在传统高精度光路中，偏振控制离不开波片的使用，控制光束的通断需要用到机械快门或斩波器，波长切换往往需要多种滤光片。这些器件通常搭配各种机械组件实现调整与切换，不仅效率低，调整过程还容易致光路抖动和偏移。基于液晶盒开发的有源液晶器件，正提供了一种稳定且便捷的全新光控方案。

有源液晶器件的基础——液晶盒

液晶盒是由ITO玻璃衬底、聚酰亚胺取向层、向列相液晶组成的三明治结构，错位设计使得前后衬底的ITO层露出，可以用于导线的连接。

图1 液晶盒

取向层（配向膜）在液晶盒中与液晶直接接触，通过摩擦取向处理或光取向技术形成微观沟槽，使液晶分子能够按照取向方向排列。聚酰亚胺（PI）是工业生产中常用的取向剂材料，具有耐高温、抗化学腐蚀、取向稳定、易成膜、制作成本低等综合的优良性能。

根据液晶盒上下基板取向的不同，可以将液晶盒简单地分为平行型液晶盒、TN型液晶盒、VA型液晶盒、IPS型液晶盒等。平行型液晶盒的上下基板的取向方向相互平行，由于液晶分子存在预倾角，实际应用中通常采用上下基板取向相反的“反平行式”液晶盒，以确保盒内液晶分子的初始排列方向完全一致。TN型液晶盒的上下基板取向方向相互垂直，液晶分子在两层基板之间会形成一个连续的90°螺旋扭曲结构。

向列相液晶是一种液晶分子长轴在空间中大致平行排列、但分子中心位置无长程有序的液晶相态，既具有液体的流动性，又有晶体的各向异性。其最重要的特点是对电场非常敏感：当外加电场时，向列相液晶分子会在介电各向异性作用下发生取向转动，改变液晶分子的空间排布。这种电控取向效应使向列相液晶能够通过较低电压实现快速、可逆的光学调制，因此被广泛应用于液晶显示器、光调制器和空间光调制器等器件中。

由于液晶分子在长期直流电压下会持续极化，产生不可逆排列，因此需使用交流信号进行控制。有源液晶器件通常配有专用的交流驱动器，用于便捷地调节器件的光学参数。

液晶可变延迟器

图2 液晶可变延迟器

液晶可变延迟器通常基于反平行式液晶盒填充向列相液晶制成。当没有外加电压时，液晶分子在聚酰亚胺层的作用下沿摩擦取向方向排列；当通过玻璃衬底的ITO导电层接入外部交流电压时，液晶分子会在电场作用下发生偏转。在一定范围内，电压越大，液晶分子排列方向的改变幅度也越大。

随着分子的偏转，液晶可变延迟器在平行于元件表面的方向上，快轴方向始终保持不变；但在垂直方向上，分子排列的改变会引起整体延迟量的变化。对于不同波长的光，液晶可变延迟器的延迟量上限不同，这和液晶材料的固有参数与液晶盒的盒厚相关，LBTEK液晶可变延迟器在工作波段范围内可以确保延迟量上限：半波≥λ/2，全波≥λ。

由于靠近衬底的液晶分子受聚酰亚胺层的锚定作用较强，几乎不受外加电压影响而发生偏转，这种现象导致无补偿的液晶可变延迟器存在少量延迟量残留，其下限约为数十纳米。为解决这一问题，可贴附一片快轴与液晶盒快轴相互垂直的补偿片，从而抵消残留延迟量，实现从0开始的连续调节。

图3 液晶可变延迟器的延迟量可调原理示意

综上，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，除了可以将延迟量调整至λ/2或λ/4作为半波片和四分之一波片使用外，还具有以下灵活应用：当入射线偏振光的偏振方向与液晶可变延迟器快轴呈45 °时，可作为偏振调制器，且此时调节范围最广；当入射线偏振光的偏振方向与液晶可变延迟器快轴呈0 °时，则可作为纯相位延迟器使用。

图4 液晶可变延迟器用作偏振调制器

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，也就是响应时间。响应时间与液晶材料的粘度、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，响应时间对液晶可变延迟器的性能有较大影响。

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其固有参数发生变动，进而影响液晶可变延迟器的光学性能。因此在使用时，需要保证环境温度相对稳定。

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，确保液晶可变延迟器的延迟量达到预期。

液晶旋光器

液晶旋光器基于液晶可变延迟器和聚合物真零级四分之一波片制成。通过对液晶可变延迟器施加外部交流电压，可实现入射线偏振光的偏振方向连续旋转180°以上，且不改变输出光的能量，出射线偏振光的消光比可>1000:1。

图5 液晶旋光器

入射线偏振光的偏振方向与机械外壳的AXIS1或AXIS2对齐，相对于液晶可变延迟器的快轴呈45°。随外接电压的变化，液晶可变延迟器会产生不同的延迟量，从而产生具有不同椭圆率的偏振光。四分之一波片的快轴同样相对于液晶可变延迟器的快轴呈45°，从液晶可变延迟器出射的椭圆偏振光经四分之一波片后变回线偏振光，且出射线偏振光的角度取决于入射光的椭圆率。

图6 液晶旋光器结构示意图

根据产品附带检测报告中的电压-旋转角曲线，可灵活调节外部交流电压来得到预期的出射线偏振光旋转角度。

图7 电压-旋转角曲线

液晶光开关

液晶光开关基于90°TN取向液晶盒和薄膜线性偏振片制成。通过对填充在TN液晶盒中的向列相液晶施加交流电压，可实现90°/0 °旋光效果切换，并结合正交偏振片实现光束通断的作用，为光路提供快速、无振动的光束通断控制效果。LBTEK液晶光开关可实现<5 ms的高速开关响应以及在工作波段内均值>5000:1的开关对比度，可用于相机快门、机器视觉、3D显示等应用。

图8 液晶光开关

液晶光开关的功能主要由液晶盒内的向列相液晶填充层实现，当无外加电压（0 V）时，在聚酰亚胺层的作用下，液晶分子的快轴从上表面到下表面呈现90°连续扭转。入射光经过液晶盒时发生90°旋光，正好能够穿过后面的正交偏振片，此时光开关处于“开”状态；而当施加15 V电压后，液晶分子会在电场作用下趋于平行排列，原有的扭曲结构被破坏。此时入射光不再发生旋光，随后被正交偏振片阻挡，从而实现“关”状态 。

图9 工作示意图

液晶光开关也可用作光衰减器，在外部施加0 V和15 V电压时实现光束的通断控制，而当电压在0 V和15 V之间连续变化时，液晶分子快轴逐渐变化，入射光旋光效果也从90 °逐渐趋于0 °，结合前后两个正交偏振片，便可以通过施加不同的中间电压得到不同的衰减效果。

液晶光开关对比度的定义为0 V电压下透过的最大光强与15 V电压下所透过的最小光强的比值。在400-700 nm工作波段内，可实现不同波长下平均对比度>5000:1。

有源液晶光栅

有源液晶光栅的器件结构和液晶可变延迟器基本相同，同样采用ITO导电玻璃制成的液晶盒并填充向列相液晶制成，不同之处在于，它的液晶分子快轴取向沿X轴方向呈周期性的连续渐变（类似偏振光栅）。通过改变外加电压来调节液晶层的延迟量，可确保有源液晶光栅在一定波长范围内，其±1阶衍射效率始终保持在>90% 。

图10 有源液晶光栅

传统的无源液晶偏振光栅只能针对单一波长实现最佳的半波延迟，一旦偏离工作波长，衍射效率就会明显下降。而有源液晶光栅的可调延迟量特性使其可以工作在相对较宽的波长范围内，对工作波段内的任意波长，总能通过调节控制电压使其延迟量匹配到λ/2，这为需要频繁更换不同波长光源的实验场景提供了极大便利。

图11 电压-衍射效率曲线

液晶光束扫描模块（非机械式光束扫描模块）

液晶光束扫描模块主要由液晶可变延迟器、液晶偏振光栅级联组成。相比于传统机械式光束扫描技术，非机械式光束扫描模块具有体积小、响应速度快，稳定性高等优点。可在激光雷达、自由空间激光通信、宽带非偏振敏感无源成像等应用中发挥重要作用。

图12 液晶光束扫描模块

通过控制器实时调节液晶可变延迟器的外加电压，可将入射光转换为左旋或者右旋圆偏振光，由于液晶偏振光栅具有偏振敏感的衍射特性，正交圆偏振光在经过同一片液晶偏振光栅时，会以相同的衍射角被偏转到不同方向。因此，仅需“一片可变延迟器+一片偏振光栅”的组合，即可实现光束在两个偏转角度之间的快速切换。若将多组器件级联，便能实现光束在多个角度间的切换，从而完成一维或二维方向上的点阵扫描。可偏转角度数目A与液晶偏振光栅数量N之间的关系满足：A= 2N。

图13 液晶可变延迟器和液晶偏振光栅的贴合顺序示意图

非机械式光束扫描模块的光束偏转效率主要受玻璃层数、增透膜工艺以及光栅的衍射效率等因素影响；而不同偏转角度间的切换响应时间，则与液晶盒盒厚、液晶材料以及工作温度等参数密切相关。值得注意的是，液晶可变延迟器在从低电压切换到高电压和从高电压切换到低电压时的响应时间是不同的。这是因为升压时，驱动分子偏转的是电场力，而降压时促使分子复位的是弹性回复力，由于电场力属于强力，弹性力属于弱力，因此升压时的液晶分子状态转换更快，响应时间更短。在实际应用中，通常可以通过减小液晶盒厚度，或在模块内加入温控组件提高工作温度，来有效缩短器件的响应时间。

液晶可调谐带通滤波器

液晶可调谐滤光片（LCTF）结构类似于Lyot型滤波器，由一系列偏振片及液晶可变延迟器（LCVR）组成，偏振片透振轴方向与LCVR快轴成45°，通过外加电压控制LCVR延迟量，从而实现不同波长光的透过。根据Lyot设计，相同波长下每一级的延迟量为前一级的2倍，由此可获得较小的透射带宽。

LCTF可实现中心波长在一定波段范围内连续可调，且响应时间可达几十毫秒。LCTF可用于滤光片型高光谱相机，通过控制外加电压即可实现宽谱范围内任意中心波长的快速调制。相比于滤光片轮高光谱相机，其仅需外部电控、无需机械转动，具有体积小、稳定性高、能耗低、便于调节等特点，在一些轻小型系统中具有独特优势。

图14 4级Lyot型液晶可调谐滤光片原理图[左] 设计透射光谱曲线图[右]