光尋址液晶光閥特性研究1

1、r驗報告11系06級姓名林仁俊 學(xué)號pb06210374實驗題目：光尋址液晶光閥特性研究實驗?zāi)康模簭幕驹淼慕嵌瘸霭l(fā)，測量液晶的相關(guān)曲線，理解并解釋相關(guān)現(xiàn)象。ti/' 少/ /: /-1/ zz十.* 1實驗原理：下面就實驗中的兩個關(guān)鍵部件加以說明1偏振分光棱鏡的的工作原理如右圖1所示，棱鏡是在光學(xué)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,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(cè)入射后，在右側(cè)透射的光為p分量光（經(jīng)過鍍膜后使投射光

2、中沒有s分量）， 在側(cè)面反射的光為s分量光。偏光分束鏡的膜系設(shè)計要求，必須選擇折射率滿足 一定的關(guān)系的膜料和基底材料，使p光全透過，而s光全部反射在實驗中偏光分束棱鏡既起到起偏器作用又起到檢偏器的作用.2.液晶光閥液晶光閥分為投射式的液晶光閥和反射式的液晶光閥;木實驗中使用的是反 射式的液晶光閥，先解釋兒個名詞液晶：液晶的分子為有機分子，大多為棒狀，即它的長度尺寸為直徑尺寸 的5倍以上。由于分子結(jié)構(gòu)的這種對稱性，使得分子集合體在沒有外界干擾的 情況下形成分子相互平行排列，以使系統(tǒng)自由能最小。但是，液晶具有液體的流 動性，不可能脫離固體容器的盛載，但固體容器表面往往給液晶帶來干擾，破壞液晶整體一

3、致的排列性，而變成一微米至數(shù)十微米取向不同的小疇。所以在制作液晶器件時，一定要在基板上附上液晶取向膜，以保持液晶整體的排列。取向膜：液晶器件的玻璃基板最表層上都要有一層取向膜，其作用是使液晶沿 預(yù)定方向取向。這一層膜雖薄，約在50150納米z間，但卻是液晶器件的 關(guān)鍵部分。液晶內(nèi)部的取向通常服從表面的取向，如果不服從就會產(chǎn)生畸變，使 體系能量增高。所以研究表面取向成為研究液晶器件的最重要部分方向矢：液晶器件的玻璃基板最表層上的取向膜的方向液晶光閥中的關(guān)鍵部分就是液晶,其物理特性介于固體和液體之間;其結(jié)構(gòu)介 于固體和液體z間，稱為屮間態(tài)或屮間相.呈現(xiàn)出既有液體的流動性，又有晶體的 光學(xué)各向異性，

4、因而稱為液晶。它既不同于不能流動的晶體，也有別于光學(xué)各向 同性的液體，它的特性既有晶體的取向特性，乂有液體的流動性當(dāng)液晶分子在取 向膜層的影響下有序排列表現(xiàn)岀的各向異性，又導(dǎo)致電、磁、光、力的各向異性. 由于液晶分子之間的相互作用遠(yuǎn)低于固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.通常我們所說的液晶在排列方式上主要分三類：向列相、膽笛相、近晶相。向列相液晶的排列方式分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性。膽斛 相實際是向列相的特殊形式，分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性，此 外述有與分子取向垂直的螺旋軸，分子取向沿軸旋轉(zhuǎn)、即連續(xù)扭曲狀態(tài)。向列相液晶和膽笛相液

5、晶口前已具有非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在液晶平板 顯示器上的應(yīng)用，市場極大。液晶顯示器并非液晶本身發(fā)光，它是將光源光進(jìn)行 調(diào)制顯示圖像，因此無閃爍，長期觀看無疲勞感，是有利于人眼健康的顯示器。 但向列相液晶的響應(yīng)速度較慢，響應(yīng)時間一般超過20毫秒，最適合做便攜式電 腦的顯示器，以及攝像機上的取景器，車載導(dǎo)航儀等，做液品電視一直存在困難， 但近年來，通過技術(shù)的改進(jìn)，液晶電視也已面市。近晶相不但具有分子取向有序，而口還具有分子層狀結(jié)構(gòu)，分子重心可在 層法線方向上周期平移，但在分子層內(nèi)仍無平移周期。近晶相更接近晶體結(jié)構(gòu)。 實際在近晶相中乂可細(xì)分很多相態(tài)，但多數(shù)都沒有應(yīng)用，只有對近晶相中的鐵電 相的研究比

6、較透徹，目前已有很多嘗試性應(yīng)用。鐵電液晶分子具有固有偶極矩， 響應(yīng)速度大約比向列相液晶快3個數(shù)量級，但其器件的制備技術(shù)要求很高。液晶的主要特征之一，是象光學(xué)單軸晶體那樣，由于折射率各向異性而顯示 出雙折射性(double refraction) 單軸晶體有)和代這兩個不同的主折射率，q和億分別是電光矢量的振動方向與晶體光軸相垂直的尋常光(ordinary light)及與晶體光軸平行的非常光(extraordinary light)的折射率在向列型液晶液晶中，因為單軸晶體的光鈾相當(dāng)于分子長軸方向的指向矢n 的方向，"丄即折射率各向異性a可由下式求得：aaz = ne -no = nf

7、f -向列型液晶在各個空間方向上的折射率的大小如圖2,對于尋常光表現(xiàn)為球 面，對于非常光則表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)橢球體；前者的折射率勺常常要比后者的折射率仗小，只有在指向矢n的方向上二者才一致向列型液晶屮，n/( >, "是正值,圖2圖3現(xiàn)由圖3說明入射偏振光的偏振狀態(tài)發(fā)生的變化.對于液晶排列與x軸(豎直向上)方向一致的指向矢n,我們假定電矢量的 振動方向與x成角，而沿z方向(水平向右)入射的的電場矢量為e()的線偏 振光，設(shè)z二0時的電矢量在x、y方向上的分量為巴.、e)、，則進(jìn)行到z時的入 射線偏振光的狀態(tài)，可用下式表示。pee e(-)2 + (-)2 一 2cos5 = e(j s

8、in2 5(1)cos0 sin& cososin。式中：8 =-nl)z從（1）式可知，當(dāng)0 = 0和=龍/2時，則ey = o和ex =0 ,即入射 的線偏振光的偏振方向不發(fā)牛變化；當(dāng)0 = 71/4時，式（1）變成e 2ev2 + ev2 -2eev cos = -sin2d>（2）a - a '2由此可知，入射光沿著z方向前進(jìn)，則其偏振光狀態(tài)按照直線、橢圓、圓、 橢園、直線偏振光的順序變化，線偏振光的偏光方向也發(fā)生變改（如圖3所示）。 下面敘述線偏振光入射到指向矢有扭曲的液晶時的情況。務(wù)光方肉首先，當(dāng)液晶分子排列扭曲的螺距少比入射光的 波長大得多時，象圖4表示的那

9、樣，平行于入射口的 的偏振光方向的入射光將沿著的扭曲方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)， 并以平行于射出口的n的偏振方向射出。而以垂直于 n的偏振方向入射的光，則以垂直于射出口的方向射 出。以上述方向之外偏振方向入射的光，則對應(yīng)于從 液晶的入射口到射出口之間的相位差 ,以橢園偏振光、圓偏振光或直線偏振光中的某種偏振狀態(tài)射出。下面簡單介紹一下反射式的液晶光閥的結(jié)構(gòu)和原理1 増透膜層6.隔圈2.平板玻璃7.高反射層3透明電極8.隔光層4.液晶分子取向膜層9.光導(dǎo)層5.扭曲液晶10.電源液晶光閥的結(jié)構(gòu)如下圖5所示下面以典型的反射型扭曲向列型液晶器件為例進(jìn)行介紹，將兩片光刻好透明導(dǎo)電極圖形的平板玻璃相對放置在一起，間距一般

10、10/h ,大多為2pm °四周用環(huán)氧膠密封，但在一側(cè)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(dāng) 然，作為扭曲向列型液晶顯示器件，在液晶盒內(nèi)表面還應(yīng)制作上一層定向?qū)?。?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；我們首先考慮 暗態(tài)情況，如果在液晶光閥和讀出光之間放置一對正交的起偏器和檢偏器，起偏 器置于入射光束屮并平行于第一電極的預(yù)定向，而檢偏器置于反射光中。在暗態(tài) 時，線偏振入射光第一次通過液晶層后，其偏振方向轉(zhuǎn)動45

11、度，再次通過液晶 后，其振動方向乂反轉(zhuǎn)了 45度而返回原入射方向，因而被正交的檢偏器所阻扌肖。 亮態(tài)的工作原理較暗態(tài)稍復(fù)雜，正如以上所說，液晶在加上電場后，它的原排列 方式將被破壞，由于液晶分子的光學(xué)雙折射的效應(yīng)，使得非常光和尋常光通過液 晶后產(chǎn)生位相差，出射的將是橢圓偏振光的不同中間態(tài)，其長短軸的比例和方向 于電壓有關(guān)，它通過檢偏器后形成不同程度的亮態(tài)，其亮態(tài)的大小受控于電壓。木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 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(yīng)，即入 射的偏振光進(jìn)入液晶層后，這時的液品層相當(dāng)于一個位相片，其位相的大小取決 于寫入

12、光的強弱仮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(cè)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(zhuǎn)，從而改變雙折射效應(yīng)。當(dāng) 液晶光閥工作時，圖示5中光導(dǎo)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(dǎo)層電阻率高，電壓幾乎加在光導(dǎo)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(dāng)有寫入光時 （如一光點照在液晶光閥的某一表面位置），光導(dǎo)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)牛偏轉(zhuǎn)，從而改變雙折射效應(yīng).實際工作的光路如下圖6圖6氨氛激光器經(jīng)括束、

13、準(zhǔn)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(jìn)入液晶光閥，并將經(jīng)光閥反射冋來的光經(jīng)棱鏡45°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(guān), 因而在觀察屏上呈現(xiàn)的是一幅與寫入光相應(yīng)的圖彖，這樣就實現(xiàn)了強度小的非相 干光（寫入比）調(diào)制了強度大的相干光（讀出光），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(zhuǎn)象3.24v正象8.64v反轉(zhuǎn)象對于以上的圖片，我們從特征曲線上就得到解釋當(dāng)我們將電壓調(diào)在某一范圍時, 100%透光率

14、的輸出光比較強，而0透光率的輸出光很弱，這時輸出圖片應(yīng)為正 像；上述情況若是相反，則輸岀的是應(yīng)該是反轉(zhuǎn)像；若100%透光率的輸出光比 較弱，0透光率的輸出光也很弱，而50%透光率的輸出光很強，這時輸出圖片應(yīng) 為邊緣增強像；若100%透光率的輸出光比較強，0透光率的輸出光也很強，而 50%透光率的輸岀光很弱，這時輸出圖片也為邊緣增強像，只不過這時的背景是 強光我們完全可以將不同種的特征曲線繪制在一張圖屮加以比較，就可以清晰 地看出不同電壓區(qū)段內(nèi)的圖象性質(zhì).實驗內(nèi)容：1. 按照要求調(diào)節(jié)并檢驗光路。2驅(qū)動電壓為零，寫入光為零時，繪出取向角鴨與輸出光強的關(guān)系曲線。定義:驅(qū)動電壓為零，寫入光為零時輸出光

15、強最小時的鴨定義為零。3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，我們在實驗中取三種光強狀態(tài)：分別為全暗、全明、中間值，它們分 別對應(yīng)圖片中的不透光部分、透光部分、邊緣部分，分別測出在仁1khz的情況下驅(qū)動電壓和輸出光強曲。 .寫入光為零，測量lclv輸出光強與驅(qū)動電壓的關(guān)系。 寫入光全明（白色照明燈壓為8.64伏），測量lclv輸出光強與驅(qū)動電壓的關(guān) 系。 .寫入光為中間值（白色照明燈壓為旋鈕逆時針旋到最?。瑴y量lclv輸出光 強與驅(qū)動電壓的關(guān)系。將的數(shù)據(jù)在一張圖屮繪出，根據(jù)圖線將得到什么結(jié)論？將實驗現(xiàn)象加以 描述并解釋.4.觀察并記錄實驗現(xiàn)象；具體要點是

16、：出現(xiàn)正像、反轉(zhuǎn)像、邊緣增強像（邊緣像 亮其他為暗背景，邊緣像暗其他為亮背景）的次數(shù)，止像、反轉(zhuǎn)像、邊緣增強 像所對應(yīng)的電壓的范圍、取向角大小等齊種參數(shù)值.實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理:1. 無數(shù)據(jù)。2. 取向角鴨與輸出光強的關(guān)系曲線取向角p （度）輸出光強（/a）取向角鴨（度）輸出光強（“4）-4035.7106. 1-3034.52011.0-2020. 73019. 7-109.84025. 302曲線:3. 寫入光為零，驅(qū)動頻率為f = 1 .okhz ,厶czv輸出光強與驅(qū)動電壓的關(guān)系 曲線驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）0. 0036.03

17、. 7510.27.514.20. 2640.03. 9921.07. 755.70. 4946. 54. 2334.58. 007. 10. 7256.24. 4848.58. 247. 50. 9766.04. 7347.98. 508.91.2456.24. 9844& 749. 11.4824. 15. 2536.99. 0010. 11.743.85. 5129.69. 26112.0024. 15. 7422.89. 5011. 52.234& 16. 0016.29. 7512.62.4964.26. 2511.59. 98132.7553.26. 497.910

18、. 2513.53.0031.86. 745. 510. 4913.93.2411. 17. 004.010. 7614.03.484. 17. 263.911.0014.2寫入光全明（照明燈壓為8.64v）,驅(qū)動頻率為f = lokhz, lclv輸岀光強與 驅(qū)動電壓的關(guān)系.驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）0. 0037.03. 268.26. 5110.20. 2646.43. 519.06. 759.60. 5061.93. 7512.87. 009.50. 7646. 14. 0011.97. 2610. 11.0036.04. 25

19、20.47. 5010.81.2455. 34. 5122. 17. 7411.01.5020. 14. 7422.9& 0011.81. 7411.25. 0022& 2412. 12.0037.95. 2419.9& 5013. 12.2552.25.4919.0& 7613.92. 5045.85. 7416.09. 0014. 12. 7529.06.0113.29. 2414.23.0114.26. 2611.99. 4914. 5寫入光為中間值（照明燈壓為6.43v ）,驅(qū)動頻率為f = 1 .okhz , lclv輸出光 強與驅(qū)動電壓的關(guān)系.驅(qū)動電

20、壓（v）輸出光強（m）驅(qū)動電壓（v）輸岀光強（m）驅(qū)動電壓（v）輸出光強（m）0.0137. 53. 7521.47. 509.90. 2444.53. 9922.57. 7510.20.5161.64. 2434.2& 0011.00. 7650. 34. 5123.0& 2511. 51.0135.44. 7621. 1& 5112. 11.2650.05. 001& 18. 7612.91.5026.95. 2415.0& 9913. 11.7412.55. 4912.99. 2613.22.0030. 55. 7410. 19. 5113.82.

21、2547.05. 99& 89. 7514.22.5047.96. 24& 29. 9914.82.7636.56.51&010. 2615.02.9925.26. 768.010. 5015. 13.2419. 57. 008.93. 5020. 57. 259. 5合并圖像黑、紅、綠曲線分別對應(yīng)于、的實驗數(shù)據(jù)。橫軸為驅(qū)動電壓，縱軸為輸出光強。從圖上可以看出，驅(qū)動電壓較小的時候輸出光強隨驅(qū)動電壓的大小上下擺動，當(dāng) 驅(qū)動電壓增到一定大小是基本上趨于穩(wěn)定值。4.像的特征正像6. 98反轉(zhuǎn)像0. 88邊緣增強像1.06(寸應(yīng)的驅(qū)動電壓3)7.054. 504. 351.582.26表中的正像理論上應(yīng)對應(yīng)于實驗3曲線中紅線處于波峰，黑線和綠線處于波谷的 電壓值；反轉(zhuǎn)像應(yīng)對應(yīng)于黑線處于波峰，紅、綠線處于波谷的電壓值；