液晶双稳态.doc

液晶双稳态实验一、 实验目的1、 了解双稳态的理论原理；2、 掌握液晶双稳态的实验原理；3、 掌握对影响光学双稳态现象的几个因素做出分析、比较；二、 实验仪器 CwT一液晶光学双稳态实验仪三、 实验原理自1974年吉布斯（Gibbs）首先利用F-P标准具，其内充满饱和气体Na蒸汽，观察到了光学双稳态现象以来，许多科学工作者相继在许多其他介质中也观察到了光学双稳态，并研制了各种各样的光学双温态期间。它作为开关元件和储存元件，有着重要的应用前景。作为开关元件时，其开关速度在理论上可以达到10-1110-12S，是现有电子开关的102103倍。光学双稳态器件与现在使用的晶体管相比，还有一个引人注意的优点，就是可以进行信号平行处理。光在真空中传播时，不同光束之间互不干扰，各自独立；在介质中，两束光只要分开几个波长的距离即可互不影响，因此在同一光学元件中，可以平行地通过几束光波，同一元件的不同区域可以同时分别对各光束进行运算操作。这将对计算机科学带来一革命，使计算机的构造和算法有巨大的改变，使计算机的功能有极大的飞跃。目前，研究双稳态现象的基本理论已经比较完善，需要进一步研究的内容是在一些新型材料或新型结构中实现它，并将这些材料研制成可供适用的光学双稳器件。但是，由于强光学非线性或低阈值能量与块响应时间和低光强吸收的矛盾，使得利用光学双稳态制造以光控光的全光开关器件仍面临着许多难以克服的困难。图1 光学双稳态特性曲线1、 光学双稳态的基本概念 如果一个光纤系统在给定的输入光强下存在两种可能的输出光强状态，而且可以用光学方法实现两态间的开关转换，即称该系统具有光学双稳性。其特征曲线（如图1）所示，其中Ii 是入射光强，It是透射光强，透射光相对于入射光具有延滞特性，因而形成两个稳定状态，在外加光脉冲的作用下，在两态间可能发生开关突变，延滞性和突变性是光学双稳性的两个主要特征。具有光学双稳性的光学器件，它一般是由非线性介质、反馈系统和外界入射光远三个要素组成。可以将其按反馈系统或非线性介质的不同性质加以分类。按反馈方式不同可分为本征型和混合型两类。本征型（或全光学型）的典型装置是由法布里-伯罗标准具内含非线性介质构成，由标准具的反射镜提供反馈；混合型的典型装置由光学调制器、光电探测器和放大器组成，从透射光中取出部分光信号通过探测器转变为电信号，放大后加在调制器上，构成光电混合反馈。按入射光与介质相互作用的不同机理分为吸收型和色散型两类。吸收型的典型例子三在标准具中置入可饱和吸收体；色散型光学双稳性的典型例子是内含光学非线性介质的法布里-伯罗标准具。2、 光学双稳态的理论基础取传播方向为Z，E为缓慢变化电场的包络线，P为介质的原子的极化强度，N为原子的总数，为入射光的频率，为原子跃迁的频率，根据Maxwell-Bloch方程： 其中是介质的体积，是原子偶极矩之模数。D是两个原子能级上的粒子数之差的半数，和分别为原子松弛时间的倒数。设系统处在稳态情况下，即 由于P和E都是实矢量，共振时MaxwellBloch方程变成：则有令 ，有入射电场Ei，和透射电场Et，之间的关系其中 ，正是介质的吸收系数。有将X(O)和X(L)表示为E(O)和E(L)的函数，令R表示反射系数，则有关系和分别是归一化的入射与透射电场带入(3)式，得称为Bonifacio和Lugiato方程，这是透过场y和入射场x之间的精确关系。当T和的值是最小量时，比值保持一个常量。方程简化为：对应于一个入射振幅的x值能有二个透过振幅y值，表明了双稳态具有滞后回线的特征：当y很大时，有x=y、这样腔体变成为真空一样，即原子系统成饱和、吸收体变成透明体。 吸收型双稳态的物理机理是，对应于入射场的弱强度值，介质具有很强的吸收，当入射光强增加，吸收体被饱和而引起腔中的强度增加、逐步地使吸收体达到完全的透明体此后腔如真空一样。当入射光强减弱时，但腔中的场还是相当大并保持介质的透明，之后便形成滞后回线。 有趣的是，可以调整C值的变化使得曲线的形状改变，当C1，故系统的工作类似于晶体管。相应地，一系列效应也是存在的。 同样，根据MaxwellBloch方程，可以推出色散型双稳态中入射场的强度和透射场的强度之间的关系，令其中是谐振腔的频率，L是谐振腔的长度，在稳定情况下有 当，T处于有限值；当，即真空腔情况 从物理机理而言，色散型双稳态与吸收型是不同的，因为真空腔的频率与入射光的频率不同。介质折射率随入射场的强度而变化。同时，折射率的变化又导致干涉仪中光程的变化，无法将干涉仪置于谐振的唯一情况下，需调节腔长。假如增加入射光强，折射率的变化导致谐振腔的光学长度变化，从而趋向于的谐振系统，在曲线上在b点处谐振、然后升到高值区c点。若减少入射强度、内部的场强还足以保持谐振一直要支撑到d点，它远比c点所需的强度弱得多，形成滞后回线。三、实验过程对于光学双稳态的实验研究，本文着眼于两个方面：1、采用什么方法实现光学双稳态；2、利用何种非线性光学元件实现光学双稳态，并描述该元件的特性曲线。 实现光学双稳态的常用方法有两种，一种是纯光型，另一种是光电混合型。而实现光学双稳念的元件通常有液晶、半导体、有机材料、玻璃等等。基于实验室现有的实验设备，本文将采用光电混合型方法实现光学双稳态，而采用的实验装置为CwT一液晶光学双稳态实验仪(下简称实验仪)，其中的非线性光学元件则采用液晶光阀1、实验仪器介绍 1）液晶光阀 液晶光阀实际上是一种多层膜结构(如图2)，它由CdS光导膜和CdTe光阻膜组成的光敏层和由扭曲向列相液晶和反射膜组成的反射式光调制层组成。所有膜层都夹在两透明电极膜之间，整个光阀工作在低的交流电压下。正常工作方式中，非相干写入光照射在CdS膜上，线偏振相干光入射液晶层并被反射，最后经检偏器读出。在无写入光照射下，CdS膜呈高阻状念，液晶上电压很小，液晶显示扭曲效应，线偏振光经液晶往返一次，其偏振态不变，通过正交检偏器观察到暗态。在写入光照射下，Cds膜阻抗降低，大部分电压转移到液晶层上，液晶显示双折射效应，此时，线偏振光被液晶调制为椭圆偏振光，通过正交检偏器观察到亮态。 液晶在光阀中对线偏振读出光起位相调制作用。液晶光阀的性能主要决定于液晶的性质。 我们知道液晶相是介于固相与液相之间的一种相态。它能象液体般地流动，并且有表面张力，但它的分子排列却有一定的规律，从而呈现固相各向异性，这又和晶体相似。因此也可把液晶定义为分子排列呈某种规律性的液体。把液晶夹在两快基片之间，并对基片进行恰当地处理，就可以使液晶分子的排列具有确定的规律。 由于液晶分子在形状、极化率和电导率等方向都具有明显的各向异性，当大量液晶分子有规律的排列时，其整体的电学和光学性质也就呈现出各向异性。若对其施加电场，就会引起分子排列方向和位置的变化，从而导致其光学性质的变化，这就是液晶的光电效应。液晶光阀中液晶的有关效应有两种：无电压时的扭曲效应和电压大于阈值时的双折射效应。当液晶光阀上不加电场时，液晶层中的液晶分子为螺旋状排列。分子的长轴彼此平行且与电极表面平行，相邻两层分子的长轴略有一点转向。对于90扭曲液晶光阀(如图3)，从液晶层前表面到后表面，液晶分子的长轴连续扭转90。 当液晶光阀上加上适当电压时，分子的排列规律将发生变化，原来平行于电极表面的分子开始倾斜，其倾角的大小与分子在液晶层中的位置和液晶层上的电压有关。同时，分子的扭曲角也发生变化。若外加电压UUth时，液晶分子偏离平行均匀排列状态，有扭曲和倾角的再分布，液晶对入射光产生双折射作用，入射线偏振光被调制为椭圆偏振光。当电压UUth时，液晶分子基本趋向垂直表面排列，对光调制作用减少，透过光偏振态变化不大，因此，当液晶以反射方式工作时，用正交检偏器读出，液晶的电光曲线存在极大的透光峰。调节液晶光阀的工作电压，使液晶工作在透光峰范围内，则可使液晶光阀进行图像变换。当液晶光阀中液晶层工作点分别处在透过光强随电压增加而单调增加和单调减少两种区域时，光阀分别有对比度反转的输出图像。2）实验仪实验仪实际上是一个集成的工作箱。它可提供激光器工作电压、D1和D2所需工作电压、运算放大器AM所需工作电压和加在液晶光阀上的偏置电压；它能显示偏罱电压的大小以及D1、D2探测的结果。并且在实验仪上可以选择是否加载反馈电压，也可以对D1、D2的工作电压及AM的反馈电阻进行调节。四、实验步骤 在对实验仪器有一定了解的基础上，我们将按照如下的步骤进行实验：1、将实验装置按照原理图(如图4)摆放，其中P1、P2为偏振片、BS为分束 器、D1、D2，为光电探测器、LCLV(Liquid Crystal Light Valve)为液晶光阀、AM为放大器、V为偏置电压。调节仪器时，首先，注意调节激光器，使其发出的光尽可能会聚；其次，调节P1、P2、BS以及LCLV使它们共轴，并转动BS使其与光束成45；最后，一确定光束是否正入射光电探测器。总之，确保D1、D2所接收的光强相同。 2、测量液晶光阀的光电特性 保持入射光不变，使其强度合适；改变加在液晶光阀上的偏置电压，D，探测到的信号不反馈到液晶光阀上。在这种情况下测量不同偏置电压下的透射光强。由于入射光强不变，该透射光强正比于透射率T，由此可以测出液晶光阀的电光特性曲线。 3、观测光学双稳态 （1）调节偏压至恰当数值；调节运算放大器的反馈电阻，使其放大倍数合适