液晶光閥特性的研究

1、級 姓名 學號 日期:實驗題目:液晶光閥特性研究實驗目的:在大背景的情況下 , 從基本原理的角度出發(fā) , 測量相關曲線 , 理解并解 釋相關現(xiàn)象 .實驗原理:液晶光閥中的關鍵部分液晶是一種高分子化合物 , 其物理特性介于固體和液 體之間 ; 其結構介于固體和液體之間 , 稱為中間態(tài)或中間相 . 呈現(xiàn)出既有液體的流 動性,又有晶體的光學各向異性,因而稱為液晶。它既不同于不能流動的晶體, 也有別于光學各向同性的液體,它的特性既有晶體的取向特性 , 又有液體的流動 性 . 當液晶分子在取向膜層的影響下有序排列表現(xiàn)出的各向異性 , 又導致電、磁、 光、力的各向異性 .由于液晶分子之間的相互作用遠低于固

2、體分子之間的相互作用力, 所以液晶 的各向異性在外場作用下會發(fā)生顯著變化 .下面就實驗中的兩個關鍵部件加以說明1. 偏振分光棱鏡的的工作原理薄膜偏光分束棱鏡是在光學玻璃棱鏡的體對角面上鍍制多層介質(zhì)膜 , 再將兩塊棱鏡的分光面膠合起來 , 并在通光面上鍍制增透膜 , 以降低光通過棱鏡時的反射損耗。對于折射率不同的兩種材料的交界面 , 總可以找到一個入射角 , 使之滿足布儒斯特角條件 , 在這樣一個條件下 ,激光由棱鏡左側入射后 , 在右側透射的光為p分量光 , 在側面反射的光為s分量光。 偏光分束鏡的膜系設計要求 , 必須選擇折射率滿足一定的關系的膜料和基底材料,使p光全透過 , 而s光全12

3、部反射 .液晶光閥的結構如下圖所示圖形的平板玻璃相對放置在一起,使其間相距為 10m 。四周用環(huán)氧膠密封,但 在一側封接邊上留有一個開口, 該開口稱為液晶注入口。 液晶材料即是通過該注 入口在真空條件下注入的。注入后,用樹脂將開口封堵好。當然,作為扭曲向列 型液晶顯示器件, 在液晶盒內(nèi)表面還應制作上一層定向?qū)印?該定向?qū)咏?jīng)定向處理 后, 可使液晶分子在液晶盒內(nèi), 在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列, 而在前 后玻璃基板之間液晶分子又呈 45度扭曲排列, 經(jīng)過反射回來再次產(chǎn)生 45度扭曲,這樣就產(chǎn)生振動方向 900 偏轉 .本實驗中的液晶主要是向列型液晶, 其分子長軸近似平行, 且平行于玻璃平

4、面液晶分子取向決定于取向膜層的方向 . 光通過液晶層時發(fā)生雙折射效應,即入 射的偏振光進入液晶層后, 這時的液晶層相當于一個位相片, 其位相的大小取決 于寫入光的強弱 . 反射回來的各種不同的橢圓偏振光 , 它的長、短軸的方向和比例 經(jīng)檢偏器后的光強是不同的。 液晶層兩側加一定電壓, 液晶分子在電場的作用下 會沿電場方向排列, 即液晶的方向矢向電場方向偏轉, 從而改變雙折射效應。 液 晶光閥工作時, 光導層 9在外加寫入光時電阻率急劇下降, 隔光層 8分離寫入光 與讀出光 . 在無寫入光時,光導層電阻率高,電壓幾乎加在光導層上,液晶層上 電壓降很小, 這時液晶對光的調(diào)制作用維持原來的狀態(tài); 當

5、有寫入光時 (如一光 點照在液晶光閥的某一表面位置 ,光導電阻急劇下降,于是液晶層上電壓迅速3 增大,使液晶光軸方向發(fā)生偏轉,從而改變雙折射效應 . 實際工作的光路如下圖 氦氖激光器經(jīng)括束、 準直后垂直照射在偏振分光棱鏡上, 透過 p 分量, 作為 讀出輸入光進入液晶光閥,并將經(jīng)光閥反射回來的光經(jīng)棱鏡 450 反射面反射后, 經(jīng)成象透鏡會聚在觀察屏上 . 這種從光閥反射回來的光的偏振態(tài)因液晶的雙折射 而改變 (如何改變? , 是各種狀態(tài)的橢圓偏振光, 其狀態(tài)與寫入光的強度有關, 因而在觀察屏上呈現(xiàn)的是一幅與寫入光相應的圖象, 這樣就實現(xiàn)了強度小的非相 干光(寫入光調(diào)制了強度大的相干光(讀出光

6、,從而完成了弱光變強光,非 相干光變相干光的空間光調(diào)制作用 .0.86V 正象 1.57V 反轉象 3.24V 正象 8.64V 反轉 象試驗器材 :氦氖激光器,擴束器,準直鏡,觀察屏,偏振分光棱鏡,液晶光閥, 交流驅(qū)動電壓,成像透鏡實驗內(nèi)容 :1. 觀察并記錄實驗現(xiàn)象,注意記錄一種實驗現(xiàn)象所需的各種參數(shù)值及 范圍 .固定取向角 =400(相對值,光強最小處定義為零 ,寫入電壓固定為 6.81V ,調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓,觀察到隨著驅(qū)動電壓的逐漸增大,正像,反像,邊緣像呈現(xiàn)周期 性的變化,其中出現(xiàn)反像 3次,正像 3次,邊緣減弱像 1次,邊緣增強像一次, 通過測定,得具體范圍如下: 2. 取定驅(qū)動頻率為

7、 f=1.0kHz,驅(qū)動電壓為零, 寫入光為零時, 測出取向角 與輸出 光強的關系,用 origin 軟件處理得下圖: angle(degree3. 對于圖片的不同位置,寫入光的光強是不一樣的;為了對寫入光有一個量化的 概念,在實驗中取三種光強狀態(tài)(全明、中間值、全暗分別對應圖片中的透光 部分、 邊緣部分、 不透光部分, 分別測出在某一驅(qū)動頻率的情況下驅(qū)動電壓和輸 出光強曲線 . . 寫入光為零,驅(qū)動頻率為 f=1.0kHz , =400,測量 LCLV 輸出光強與驅(qū)動 電壓的關系,用 origin 軟件處理得下圖:4 voltage(V . 寫入光全明(白色照明燈壓為 8.64伏 ,驅(qū)動頻率

8、為 f=1.0kHz , =400, 測量 LCLV 輸出光強與驅(qū)動電壓的關系,用 origin 軟件處理得下圖: voltage(V . 寫入光為中間值 (白色照明燈壓為 6.81伏 , 驅(qū)動頻率為 f=1.0kHz , =400 ,測量 LCLV 輸出光強與驅(qū)動電壓的關系,用 origin 軟件處理得下圖:voltage(V為了更好的對這幾種情況進行分析比較, 在這里我用 origin 軟件將他們繪制在同 一張圖里,見下圖:5大學物理實驗之液晶光閥特性研究 大學物理實驗之液晶光閥特性研究 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 通過對這幾副圖的比較分析，我發(fā)現(xiàn)以下幾個現(xiàn)象： 共同點： 1、不管寫入光的情況如何，光強隨驅(qū)動電壓的增加都體現(xiàn)出基本相同的變化規(guī) 律：變化規(guī)律基本服從正弦規(guī)律，同時最大值越來越小，周期越來越長，最 后趨于平穩(wěn)，光強對驅(qū)動電壓的反應越來越不敏感。 2、寫入光對接收光強產(chǎn)生了大小上的影響， 使其圖像類似產(chǎn)生在高度上的平移。 3、原因探究：寫入光強對接受到的光強的影響是通過它對液晶光閥的影響實現(xiàn) 的，本實驗中的液晶主要是向列型液晶，其分子長軸近似平行，且平行于玻 璃

10、平面，液晶分子取向決定于取向膜層的方向.光通過液晶層時發(fā)生雙折射效 應，即入射的偏振光進入液晶層后，這時的液晶層相當于一個位相片，其位 相的大小取決于寫入光的強弱.反射回來的各種不同的橢圓偏振光,它的長、 短 軸的方向和比例經(jīng)檢偏器后的光強是不同的。液晶層兩側加一定電壓，液晶 分子在電場的作用下會沿電場方向排列，即液晶的方向矢向電場方向偏轉， 從而改變雙折射效應。液晶光閥工作時，光導層 9 在外加寫入光時電阻率急 劇下降，隔光層 8 分離寫入光與讀出光.在無寫入光時，光導層電阻率高，電 壓幾乎加在光導層上，液晶層上電壓降很小，這時液晶對光的調(diào)制作用維持 原來的狀態(tài)；當有寫入光時（如一光點照在液

11、晶光閥的某一表面位置） ，光導 電阻急劇下降，于是液晶層上電壓迅速增大，使液晶光軸方向發(fā)生偏轉，從 而改變雙折射效應. 由此理論依據(jù)，可得出出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因，雙折射效應根本上是由電場影 響的，由于是交流電電場呈現(xiàn)周期性變化，故接收光強也呈周期性變化，交流電 大小不斷改變，使其偏轉程度改變，接收光強也繼而發(fā)生改變。寫入光通過影響 6 大學物理實驗之液晶光閥特性研究 大學物理實驗之液晶光閥特性研究 光導層上電阻率的變化間接影響液晶層上電壓變化， 進而影響液晶分子的偏轉程 度，從而對接收光強曲線造成影響。 與此同時，花會出現(xiàn)正像，反像，邊緣像的原因正是液晶分子的偏轉，當液 晶分子的角度剛好偏轉到某

12、個固定值，則會出現(xiàn)這些現(xiàn)象。 正像對應于寫入光為最大的曲線，如果這條曲線在某個電壓下最大，則會出現(xiàn)正像， 正像對應于寫入光為最大的曲線，如果這條曲線在某個電壓下最大，則會出現(xiàn)正像，其 余類似原理。 余類似原理。 思考題： 1.液晶光閥的驅(qū)動電壓用的是交流電，能用直流電嗎?說出原因. 答：不能用直流電，這是由本實驗的原理決定的，本實驗中利用了液晶光閥的 雙折射效應，當液晶層兩側加一定電壓，液晶分子在電場的作用下會沿電場方向 排列，即液晶的方向矢向電場方向偏轉，如果加的是直流電壓，這將不會發(fā)生， 因為這樣的話，電場方向?qū)⒉话l(fā)生變化，液晶分子排列方向?qū)⒉粫l(fā)生變化，雙 折射效應也將無從談起。 主要是直流電是液晶分子在某