電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應(yīng)形象

(1)調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺上表面平行，同時使光束通過各光學(xué)元件中心(這一步老師已調(diào)好，學(xué)生不要動)。調(diào)節(jié)起偏振片和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面的白屏上可看到一弱光點(diǎn)，然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。一個暗十字圖形貫穿整個圖樣，四周為明暗相間的圖4

同心干涉圓環(huán)，十字形中心同時也是圓環(huán)的中心，它對應(yīng)著晶體的光軸方向，十字形方向?qū)?yīng)于兩個偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點(diǎn)位置重合，同時盡可能使圖樣對稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。這一步調(diào)節(jié)很重要，調(diào)節(jié)的好壞，直接影響下一步的測量，因此，一定要耐心，仔細(xì)調(diào)節(jié)。注意此時放大器的電源要關(guān)掉，激光光點(diǎn)應(yīng)落在白屏上，而不能對準(zhǔn)光電三極管，以免燒壞。

(2)加上直流偏壓時呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。

(3)兩個偏振片正交時和平行時干涉圖樣是互補(bǔ)的。

(4)改變直流偏壓的極性時，干涉圖樣旋轉(zhuǎn)90°。

(5)只改變直流偏壓的大小時，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度與電場大小無關(guān)。

2.測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線(即T~U曲線)，求出半波電壓，再算出電光系數(shù)。

在我們實(shí)驗(yàn)中，用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調(diào)制法。

(1)極值法

晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即是半波電壓。

具體做法是:取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準(zhǔn)激光光點(diǎn)，放大器的直流輸出接到萬用表上，萬用表調(diào)到200mV直流檔。為了使光電三極管不致?lián)p壞，在起偏振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大，注意萬用表讀數(shù)的變化，當(dāng)讀數(shù)超過200mV時，應(yīng)旋轉(zhuǎn)減光片，使光強(qiáng)減小，再增大直流偏壓到最大，保持萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，再減小直流偏壓到零，若萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，則可以開始測量數(shù)據(jù)了。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應(yīng)的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強(qiáng)值，數(shù)據(jù)填入下表。

偏壓U(V) 0 5 10 15 20 25 30 35 40

光強(qiáng)T(mV)

偏壓U(V) 45 50 55 60 65 70 75 80 85

光強(qiáng)T(mV)

偏壓U(V) 90 95 100 105 110 115 120 125 130

光強(qiáng)T(mV)

偏壓U(V) 135 140 145 150 155 160 165 170 175

光強(qiáng)T(mV)

偏壓U(V) 180 185 190 195 200 205 210 215 220

光強(qiáng)T(mV)

以T為縱坐標(biāo)，U為橫坐標(biāo)，畫T~U關(guān)系曲線，確定半波電壓的數(shù)值，并計(jì)算電光系數(shù)。晶體厚度d=1.6mm，寬度m=6.0mm，長度l=45.0mm，n0=2.29，激光波長=632.8nm。

(2)調(diào)制法

晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對應(yīng)的電壓值時，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓。

具體做法是:按下電源面板上"正弦"鍵，把電源前面板上的調(diào)制信號"輸出"接到二蹤示波器的CH2上，把放大器的調(diào)制信號接到示波器的CH1上，把CH1、CH2上的信號做比較，調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到某一值U1時，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真，再調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到另一值U2時，輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應(yīng)的直流電壓之差U2-U1就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測半波電壓時，很難準(zhǔn)確的確定T~U曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高，很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖樣，調(diào)整好以后再做本內(nèi)容。

3.改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性

電源面板上的信號選擇按鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下"正弦"鍵，機(jī)內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上，同時，通過面板上的"輸出"孔，輸出此信號，把它接到二蹤示波器的CH1上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后接到二蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號比較。選擇5個不同的工作點(diǎn)40V、80V、120V、160V、200V，觀察接收信號的波形并畫出圖形。

工作點(diǎn)選定在曲線的直線部分，即U0=/2附近時是線性調(diào)制;工作點(diǎn)選定在曲線的極小值(或極大值)時，輸出信號出現(xiàn)"倍頻"失真;工作點(diǎn)選定在極小值(或極大值)附近時輸出信號失真，觀察時調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析作比較。做這一步實(shí)驗(yàn)時，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強(qiáng)、放大器的輸出、示波器上的增益(或哀減)這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。

4.用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性

在上述實(shí)驗(yàn)中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化。當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時，輸出信號線性調(diào)制;當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時，輸出光失真，出現(xiàn)"倍頻"失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次"倍頻"失真。

值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，也可以用1/4波片選擇工作點(diǎn)，其效果是一樣的，但這兩種方法的機(jī)理是不同的。

5.光通訊的演示

按下電源面板的"音樂"鍵，此時，正弦信號被切斷，輸出裝在電源里的"音樂"片信號。拔掉交流輸出插頭，輸出信號通過接收放大器上的揚(yáng)聲器播放，可聽到音樂。如改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質(zhì)有變化，說明音樂也有失真和不失真。用不透明的物體遮光，則音樂停止，不遮光，則音樂又響起，由此說明激光可以攜帶信號，實(shí)現(xiàn)光通訊。把音樂信號接到示波器上，可以看到我們聽到的音樂信號的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。

1.一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球

由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示:

n=n0+aE0+bE02+……(1)

式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項(xiàng)aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾(Pokells)效應(yīng);由二次項(xiàng)bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。

光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為

(2)

圖1

式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成

(3)

晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng);橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。

鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉(zhuǎn)橢球，其表達(dá)式為

(4)

式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，當(dāng)x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為

(5)

其中的稱為電光系數(shù)。上式進(jìn)行主軸變換后可得到

(6)

考慮到<<1，經(jīng)簡化得到

(7)

折射率橢球截面的橢圓方程化為

(8)

2.電光調(diào)制原理

要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了"攜帶"低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。

激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。這次實(shí)驗(yàn)中，我們只做LiNbO3晶體的橫向調(diào)制實(shí)驗(yàn)。

(1) 橫向電光調(diào)制

圖2

圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x′和y′軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為

ex′=A0cosωt,ey′=A0cosωt(9)

或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為

Ex′(0)=A,Ey′(0)=A(10)

所以，入射光的強(qiáng)度是

(11)

當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產(chǎn)生相位差δ，即

Ex′(l)=A,Ey′(l)=A(12)

通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和

(13)

其對應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫成

(14)

由(11)和(14)式，光強(qiáng)透過率T為

(15)

由(7)式

(16)

由此可見，δ和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時x′、y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生λ/2的光程差，相應(yīng)的相位差δ=π，由(15)式可知此時光強(qiáng)透過率T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用表示。是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，這個電壓越小越好，如果小，需要的調(diào)制信號電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計(jì)出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由(16)式可得到

(17)

其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由(17)式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細(xì)長的扁長方體。由(16)、(17)式可得

因此，可將(15)式改寫成

(18)

其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsinωt是同時加在晶體上的交流調(diào)制信號，Um是其振幅，ω是調(diào)制頻率。從(18)式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。對單色光和確定的晶體來說，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。

(2)改變直流偏壓對輸出特性的影響

①當(dāng)、Um<<時，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3(a)所示，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入(18)式，得

(19)

由于Um<<時

即T∝sinωt(20)

這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。

②當(dāng)、Um<<時，如圖3(b)所示，把代入(18)式

即T∝cos2ωt(21)

從(21)式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生"倍頻"失真。若把代入(18)式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得

(22)

即T∝cos2ωt，輸出信號仍是"倍頻"失真的信號。

(a)(b)

圖3

③直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。

④當(dāng)，Um>時，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，(19)式不能寫成(20)式的形式。因此，工作點(diǎn)雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，電光調(diào)制電源、接收放大器、He-Ne激光器、二蹤示波器和萬用表。

(1)晶體電光調(diào)制電源。調(diào)制電源由-200V-+200V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單一頻率振蕩器(振蕩頻率約為1kHz)、音樂片和放大器組成，電源面板上有三位半數(shù)字面板表，可顯示直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過面板上的"極性"鍵改變，直流電壓的大小用"偏壓"旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機(jī)內(nèi)振蕩器或音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在面板上的"信號選擇"鍵來選擇三個信號中的任意一個信號。所有的調(diào)制信號的大小是通過"幅度"旋鈕控制的。通過前面板上的"輸出"插孔輸出的參考信號，接到二蹤示波器的一個通道與被調(diào)制后的接收信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。

(2)調(diào)制器。調(diào)制器由三個可旋轉(zhuǎn)的偏振片、一個可旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一塊鈮酸鋰晶體組成，采用橫向調(diào)制方式。晶體放在兩個正交的偏振片之間，起偏振片和晶體的x軸平行。檢偏振片和晶體之間可插入1/4波片，偏振片和波片均可繞其幾何軸旋轉(zhuǎn)。晶體放在四維調(diào)節(jié)架上，可精細(xì)調(diào)節(jié)，使光束嚴(yán)格沿晶體光軸方向通過。

(3)接收放大器。接收放大器由3DU光電三極管和功率放大器組成。光電三極管把被調(diào)制了的氦氖激光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，輸入到功率放大器上，放大后的信號接到二蹤示波器，同參考信號比較，觀察調(diào)制器的輸出特性。交流信號輸出的大小通過"交流輸出"旋鈕調(diào)節(jié)。放大器內(nèi)裝有揚(yáng)聲器，用來再現(xiàn)聲音調(diào)制信號，放大器面板上還有"直流輸出"插孔，接到萬用表的200mV直流電壓檔，用于測量光電三極管接收到的光強(qiáng)信號的大小。

1.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。

2.學(xué)會用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。

3. 觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。

當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時間(可以跟上頻率為1010Hz的電場變化)，可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。

1.He-Ne激光管出光時，電極上所加的直流電壓高達(dá)千伏，要注意人身安全。

2.晶體又細(xì)又長，容易折斷，電極是真空鍍的鋁膜，操作時要注意，晶體電極上面的鋁條不能壓的太緊或給晶體施加壓力，以免壓斷晶體。

3.光電三極管應(yīng)避免強(qiáng)光照射，以免燒壞。做實(shí)驗(yàn)時，光強(qiáng)應(yīng)從弱到強(qiáng)，緩慢改變，盡可能在弱光下使用，這樣能保證接收器光電轉(zhuǎn)換時線性性良好。

4.電源和放大器上的旋鈕順時針方向?yàn)樵鲆婕哟蟮姆较?，因此，電源開關(guān)打開前，所有旋鈕應(yīng)該逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭，關(guān)儀器前，所有旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭后再關(guān)電源。

1.本實(shí)驗(yàn)中沒有會聚透鏡，為什么能夠看到錐光干涉圖?如何根據(jù)錐光干涉圖調(diào)整光路?

2.工作點(diǎn)選定在線性區(qū)中心，信號幅度加大時怎樣失真?為什么失真，請畫圖說明。

3.測定輸出特性曲線時，為什么光強(qiáng)不能太大?如何調(diào)節(jié)光強(qiáng)?這種調(diào)節(jié)光強(qiáng)的方法有何優(yōu)缺點(diǎn)?

4.晶體上不加交流信號，只加直流電壓/2或時，在檢偏振片前從晶體末端出射的光的偏振態(tài)如何?怎樣檢測?

電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀作為高等院校新一代的物理實(shí)驗(yàn)儀器，在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)中用以研究電場和光場相互作用的物理過程，也適用于光通訊與光信息處理的實(shí)驗(yàn)研究。電光調(diào)制器的調(diào)制信號頻率可達(dá) Hz量級，因而在激光通訊、激光顯示等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。 1. 本儀器可進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn):

顯示電光調(diào)制波形，觀察電光調(diào)制現(xiàn)象

測試電光晶體的調(diào)制特性曲線

測量電光晶體的特征參量

進(jìn)行電光調(diào)制的光通訊實(shí)驗(yàn)研究與演示

1.液晶光開關(guān)的工作原理

液晶作為一種顯示器件，其種類很多，下面以常用的TN(扭曲向列)型液晶為例，說明其工作原理。 入射的自然光

偏振片P1

偏振片P2

出射光

扭曲排列的液晶分子具有光波導(dǎo)效應(yīng)

光波導(dǎo)已被電場拉伸

TN型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃(1埃 = 10-10米 )，直徑為4~6埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預(yù)先作了定向處理(可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電極表面涂取向劑)，這樣，液晶分子在透明電極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽里;使電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子因范德瓦爾斯力的作用，趨向于平行排列。然而由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極的沿-45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿+45度方向排列，整個扭曲了90度。如圖1左圖所示。

理論和實(shí)驗(yàn)都證明，上述均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn)90度。

取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向相同，P2的透光軸與下電極的定向方向相同，于是P1和P2的透光軸相互正交。

在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達(dá)輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。

在施加足夠電壓情況下(一般為1~2伏)，在靜電場的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片"錨定"以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖1右圖所示。從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達(dá)下電極。這時光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。

由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。

2.液晶光開關(guān)的電光特性和時間響應(yīng)特性

液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶的光學(xué)各向異性，溶致液晶是溶質(zhì)溶于溶劑中形成的液晶。目前用于顯示器件的都是熱致液晶，它的電光特性隨溫度的改變而有一定變化。 圖2為光線垂直入射時本實(shí)驗(yàn)所用液晶相對透射率(以不加電場時的透射率為100%)與外加電壓的關(guān)系。

由圖2可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達(dá)到最低點(diǎn)，此后略有變化?？梢愿鶕?jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。

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V

另外，在給液晶板加上一個周期性的作用電壓(如圖3上圖)，液晶的透過率也就會隨電壓的改變而變化，就可以得到液晶的相應(yīng)時間上升時間Δt1和下降時間Δt2。如圖3下圖所示。 上升時間:透過率由10%升到90%所需時間;

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Δt1

液晶的響應(yīng)時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好。

3.液晶光開關(guān)的視角特性

液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強(qiáng)度之比，對比度大于5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了。

圖4表示了某種液晶視角特性的理論計(jì)算結(jié)

果。圖4中，用與原點(diǎn)的距離表示垂直視角(入射光線方向與液晶屏法線方向的夾角)的大小。

圖中4個同心圓分別表示垂直視角為30，60和90度。90度同心圓外面標(biāo)注的數(shù)字表示水平視角(入射光線在液晶屏上的投影與0度方向之間的夾角)的大小。圖3中的閉合曲線為不同對比度時的等對比度曲線。 由圖4可以看出，對比度與垂直與水平視角都有關(guān)。而且，視角特性具有非對稱性。