液晶光閥特性的研究

1、級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 日期:實(shí)驗(yàn)題目:液晶光閥特性研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?在大背景的情況下 , 從基本原理的角度出發(fā) , 測量相關(guān)曲線 , 理解并解 釋相關(guān)現(xiàn)象 .實(shí)驗(yàn)原理:液晶光閥中的關(guān)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(jié)構(gòu)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(dòng)性,又有晶體的光學(xué)各向異性,因而稱為液晶。它既不同于不能流動(dòng)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 , 又有液體的流動(dòng) 性 . 當(dāng)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(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

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(huì)發(fā)生顯著變化 .下面就實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)關(guān)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(xué)玻璃棱鏡的體對(duì)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(shí)的反射損耗。對(duì)于折射率不同的兩種材料的交界面 , 總可以找到一個(gè)入射角 , 使之滿足布儒斯特角條件 , 在這樣一個(gè)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 , 在側(cè)面反射的光為s分量光。 偏光分束鏡的膜系設(shè)計(jì)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12

3、部反射 .液晶光閥的結(jié)構(gòu)如下圖所示圖形的平板玻璃相對(duì)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(cè)封接邊上留有一個(gè)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)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(dòng)方向 900 偏轉(zhuǎn) .本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)的液晶層相當(dāng)于一個(gè)位相片, 其位相的大小取決 于寫入光的強(qiáng)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(qiáng)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(huì)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)。 液 晶光閥工作時(shí), 光導(dǎo)層 9在外加寫入光時(shí)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(shí),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(shí)液晶對(duì)光的調(diào)制作用維持原來的狀態(tài); 當(dāng)

5、有寫入光時(shí) (如一光 點(diǎn)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3 增大,使液晶光軸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而改變雙折射效應(yīng) . 實(shí)際工作的光路如下圖 氦氖激光器經(jīng)括束、 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)光閥反射回來的光經(jīng)棱鏡 450 反射面反射后, 經(jīng)成象透鏡會(huì)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(qiáng)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)的圖象, 這樣就實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度小的非相 干光(寫入光調(diào)制了強(qiáng)度大的相干光(讀出光

6、,從而完成了弱光變強(qiáng)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) 象試驗(yàn)器材 :氦氖激光器,擴(kuò)束器,準(zhǔn)直鏡,觀察屏,偏振分光棱鏡,液晶光閥, 交流驅(qū)動(dòng)電壓,成像透鏡實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 :1. 觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,注意記錄一種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所需的各種參數(shù)值及 范圍 .固定取向角 =400(相對(duì)值,光強(qiáng)最小處定義為零 ,寫入電壓固定為 6.81V ,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓,觀察到隨著驅(qū)動(dòng)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(qiáng)像一次, 通過測定,得具體范圍如下: 2. 取定驅(qū)動(dòng)頻率為

7、 f=1.0kHz,驅(qū)動(dòng)電壓為零, 寫入光為零時(shí), 測出取向角 與輸出 光強(qiáng)的關(guān)系,用 origin 軟件處理得下圖: angle(degree3. 對(duì)于圖片的不同位置,寫入光的光強(qiáng)是不一樣的;為了對(duì)寫入光有一個(gè)量化的 概念,在實(shí)驗(yàn)中取三種光強(qiáng)狀態(tài)(全明、中間值、全暗分別對(duì)應(yīng)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(dòng)頻率的情況下驅(qū)動(dòng)電壓和輸 出光強(qiáng)曲線 . . 寫入光為零,驅(qū)動(dòng)頻率為 f=1.0kHz , =400,測量 LCLV 輸出光強(qiáng)與驅(qū)動(dòng) 電壓的關(guān)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(dòng)頻率

8、為 f=1.0kHz , =400, 測量 LCLV 輸出光強(qiáng)與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)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(dòng)頻率為 f=1.0kHz , =400 ,測量 LCLV 輸出光強(qiáng)與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系,用 origin 軟件處理得下圖:voltage(V為了更好的對(duì)這幾種情況進(jìn)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)之液晶光閥特性研究 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(duì)這幾副圖的比較分析，我發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)現(xiàn)象： 共同點(diǎn)： 1、不管寫入光的情況如何，光強(qiáng)隨驅(qū)動(dòng)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(shí)最大值越來越小，周期越來越長，最 后趨于平穩(wěn)，光強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的反應(yīng)越來越不敏感。 2、寫入光對(duì)接收光強(qiáng)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(qiáng)對(duì)接受到的光強(qiáng)的影響是通過它對(duì)液晶光閥的影響實(shí)現(xiàn) 的，本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)的液晶層相當(dāng)于一個(gè)位相片，其位 相的大小取決于寫入光的強(qiáng)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(qiáng)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(huì)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)。液晶光閥工作時(shí)，光導(dǎo)層 9 在外加寫入光時(shí)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(shí)，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(shí)液晶對(duì)光的調(diào)制作用維持 原來的狀態(tài)；當(dāng)有寫入光時(shí)（如一光點(diǎn)照在液

11、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)生偏轉(zhuǎn)，從 而改變雙折射效應(yīng). 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(yīng)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(qiáng)也呈周期性變化，交流電 大小不斷改變，使其偏轉(zhuǎn)程度改變，接收光強(qiáng)也繼而發(fā)生改變。寫入光通過影響 6 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之液晶光閥特性研究 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)之液晶光閥特性研究 光導(dǎo)層上電阻率的變化間接影響液晶層上電壓變化， 進(jìn)而影響液晶分子的偏轉(zhuǎn)程 度，從而對(duì)接收光強(qiáng)曲線造成影響。 與此同時(shí)，花會(huì)出現(xiàn)正像，反像，邊緣像的原因正是液晶分子的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)液 晶分子的角度剛好偏轉(zhuǎn)到某

12、個(gè)固定值，則會(huì)出現(xiàn)這些現(xiàn)象。 正像對(duì)應(yīng)于寫入光為最大的曲線，如果這條曲線在某個(gè)電壓下最大，則會(huì)出現(xiàn)正像， 正像對(duì)應(yīng)于寫入光為最大的曲線，如果這條曲線在某個(gè)電壓下最大，則會(huì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)的原理決定的，本實(shí)驗(yàn)中利用了液晶光閥的 雙折射效應(yīng)，當(dāng)液晶層兩側(cè)加一定電壓，液晶分子在電場的作用下會(huì)沿電場方向 排列，即液晶的方向矢向電場方向偏轉(zhuǎn)，如果加的是直流電壓，這將不會(huì)發(fā)生， 因?yàn)檫@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?huì)發(fā)生變化，雙 折射效應(yīng)也將無從談起。 主要是直流電是液晶分子在某