光学双稳态实验

1光学双稳态实验王凤鹏编写实验教学目的：1、了解光学双稳态现象、原理及其应用前景2、学习非线性光学元件——液晶光阀的工作原理、电光特性，并利用它实现光学双稳态3、学习利用偏振片调节光强的方法，加深对马吕斯定律的理解学生实验内容：1、验证马吕斯定律2、测定液晶光阀的电光特性曲线3、观察光学双稳态现象，测定光学双稳态的迟滞回线实验教学仪器：液晶光学双稳态实验系统（激光器、偏振片、分束器、液晶光阀、光电三极管、电源、光电显示器）实验教学课时：4学时（其中讲授及演示1学时，学生实验及指导3学时）实验教学方式：理论讲授、实验演示、指导学生实验，以指导为主，培养学生动手操作能力、独立思考能力和创新能力。教学重点：液晶光阀的工作原理、电光特性及其双稳态现象。实验教学内容：实验原理1、光学双稳态现象对于一个给定的入射光强，存在两个可能的、稳定的输出光强状态，而且可以用光学的方法实现两个稳态间的翻转，这种现象称为光学双稳态。利用光学双稳态器件作为逻辑元件具有很好的应用前景。光学双稳态可分为两种：一种是纯光学型，另一种是光电混合型。纯光学型光学双稳态可用F-P标准具来实现。在F-P标准具腔内充满克尔介质，这种介质的折射率可表示为)(20Ennn（15.1）也就是其折射率与通过它的光的强度有关。因此在F-P腔中光强的变化将引起腔内光波波长的变化，从而改变光波相干的相位条件，而根据F-P标准具的干涉原理，这又将反过来影响腔内的光强。即非线性的克尔介质中的光程nL决定于腔内的光强，而腔内的光强又决定于光程nL。这两个相互依赖相互制约的条件共同作用，即可使输出光形成光学双稳态现象。光电混合型光学双稳态的工作框图如图15.1所示。2非线性光学元件的透光率与加在其上的电压有关。将出射光转换成电压，经放大后反馈到非线性光学元件上去，使其不同的出射光强下有不同的透射率，即形成两个相互制约的因素：透光率决定于电压，电压决定于透光率，从而实现光学双稳态。本实验中用液晶光阀作为非线性光学元件。2、液晶光阀的电光特性液晶（liquidcrystal）是指在一定温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，同时又具有光学晶休的特性（如：双折射）的一种物质，即液态晶体的简称。液晶分子多数呈长条形，长度约为宽度的4~8倍，具有较强的电偶极矩。由于分子间作用力比固体弱，利用微小的外部能量——电场、磁场等就能实现各分子状态的转变，从而拥有独特的电磁、光学性质。液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量n称为指向矢量，设ε∥和ε⊥分别为当电场与指向矢量平行和垂直时的液晶介电常数。定义介电各向异性//（15.2）0的液晶称为P型液晶，0的液晶称为N型液晶。在外电场作用下，P型晶体分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。（1）液晶光阀的结构液晶的种类很多，液晶光阀常用的是TN（扭曲向列）型液晶。TN型液晶光阀的结构如图15.2所示。在两块玻璃板之间夹有P型向列相液晶，液晶层厚度一般为5~8微米，玻璃板的内表面镀有透明电极，电极的表面预先作了定向处理(可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂)，这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向互相垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极沿-45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了90度。图15.2液晶光阀工作原理理论与实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会跟随液晶分子的排列旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。3在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90度。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过，如图15.2(a)所示。在施加足够电压情况下(在实用的液晶光阀，如液晶显示器，一般为1~2伏，我们实验中用的为液晶光阀则需10V)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图15.2(b)图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。（2）液晶光阀的电光特性图15.3为光线垂直液晶面入射时本实验所用液晶相对透射率(以不加电场时的透射率为1)与外加电压的关系。由图15.3可见，对于常白模式的液晶光阀，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶光阀的物性参数。1开启（阈值）电压Vth：常白型相对透过率为90％时，常黑型为10%时的电压；2关断（饱和）电压Vsat：常白型相对透过率为10％时，常黑型为90%时的电压；3陡度γ：γ=Vsat/Vth(15.3)液晶的电光特性曲线越陡，γ越小，即阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶光阀单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多，但灰度性能越差。TN液晶最多允许16路驱动，常用于数码显示。在电脑、电视等需要高分辨率的显示器件中，常采用STN(超扭曲向列)型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数，且具有很好的灰度性能。4瞬态响应特性：当对液晶光阀加上如图15.4所示的瞬变电压时，它的透光率并不和电压同时变化，而是有一定的延迟。这就是液晶光阀的瞬态响应特性，通常用3个参数表征：延迟时间d，定义为加上电压后透光率变化10%所需的时间；上升时间r，定义为透光率从10%到90%所用的时间；下降时4间f，定义为停止施加电压后透光率从90%下降到10所用的时间。这三个参数统称为响应时间。目前，普通的TN-LCD的响应时间为几十毫秒，用于电脑液晶显示器的STN-LCD可达8ms以下。3、光学双稳态的实现利用液晶光阀进行光学双稳态实验的系统如图15.5所示。由激光器发出的光，通过光强调制器射入液晶光阀，光阀还加上适当的偏置电压（由电路提供），出射光强由数字表显示，并通过放大器反向反馈到液晶光阀上，光越强，反馈电压越大，则液晶光阀上的电压越小，即电压（偏置电压与反馈电压的和）反比于输出光强Iout。当入射光强恒定时，T∝Iout∝（1/U）可在电光特性图上作一直线，如图15.3所示。当放大器的放大倍率β不同时，直线的斜率不同，当外加偏置电压和放大倍数合适时，直线和电光特性曲线有至少有两个交点。这表明在同一输入光强下具有不同的透光率T，这就是光学双稳态现象。此时，若保持外加偏置电压和放大倍率不变，用光强调制器改变输入光强，就可得到如图15.6所示的迟滞回线。这也实现了光学双稳态现象。实验中利用一对偏振片组成光强调制器，根据马吕斯定律212cosII（15.4）只要调节两偏振片间的夹角就可改变输入光强。实验步骤1、验证马吕斯定律。移去光路中的分光器和液晶光阀，使光强调节器的起偏器与检偏器的游标对准零线。调整光路，使电表不溢出的情况下显示值尽可能大，改变检偏器P2的方向，测量在不同方向时，光电三极管接收到的光强。2、测量液晶光阀的电光特性按上图搭建光路并调好（使电表不溢出的情况下显示值尽可能大）。保持液晶光阀的输入光强不变，不加反馈。调节控制面板上的偏置电压Vi，测量在不同偏置电压下的出射光强。此出射光强正比于透射率。作电光特性曲线，求开启电压Vth与关断电压Vsat及陡度γ。3、观测光学双稳态调节偏置电压到恰当值（取值在关断电压附近8~9V）使液晶光阀处在低透射率状态；加上反馈电压，调节反馈放大倍数合适（使加反馈后透射率由低跳到高）。通过改变偏振片P1的方向来改变液晶光阀的入射光强，而保持入射光的偏振状态不变。使输入光强从大到小，测量输出光强的变化，再使输入光强从小到大，测量输出光强的变化。分别以输入光强与输出光强为坐标作图得到迟滞回线。注意事项：5验证马吕斯定律时调节P2，而观测光学双稳态时调节P1实验数据处理及结果1、验证马吕斯定律（略）2、电光特性，测量数据如下Vi11.9211.8211.7211.6211.5111.3811.2611.1711.05Iout3.43.74.14.44.75.35.86.46.9Vi10.9610.8510.7310.6110.5410.4110.310.210.1Iout88.499.59.910.310.811.311.8Vi9.999.849.749.559.389.168.968.758.52Iout12.413.113.414.716.418.620.92427.6Vi8.328.157.967.757.587.377.146.926.74Iout31.93641.348.855.564.276.28588.7Vi6.526.356.155.955.725.515.335.124.9Iout92.39599.5101101.2101.2101.2101.3101.1Vi4.454.05Iout101.2101.3由以上数据作图得：可得出此液晶光阀为常白型，其特性参数为：1开启电压Vth=6.5V2关断电压Vsat=10.5V3陡度γ=Vsat/Vth=1.6液晶的电光特性曲线越陡，γ越小，即阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶光阀单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多，但灰度性能越差。3、观测光学双稳态，测量数据如下：Iin191.9172.7155131.7110.690.675.661.541.8Iout82.983.183.383.783.583.683.783.764Iin35.632.527.514.44.38.212.42025.26Iout6053.60.80.70.50.60.70.81.2Iin31.739.846.355.461.271.380.691.3112.5Iout1.21.61.92.22.93.44.973.877.6Iin130.7155.3Iout7881.6从迟滞回线可以看出，当输入强在30到80之间时，同一输入光强下可能有两种稳定的输出光强（例如：输入光强为60时，两种输出光强分别为83和2.8），这就是光学双稳态现像。思考题：1、为什么验证马吕斯定律时调节P2，而观测光学双稳态时调节P1？