液晶光学实验

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1、液晶光学实验摘要：一些有机材料在一定温度区间呈现液晶态，液晶处于液态和固态之间，液晶分子具有 排列的平移和取向有序性，因此会有特殊的光学现象，如旋光效应等。本实验主要了解液晶 的光学特性，观察液晶盒对偏振光的影响，了解液晶的工作机理和工作条件，观察液晶的双 稳现象。测量液晶的扭曲角，测量液晶响应的时间及速度。关键词： 液晶，偏振，扭曲角，双稳现象一 引言液晶由于其独特的排列的平移和取向有序性，有特殊的光学现象。利用这些独特的光学 特性，液晶可以应用在许多方面，如用作显示屏等等。为了对液晶的光学性质有一个初步的 认识，本实验将对液晶的基本性质做一些探究。二 实验原理1. 液晶基本知识液晶的类型：

2、一些有机材料在一定温度区间呈现液晶态，它处于液态和固态之间，液晶 就是这样一种物质。根据液晶分子排列的平移和取向有序性，可以将液晶划分为三大类：近 晶相、向列相和胆甾相液晶。液晶盒：液晶通常被封装在液晶盒中使用，液晶盒式由两个透明的玻璃片组成的，中间 间隔约为10 100 m 。在玻璃片内表面镀有透明的氧化铟锡透明导电薄膜作为电极，液晶 从两玻璃片之间注入。电极薄膜经过机械摩擦、镀膜、刻蚀等适当的方法，可以使液晶分子 平行玻璃表面排列（沿面排列），或者垂直玻璃表面排列（垂面排列），或者成一定的倾斜角。2. 电控双折射对液晶施加电场使液晶的排列方向发生变化，由于液晶分子的排列方向发生变化，按照

3、一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射，这就是电控双折射效应。液晶显示出光学各向异性，是由于它的细长分子结构，这种结构致使在分子的轴向和垂直于轴的方向上具有不同的物理性质。在实验中，液晶盒位于两个正交的偏振片P、A之间， 其透光轴方向如图1 所示。图 1 ：电控双折射效应B1B2为液晶盒的前后玻璃基片，此处使用的是正性向列相液晶，液晶分子在B1B2上沿 面排列，分子轴在起偏器P上的投影与F的透光轴成45。若不施加电场（如图1a所示）， 假设有一束光自左方射入，由起偏器 P 产生的线偏振光在液晶分子层中传播后，有一部分光 通过检偏器A。若在液晶盒上施加电场，由于电场对液晶分子的取向作用，使

4、得大多数分子 的长轴趋于电场方向排列（如图 lb 所示），使整个液晶盒变得橡一个光轴（即分子轴）倾斜于表 面的晶片那样，对人射光产生双折射作用。入射线偏振光经过液晶盒后将变成椭圆偏振光，从而有一部分光能够通过检偏器出射。若使电场强度在一定范围内变化，则由于光轴的倾斜 程度随之改变，造成折射率也随之变化，因而可以改变透射光的强度，即对输出光强进行调 制。但是，当电场强度进一步增大时，透明的液晶盒又会变成不透明，这是因为伴随着电场 强度的提高产生了动态散射效应。3. 光学双稳态光学双稳态是指在通过某一光学系统时其光强发生非线性变化的一种现象，即对一个入 射光强I1,存在两个不同的透射光强1,并以滞

5、后迴线形式为特征，如图2所示。利用电控 双折射效应引起透过率的非线性变化可以试验电光调制器。液晶光电混合型双稳装置由电光调制系统与输出反馈系统两部分组成。图3 为原理图。图 3：光电混合型双稳装置原理图I1为输入光强，I。为输出光强。为使透射光最大，分子轴在起偏器P上的投影与P的透 光轴成45角。P，A和液晶构成正交光路。液晶上加一直流偏压Vb，以便使液晶处在适当 b的工作状态。I。经光电探测器实现光电变换，得到的电信号经放大器放大后加到液晶上，从 而构成了光电混合反馈回路，控制输出关系，促成I.-I。之间的双稳关系。I.和I。应满足如下 i 。i 。关系：1)(V + V + V )V b

6、s兀o =( 2 丿I kIiivn为半波电压，v为附加电压(液晶剩余应力引起)，k为包括光探测器和放大器在内 的光电转换系数。分别作出方程(1)的调制曲线和方程(2)的反馈曲线，它们的交点即为两方 程的共同解。由图4可见，当入射光强由小到大变化时，工作点在C、D点透过率产生由低 到高的突变；若减小入射光强，工作点在F、B点产生由大到小的突变。因此，系统的I.- I。i。 关系成为如图 2 所示的滞后回线。双稳态要求整个装置必须工作在方程组具有双解的范围，图5中B、C、D、F所包围的区域即为临界范围。在Vb、V、/仃等反馈参数均固定的情况下,b s n4.混沌态混沌是指在确定性的动力学系统中的

7、无规则行为或内在随机性。混沌不是噪声,是对初 始条件极其敏感的非周期性的有序运动。对相空间的一定区域进行长时间观察会发现系统运 动轨迹的各态遍历性。一个系统可以导致混沌运动出现的基本思想是实现这样的数学反馈回路：系统的输出能 够不断地反馈到它自身作为新的输入这种回路无论简单还是复杂,都可以出现稳定的行为 和混乱的行为。它们的差别仅在于系统的某一参数取值不同。这个参数只要有极小的变化, 就会造成回路系统的行为从有序状态平滑地转化为表面上看来似乎是杂乱无章状态,即逐步 地演化为混沌。液晶光电混合光学双稳系统可用如下的延时耦合方程来描述I （t）=丄I Jl-cos I （V（t）+ V + V ）

8、|02 i IVb s IIL兀丿（3）4） + V(t)= kl (t t )dto R式中考虑了时间变量的反馈电压，tR表示系统的延迟时间，T是反馈系统的弛豫时间。R 在双稳态的讨论中事实上只考虑了系统的定态，而没有考虑其动态效应。在本实验中，当输出光强I0加上一定的时间延迟tR后再正反馈到液晶上，可以观察到0R混沌现象。三 实验步骤与数据记录1. 测量液晶的扭曲角按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶盒、偏振片（检偏器）、功率计探头的顺序，在导 轨摆好光路。连接各种设备之间的导线。打开激光器，仔细调整各个光学元件的高度和激光 器的方向，尽量使激光从光学元件的中心穿过，进入功率计探头。旋转起偏

9、器，使通过起偏 器的激光最强（根据功率计输出功率最大判断）。打开液晶驱动电源，驱动电压调整到最大。 旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度 1）。 将液晶驱动电源的驱动电压调整到最小，此时系统通光情况将发生变化，再次调整检偏器位 置，找到系统通光功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度2）。步骤5 与6之间的 角度位置差，就是该液晶合在该波长下的扭曲角。半导体激光器起偏器检偏器功率计探头4 一液晶合IIT:-导轨滑块LT光学实验导轨图 5 ：扭曲角测量光路图实验中，测得光通过起偏器后获得最大光强的角度为87 度；在液晶盒上加不同驱动电 压是，通过检偏器的光

10、功率记录如下：液晶盒驱 动电压（V）通过检偏器的光功 率最小时对应角度通过检偏器的 最小光功率10.32137度2.0微瓦0.09201.5 度5.0微瓦计算得，所测量液晶盒的扭转角为64.5 度。2.对比度 记录液晶驱动电压最大时的通过检偏器的最小光功率：Tmin=2.0 微瓦保持检偏器角度不变，将液晶驱动电压调至最小，读出此时系统的输出功率Tma=1-65 毫瓦对比度：动态范围：2. 上升沿与下降沿时间的测量 在驱动电压最大的情况下，旋转检偏器至输出光功率最小，将功能选择旋钮置于方波档， 测量光放大旋钮置于最大。功率计输出接测量光输入，测量光输出接示波器的CH2通道， 驱动波形接示波器的C

11、H1 ；打开示波器电源，功能置于双综显示，CH1触发。观察示波器上 的 CH1 通道波形。根据定义，在示波器上测量上升沿时间和下降沿时间。估计液晶的响应 速度。图 6：上升沿与下降沿时间的测量由于实验中，通道2开启反相，故实际上升沿时间为18ms，下降沿时间为4ms。3. 测量液晶衍射角，并推算液晶的结构尺寸 取下检偏器与功率计探头，逐步增加液晶驱动电源，用白屏观察类似于光栅衍射的条纹 观察光斑随时间的变化。调整驱动电压与液晶盒角度使衍射效果最佳，测量此时的衍射角 计算液晶光栅的光栅常数。图 7 ：液晶盒衍射光斑实验中，逐步增加电压，电压为2.38V时为一二维点阵（如图7中左图）；继续加大电

12、压（2.74V）,衍射光斑变为一维点阵，此时测得衍射光斑间距2cm，屏到液晶盒相距17.5cm, 则衍射角：光栅常数4. 观察测量衍射斑的偏振状态将检偏器紧靠液晶盒放置，旋转检偏器，观察到屏上衍射斑的一级衍射斑与二级衍射斑 交替消失，而中心亮斑一直存在，这说明一级与二级衍射光分别为偏振方向相互正交的偏振 光，而中心（零级）衍射光为非偏振光。5. 观察双稳态 如图8搭建光路，调节偏振片5和偏振片7相正交，并进行连线：参考光路：硅光电池光探头3接参考光输入，参考光输出接示波器的CH1,测量光路：光电二极管探头8接测 量光输入，测量光输出接示波器的CH2。由于要观察的双稳态是输出光强和输入光强之间的

13、 关系，所以必须让入射光强连续变化，接通步进电机电源，使偏振片旋转获得连续变化的入射光强。本实验中输出光的反馈采用的是负反馈（为了满足液晶双稳的工作点），因此示波 器中通道2 开启反相按钮。示波器选择在李萨茹图形（XY模式）的工作模式下，X轴为参考光信号，Y轴为测量光 信号。调节液晶的驱动电压旋钮、参考光与测量光的放大旋钮即可调节到液晶双稳的适合工 作点，得到液晶的双稳曲线。实验中获得的液晶双稳曲线如图 9：图 9 ：液晶双稳曲线四 总结 本实验主要通过观察液晶盒对偏振光的影响，了解液晶的工作机理和工作条件，并通过 观察液晶的双稳现象，了解光学双稳的基本原理，学会由实验现象分析光学双稳的一般规律。在测量液晶扭转角时，由于检偏器在21.5度与201.5度时（相差180度） ，出射光均达 到最小，但考虑到液晶的扭转角应小于90 度，故扭转角取（201.5-137）度=64.5度。实验中，由于所使用的激光较强，所以在放入或取出光学元件时，应注意遮挡光路，以 免在移动光学元件时，反射光对自己或其他同学的眼睛造成伤害。