
圖 4.8 傳統半波板與光經過 cross polarizes 光強度的變化圖,(A)光只經過 Cross polarizes，不加液晶波板中的圖形,(B)傳統半波長調製在 CCD 上偵測的圖形,(C) 傳統半波板與 cross polarizes 光強度在 Y 軸方向的變化
cross polarizers 1/2 wave plate
53
用光偵測器所測量的結果，圖形綠色線為光在 Y 軸方向移動變化，可 以知道光強度都在 1nm 以下，表示光經過 cross polarizes 被擋住許 多，接者我們將傳統的半波板放放置在 cross polarizes 之中，利用 半波板作相位延遲
π
，此時由於半波板前有透鏡聚焦，所以平行光會 變為圓錐型入射，圖形的正中央為正向入射的結果，其他部分為斜向 光的入射，此時半波板可將光的相位調製經過檢偏板，在 CCD 上看得 的圖形為圖 4.8 (B)圖，是很均勻的亮，由於光強度已超過 CCD 的飽 和強度，所以我們可使用光偵測器測量光在 Y 軸光強度變化，如圖 4.8(C)圖紅色的曲線，可以看出紅色的曲線還算平直，表示半波板在 中心與斜向部分位移延遲沒有差很多。接者我們比較加入液晶波板，且使液晶波板在中心為全波長調製 時，以 CCD 測量光強度的變化圖，所以我們分別比較將兩種不同厚度 的液晶波板 SA-200-5 和 LC-5-2 放在第一塊透焦距的部分，可以在 CCD 上觀察光經過液晶波板的光強度圖，其結果為圖 4.9
(A)3.35um 厚度液晶波板，中心具有全波長調 製，其不同位置的光強度圖
(B)18.49um 厚度液晶波板，中心具有全波長調 製，其不同位置的光強度圖
Y軸 X軸
Y軸 X軸
Y軸 X軸
Y軸 X軸
54
(C) 比較不加液晶波板與兩種厚度液晶波板的光強度在 Y 軸方向的比較 圖 4.9 中心具有全波長調製液晶波板的光強度圖(液晶厚度 5um 和 20um), (A)3.35um 厚度液晶波板，中心具有全波長調製，其不同位置的光強度圖, (B)18.49um 厚度液晶波板，中心具有全波長調製，其不同位置的光強度圖, (C)比較不加液晶波板與兩種厚度液晶波板的光強度在 Y 軸方向的比較
我們先放放上 SA-200-5 液晶波板，根據圖 4.5 (D)可以知道加電 壓 3.21(volt)，此時液晶具有全波長的效果，結果為圖4.9 (B)圖，
此時由於液晶波板前同樣有透鏡聚焦，所以圖形的正中央為正向入射 的結果，其他部分為斜向光的入射，在圖 4.9 (C)綠色的曲線表示此 時光強度在 Y 軸方向的變化，可以與我們之前模擬的 3.6(B)比較，
可以發現模擬的圖形與實驗圖形相類似，中心的部分是相位變化沒有 改變，所以具有全波板的功能，所以光通不過相互垂直的偏振板，但 是斜向部分液晶不能調製得很好，所以周圍有漏光的現象，且 Y 軸方 向的變化較 X 軸變化的方向明顯，這與我們模擬的結果相互吻合。接 這我們放上 LC-5-2，根據圖 4.5 (E)可以知道加電壓 0.85(volt)，
此時液晶具有全波長的效果，如圖 4.9 (A)，可以觀察其圖形沒有圖
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0 1 2 3 4 5 6
intensity(nm)
(mm)
18.49 um cross polarizer 3.35 um
55
(A)3.35um 厚度液晶波板，中心具有半波長調 製，不同位置的光強度圖
(B)18.49um 厚度液晶波板，中心具有半波長調 製，不同位置的光強度圖
56
(C)比較傳統半波板與兩種厚度液晶波板的光強度在 Y 軸方向的比較
我們先放放上 SA-200-5 液晶波板，根據圖 4.5 (D)可以知道加電 壓 2.34(volt)，此時液晶具有全波長的效果，同樣液晶波板前同樣 有透鏡聚焦，所以圖形的正中央為正向入射的結果，其他部分為斜向 光的入射如圖 4.10 (B)圖中，可以觀察圖的中心部分為最亮的，外 圍的部分比較暗，在圖 4.10 (C)綠色的曲線表示此時光強度在 Y 軸 方向的變化，可以與圖 3.7(B)比較，可以發現中心的部分是相位延 遲具有半波長調變，所以光可以通過相互垂直的偏振板，但是斜向部 分液晶不能調製得很好，所以周圍比中心的部分較暗，這與我們模擬 的結果相互吻合。接這我們放上 LC-5-2，根據圖 4.5 (E)可以知道加 電壓 1.32(volt)，此時液晶具有半波長的效果，如圖 4.10 (A)，可 以觀察其圖形較圖 4.10(B)均勻，表示正向入射與斜向部分光的調製 沒有相差很多，可以由圖 4.10(C)紅色的曲線知道，在圖 4.10 (C) 圖中，我們比較傳統液晶波板與可調式相位元件，可以知道在半波長 調製效果，厚度較小的液晶波板 LC-5-2 中心與旁邊沒有 SA-200-5 相 差來的大，表示 LC-5-2 也在半波長調製要比 SA-200-5 效果要好，從 這裡就可以了解，厚度較小的液晶波板，對於斜向光的相位調變較好，
所以與我們第三章的推論是相同的，接著我們將利用得到的參數，來 設計理想的可調式相位延遲元件。
57
4.4 可調式液晶相位延遲元件的設計
我們可以由以上各節得到可調式液晶相位延遲元件的設計參數，
若是我們使用液晶為 E7，厚度為 3.35um 的液晶波板，操作電壓為 0.85(volt)時可當全波板使用，操作電壓為 1.32(volt)可以當作半 波長使用，且根據圖 4.5(E)，若是電壓為 1.03(volt)與 2.09(volt) 時，則可以當作四分之波板使用，此相位延遲元件，若在視角 11.5 度內，對於斜向入射光都具有很好的調變，當然厚度再更小，斜向入 射光的相位調製會更好，但是厚度不可以小於 3um，不然全波長的相 位就必須要加很大的電壓，使液晶分子全部與電場方向平行，則此時 的相位為 0，才可以達到全波板的效果，這操作模式下，必須使用較 高的電壓，所以我們不採用此方法。
58