液晶光阀特性的研究

1、级 姓名 学号 日期:实验题目:液晶光阀特性研究实验目的:在大背景的情况下 , 从基本原理的角度出发 , 测量相关曲线 , 理解并解 释相关现象 .实验原理:液晶光阀中的关键部分液晶是一种高分子化合物 , 其物理特性介于固体和液 体之间 ; 其结构介于固体和液体之间 , 称为中间态或中间相 . 呈现出既有液体的流 动性,又有晶体的光学各向异性,因而称为液晶。它既不同于不能流动的晶体, 也有别于光学各向同性的液体,它的特性既有晶体的取向特性 , 又有液体的流动 性 . 当液晶分子在取向膜层的影响下有序排列表现出的各向异性 , 又导致电、磁、 光、力的各向异性 .由于液晶分子之间的相互作用远低于固

2、体分子之间的相互作用力, 所以液晶 的各向异性在外场作用下会发生显著变化 .下面就实验中的两个关键部件加以说明1. 偏振分光棱镜的的工作原理薄膜偏光分束棱镜是在光学玻璃棱镜的体对角面上镀制多层介质膜 , 再将两块棱镜的分光面胶合起来 , 并在通光面上镀制增透膜 , 以降低光通过棱镜时的反射损耗。对于折射率不同的两种材料的交界面 , 总可以找到一个入射角 , 使之满足布儒斯特角条件 , 在这样一个条件下 ,激光由棱镜左侧入射后 , 在右侧透射的光为p分量光 , 在侧面反射的光为s分量光。 偏光分束镜的膜系设计要求 , 必须选择折射率满足一定的关系的膜料和基底材料,使p光全透过 , 而s光全12

3、部反射 .液晶光阀的结构如下图所示图形的平板玻璃相对放置在一起,使其间相距为 10m 。四周用环氧胶密封,但 在一侧封接边上留有一个开口, 该开口称为液晶注入口。 液晶材料即是通过该注 入口在真空条件下注入的。注入后,用树脂将开口封堵好。当然,作为扭曲向列 型液晶显示器件, 在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。 该定向层经定向处理 后, 可使液晶分子在液晶盒内, 在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列, 而在前 后玻璃基板之间液晶分子又呈 45度扭曲排列, 经过反射回来再次产生 45度扭曲,这样就产生振动方向 900 偏转 .本实验中的液晶主要是向列型液晶, 其分子长轴近似平行, 且平行于玻璃平

4、面液晶分子取向决定于取向膜层的方向 . 光通过液晶层时发生双折射效应,即入 射的偏振光进入液晶层后, 这时的液晶层相当于一个位相片, 其位相的大小取决 于写入光的强弱 . 反射回来的各种不同的椭圆偏振光 , 它的长、短轴的方向和比例 经检偏器后的光强是不同的。 液晶层两侧加一定电压, 液晶分子在电场的作用下 会沿电场方向排列, 即液晶的方向矢向电场方向偏转, 从而改变双折射效应。 液 晶光阀工作时, 光导层 9在外加写入光时电阻率急剧下降, 隔光层 8分离写入光 与读出光 . 在无写入光时,光导层电阻率高,电压几乎加在光导层上,液晶层上 电压降很小, 这时液晶对光的调制作用维持原来的状态; 当

5、有写入光时 (如一光 点照在液晶光阀的某一表面位置 ,光导电阻急剧下降,于是液晶层上电压迅速3 增大,使液晶光轴方向发生偏转,从而改变双折射效应 . 实际工作的光路如下图 氦氖激光器经括束、 准直后垂直照射在偏振分光棱镜上, 透过 p 分量, 作为 读出输入光进入液晶光阀,并将经光阀反射回来的光经棱镜 450 反射面反射后, 经成象透镜会聚在观察屏上 . 这种从光阀反射回来的光的偏振态因液晶的双折射 而改变 (如何改变? , 是各种状态的椭圆偏振光, 其状态与写入光的强度有关, 因而在观察屏上呈现的是一幅与写入光相应的图象, 这样就实现了强度小的非相 干光(写入光调制了强度大的相干光(读出光

6、,从而完成了弱光变强光,非 相干光变相干光的空间光调制作用 .0.86V 正象 1.57V 反转象 3.24V 正象 8.64V 反转 象试验器材 :氦氖激光器,扩束器,准直镜,观察屏,偏振分光棱镜,液晶光阀, 交流驱动电压,成像透镜实验内容 :1. 观察并记录实验现象,注意记录一种实验现象所需的各种参数值及 范围 .固定取向角 =400(相对值,光强最小处定义为零 ,写入电压固定为 6.81V ,调节驱动电压,观察到随着驱动电压的逐渐增大,正像,反像,边缘像呈现周期 性的变化,其中出现反像 3次,正像 3次,边缘减弱像 1次,边缘增强像一次, 通过测定,得具体范围如下: 2. 取定驱动频率为

7、 f=1.0kHz,驱动电压为零, 写入光为零时, 测出取向角 与输出 光强的关系,用 origin 软件处理得下图: angle(degree3. 对于图片的不同位置,写入光的光强是不一样的;为了对写入光有一个量化的 概念,在实验中取三种光强状态(全明、中间值、全暗分别对应图片中的透光 部分、 边缘部分、 不透光部分, 分别测出在某一驱动频率的情况下驱动电压和输 出光强曲线 . . 写入光为零,驱动频率为 f=1.0kHz , =400,测量 LCLV 输出光强与驱动 电压的关系,用 origin 软件处理得下图:4 voltage(V . 写入光全明(白色照明灯压为 8.64伏 ,驱动频率

8、为 f=1.0kHz , =400, 测量 LCLV 输出光强与驱动电压的关系,用 origin 软件处理得下图: voltage(V . 写入光为中间值 (白色照明灯压为 6.81伏 , 驱动频率为 f=1.0kHz , =400 ,测量 LCLV 输出光强与驱动电压的关系,用 origin 软件处理得下图:voltage(V为了更好的对这几种情况进行分析比较, 在这里我用 origin 软件将他们绘制在同 一张图里,见下图:5大学物理实验之液晶光阀特性研究 大学物理实验之液晶光阀特性研究 lig h t in t e n s ity (* E -3 4 0 n o lig h t 3 0

9、fu ll lig h t 2 0 h a lf lig h t 1 0 0 0 2 4 6 8 1 0 v o lta g e (V 通过对这几副图的比较分析，我发现以下几个现象： 共同点： 1、不管写入光的情况如何，光强随驱动电压的增加都体现出基本相同的变化规 律：变化规律基本服从正弦规律，同时最大值越来越小，周期越来越长，最 后趋于平稳，光强对驱动电压的反应越来越不敏感。 2、写入光对接收光强产生了大小上的影响， 使其图像类似产生在高度上的平移。 3、原因探究：写入光强对接受到的光强的影响是通过它对液晶光阀的影响实现 的，本实验中的液晶主要是向列型液晶，其分子长轴近似平行，且平行于玻 璃

10、平面，液晶分子取向决定于取向膜层的方向.光通过液晶层时发生双折射效 应，即入射的偏振光进入液晶层后，这时的液晶层相当于一个位相片，其位 相的大小取决于写入光的强弱.反射回来的各种不同的椭圆偏振光,它的长、 短 轴的方向和比例经检偏器后的光强是不同的。液晶层两侧加一定电压，液晶 分子在电场的作用下会沿电场方向排列，即液晶的方向矢向电场方向偏转， 从而改变双折射效应。液晶光阀工作时，光导层 9 在外加写入光时电阻率急 剧下降，隔光层 8 分离写入光与读出光.在无写入光时，光导层电阻率高，电 压几乎加在光导层上，液晶层上电压降很小，这时液晶对光的调制作用维持 原来的状态；当有写入光时（如一光点照在液

11、晶光阀的某一表面位置） ，光导 电阻急剧下降，于是液晶层上电压迅速增大，使液晶光轴方向发生偏转，从 而改变双折射效应. 由此理论依据，可得出出现以上现象的原因，双折射效应根本上是由电场影 响的，由于是交流电电场呈现周期性变化，故接收光强也呈周期性变化，交流电 大小不断改变，使其偏转程度改变，接收光强也继而发生改变。写入光通过影响 6 大学物理实验之液晶光阀特性研究 大学物理实验之液晶光阀特性研究 光导层上电阻率的变化间接影响液晶层上电压变化， 进而影响液晶分子的偏转程 度，从而对接收光强曲线造成影响。 与此同时，花会出现正像，反像，边缘像的原因正是液晶分子的偏转，当液 晶分子的角度刚好偏转到某

12、个固定值，则会出现这些现象。 正像对应于写入光为最大的曲线，如果这条曲线在某个电压下最大，则会出现正像， 正像对应于写入光为最大的曲线，如果这条曲线在某个电压下最大，则会出现正像，其 余类似原理。 余类似原理。 思考题： 1.液晶光阀的驱动电压用的是交流电，能用直流电吗?说出原因. 答：不能用直流电，这是由本实验的原理决定的，本实验中利用了液晶光阀的 双折射效应，当液晶层两侧加一定电压，液晶分子在电场的作用下会沿电场方向 排列，即液晶的方向矢向电场方向偏转，如果加的是直流电压，这将不会发生， 因为这样的话，电场方向将不发生变化，液晶分子排列方向将不会发生变化，双 折射效应也将无从谈起。 主要是直流电是液晶分子在某