该清醒了6．2 液晶光阀
6．2．1 液晶的光电特性
1． 液晶结构
有些物质的分子没有固定的排列，可以自由移动，因而具有液体的流动性，但同时它的分子排列取向又存在一定的规律性，因而又具有晶体的各向异性的特点。把这种介于固相和液相之间的相态称为液晶态。把具有液晶相态的物质称为液晶物质，常见的主要是一些有机化合物（例如芳香族化合物）及它们的混合物。这些物质处在液晶相时，就叫做液晶。 液晶物质在温度升高时其相变过程是由固相变成液晶相，再到液相。也就是说，存在一个相当宽的温度范围，使它处在固-液相之间的过渡状态，即液晶相态。这种在一定温度范围内呈现液晶相的物资称为热致液晶。还有一种液晶物质，将其溶解于水或有机溶剂中形成浓的溶液而进入液晶相，称为溶致液晶。在空间光调制器中，使用的大多为热致液晶。
大部分液晶分子呈长棒状，长度在几个纳米量级，直径在零点几个纳米量级。从分子排列的有序性来区分液晶，大致可分为三类：层状（近晶型）、丝状（相列型）和螺旋状（胆甾型）。为讨论方便，引入一个单位矢量n来描述液晶分子的排列状态，n被称为指向矢，它可视为液晶长棒分子的长轴取向。
近晶型液晶分子排列的基本特点，是其指向矢n在较大范围内有很好的规律性，在各分子位置附近的较小的范围内也有一定规律性，从而使其大体上呈层状排列，每层内的取向矢n互相平行或垂直于层面或成一确定角度，如图6.3(a)所示。因此，近晶型液晶具有宏观的电学和光学的各向异性特点。实验表明，在光频范围内，近晶型液晶相当于一个正单轴晶体（折射率no>ne）。
向列型液晶分子的排列比较杂乱，不再分层，但指向矢的方向大体一致，如图6.3(b)所示。相列型液晶也具有类似于单轴晶体的光学特性。
胆甾型液晶的分子也呈分层排列，每层内的分子指向矢大体一致，并平行于层面，但相邻层中分子指向矢的方向依次转过一个角度，总体呈现螺旋结构，如图6.3(c)。
图6.3 液晶分子排列的三种类型
（a）近晶型，（b） 向列型，（c） 胆甾型
目前空间光调制器中应用最多的是向列型液晶。液晶分子指向矢n可用外界条件来控制，一种方法是受电磁场控制，另一种是受液晶表面处理方式控制。
2．液晶盒对分子指向矢的作用
在实际使用中，一般是把一薄层液晶注入两片玻璃基片中，构成液晶盒。若用布或其它纤维织物定向打磨基片，可使指向矢n顺着打磨方向平行于基片排列。若此时相对的两基片上n排列取向互相平行，称为沿面排列液晶盒。若在基片表面涂一层特殊材料（如卵酸脂），可使n 垂直于基片表面排列，这时称垂面排列液晶盒。
如果在外部条件作用下液晶中各处的指向矢 n偏离了它们在平衡状态下的方向，则称液晶发生了形变。发生形变的液晶内部也会象弹性体一样产生一个反抗形变的回复力矩。液晶的形变包括三种类型：展曲、弯曲和扭曲。如果一个沿面排列液晶盒的两个基片做成尖劈形，那么液晶会出现如图6.4(a）所示的展曲形变；如垂面排列液晶盒的两个基片做成尖劈形，则出现如图6.4(b）的弯曲形变。如果把一个沿面排列的液晶盒的一个玻璃基片绕
图6.4 向列液晶的两种形变示意图
(a) 展曲，(b) 弯曲
垂直于它表面的轴转过一个角度φ0（0<φ0<π），则出现如图6.5所示的扭曲形变，φ0称为扭曲角。由于基片对液晶长棒分子施加了扭矩，而长棒分子之间又具有回复力矩，两者的共同作用使液晶盒中不同位置上的分子取向转过了不同的角度φ，这样的液晶盒称为扭曲排列向列液晶盒，简称向列液晶盒。
图6.5 向列液晶扭曲形变（900扭曲液晶盒）示意图[7]
3．双折射与扭曲效应
在向列液晶中，液晶的指向矢n有大致相同的方向，而液晶本身是各向异性的。由于对称性，在垂直于n 的平面内，其物理性质应该是各向同性的，这一点类似于单轴晶体。因此可把各向异性的物理量分解成两部分：一是平行于n的分量，一是垂直于n的分量。例如，介电常数ε可分解成平行分量ε
εij=ε
(6.8)
εa=ε∥⊥∥和垂直分量ε ⊥，介电常数的二阶张量元可表示为 δij+εaninj -ε⊥ (6.9) 其中i，j=1，2，3，分别代表x、y、z三个坐标轴，而
1 i=j
δij=
0 i≠j
ni和nj 分别为n的分量。如果取n的方向为z轴的方向，则有，nx = ny = 0 。于是，εεyy =ε⊥ ，而εij（i≠j）的各分量均为xx =0，nz =1。将其代入（6.8）式得ε
∥zz =ε∥，这就是主轴坐标系，x、y、z为三个主轴。当ε
当ε∥>ε⊥，即εa>0时，称为正（p）型液晶；反之，< ε⊥，即εa<0时，称为负（n）型液晶。上述状态显然可与单轴晶体相对应，即光束通过液晶时也会出现双折射现象。
在图6.5的扭曲液晶盒中，由于取向矢的方向沿螺旋线连续转过一定角度，因而可视为液晶的主轴（z轴）不是直线而是螺旋线。如果液晶盒的扭曲角φ0= 900
，在入射光路中加
