液晶光阀连北师大物理实验Word文件下载.docx

液晶光阀连北师大物理实验Word文件下载.docx

《液晶光阀连北师大物理实验Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液晶光阀连北师大物理实验Word文件下载.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

引言：

液晶光阀（LiquidCrystalLightValve）简称LCLV，它是二十世纪七十年代发展起来的，被广泛地应用在光信息处理、空间光调制、大屏幕投影显示、光计算、自动目标识别、非相干图像与相干图像的转化等方面.1888年，奥地利科学家赖因策在布拉格植物生理研究所做实验时，发现他加热的化合物熔化后先变成了白浊液体，并且闪现某些颜色，继续加热后变成透明液体。

于是他又对化合物进行降温后，重复实验，依然看到上述现象。

赖因策没有像其他人那样将这种特有的现象简单看作是材料不纯造成的，而是更精心地制备材料，对颜色的起因进行探究。

1888年3月14日，赖因策将样品寄给德国的年轻结晶学家雷曼，并附上一封长信。

雷曼经过系统研究，发现有许多有机化合物都具有同样的性质，这些化合物在混浊状态，其力学性质与液体相似，具有流动性，而其光学性质与晶体相似，具有各向异性，故取名为液晶。

它是进行信息与激光技术领域科研工作的关键光电子器件之一.本实验就是在这个大的背景情况下,从基本原理的角度出发,测量其相关曲线,理解并解释相关现象.

实验原理：

1、液晶性质

液晶是一种有机高分子化合物当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性。

液晶分子的排列状态按其对称性可分为三大类向列型、胆甾型和近晶型。

实验中采用的是向列型液晶。

正性向列相液晶各分子长轴方向大体一致但分子位置杂乱且不分层排列在外电场作用下分子取向沿电场方向排列因此可以通过控制电场来控制液晶分子的取向从而控制液晶对光的透过特性。

向列相液晶由长径比很大的棒状分子组成，分子不排列成层，只在长轴方向上保持相互平行或近于平行（热扰动引起），分子质心没有长程有序性，分子间短程作用微弱，属VanderWaals引力。

分子长轴互相平行的自发取向过程使液晶表现出高度的双折射性，即n∥≠n⊥，且折射率差Δn总是大于零：

Δn=n∥-n⊥>

0。

向列相液晶又分为经典向列相和群聚向列相。

而本实验采用的就是正向扭曲向列相液晶盒。

液晶的分子轴在外场的作用下将有一定的取向因此可以通过控制电场来控制液晶分子的取向从而控制液晶对光的透过特性。

本实验采用正性扭曲——向列相液晶盒各分子的长轴方向都平行于基片表面但两基片上的分子长轴方向有一定的夹角。

其中液晶盒基片经过了表面取向处理使得盒内液晶分子在分子相互作用力的影响下两基片间的分子长轴将逐渐从一个基片处的方向“均匀”地过渡到另一个基片处的方向形成均匀的扭曲排列且基片间的分子长轴都平行于基片表面。

2、混合场效应

液晶光阀是利用液晶的混合场效应来实现对读出光的调制的。

混合场效应是扭曲-向列相效应和电控双折射效应的结合。

利用扭曲-向列相排列使液晶光阀处于“关闭”状态，利用外场的电控双折射效应获得光阀的“开启”状态。

所谓“关闭”状态和“开启”状态在《近代物理实验》（北师大版）上有详细解释，在此不再赘述。

3、CdS液晶光阀

图表1

液晶光阀如下幅图表1所示

下面以典型的反射型扭曲向列型液晶器件为例进行介绍，将两片光刻好透明导电极图形的平板玻璃相对放置在一起，使其间相距为10

。

四周用环氧胶密封，但在一侧封接边上留有一个开口，该开口称为液晶注入口。

液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。

注入后，用树脂将开口封堵好。

当然，作为扭曲向列型液晶显示器件，在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。

该定向层经定向处理后，可使液晶分子在液晶盒内，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间液晶分子又呈45度扭曲排列，经过反射回来再次产生45度扭曲，这样就产生振动方向900偏转.

本实验中的液晶主要是向列型液晶，其分子长轴近似平行，且平行于玻璃平面液晶分子取向决定于取向膜层的方向.光通过液晶层时发生双折射效应，即入射的偏振光进入液晶层后，这时的液晶层相当于一个位相片，其位相的大小取决于写入光的强弱.反射回来的各种不同的椭圆偏振光,它的长、短轴的方向和比例经检偏器后的光强是不同的。

液晶层两侧加一定电压，液晶分子在电场的作用下会沿电场方向排列，即液晶的方向矢向电场方向偏转，从而改变双折射效应。

当液晶光阀工作时，图示5中光导层9在外加写入光时电阻率急剧下降，隔光层8分离写入光与读出光.在无写入光时，光导层电阻率高，电压几乎加在光导层上，液晶层上电压降很小，这时液晶对光的调制作用维持原来的状态；

当有写入光时（如一光点照在液晶光阀的某一表面位置），光导电阻急剧下降，于是液晶层上电压迅速增大，使液晶光轴方向发生偏转，从而改变双折射效应.

4、图像变换原理

图表2

实际光如图如下图2

氦氖激光器经括束、准直后垂直照射在偏振分光棱镜上，透过p分量，作为读出输入光进入液晶光阀，并将经光阀反射回来的光经棱镜450反射面反射后，经成象透镜会聚在观察屏上.这种从光阀反射回来的光的偏振态因液晶的双折射而改变（如何改变？

），是各种状态的椭圆偏振光，其状态与写入光的强度有关，因而在观察屏上呈现的是一幅与写入光相应的图象，这样就实现了强度小的非相干光（写入光）调制了强度大的相干光（读出光），从而完成了弱光变强光，非相干光变相干光的空间光调制作用0％透光率的输出光比较强，而0透光率的输出光很弱，这时输出图片应为正像；

上述情况若是相反，则输出的是应该是反转像；

若100％透光率的输出光比较弱，0透光率的输出光也很弱，而50％透光率的输出光很强，这时输出图片应为边缘增强像；

若100％透光率的输出光比较强，0透光率的输出光也很强，而50％透光率的输出光很弱，这时输出图片也为边缘增强像，只不过这时的背景是强光.我们完全可以将不同种的特征曲线绘制在一张图中加以比较，就可以清晰地看出不同电压区段内的图象性质..

（1）、实像相减

两图像经过实时想减后可以突出二者的差别。

实现图像实时相减的原理基于液晶光阀可以输出物体的负像。

例如：

读出光通过物“T”字后在观察屏上呈“T”字像当液晶光阀在负像工作点时写入光通过物“一”字后在观察屏上可以观察到“一”字的负像。

两幅图像在观察屏上的合成图像是二者的相减像。

（2）、傅里叶变换

光波的衍射理论可知在满足夫琅和费近似条件下观察平面上的光强分布正比于孔径平面上透射光强分布的傅里叶变换。

通常发生夫琅和费衍射的距离很远不便于观察。

如在孔径后放置一个透镜，则借助透镜的相位调制作用在单色平面波照明下，在透镜的后焦面上可以观察到孔径的夫琅和费衍射图样也就是孔径的傅里叶变换频谱。

（3）、空间滤波

设空域中的三个函数为的傅里叶变换为f（x,y）,h（x,y）,g（x,y）的傅里叶变换分别为F（kx,ky）,H（kx,ky）,G（kx,ky）,其中f（x,y）为输入信号，且有G（kx,ky）=F（kx,ky）*H（kx,ky）.则H信号使输入信号的频谱转换为G信号。

这种改变频谱成分的操作称为空间频率滤波，简称空间滤波，H称为空间滤波器。

（4）、计算机全息

计算全息就是计算机制全息图。

计算全息图的制作和再现过程主要分为抽样、计算、编码、成图及再现。

再现，即采用光学模拟方法再现计算全息图。

实验中是对已有的全息片进行再现。

由于编码时被记录的是物波函数的傅里叶变换，所以观察时要在傅里叶变换频谱面是观察全息片所成的频谱图。

在图表二的物处放上全息片，把CCD置于光电池处，即可观察到全息片记录的像。

实验内容：

1、按照要求调节光路使其满足实验要求。

2、

.写入光为0V，测量输出光强与驱动电压的关系。

.写入光为5V，测量输出光强与驱动电压的关系。

3、观察并记录实验现象；

具体要点是：

出现正像、反转像、边缘增强像（边缘像亮其他为暗背景，边缘像暗其他为背景）的次数，正像、反转像、边缘增强像所对应的电压的范围等各种参数值.

4、把单缝放在物处，观察单缝的频谱。

并观察正交网格的频谱及正交网格经单缝过滤后的频谱。

5、应用已有的全息片，做计算机全息。

6、进行空间滤波实验。

实验结果

1、在两种写入电压下测量液晶光阀的工作曲线

如下图3，红色曲线代表电压为0V时的情况，蓝色曲线代表电压为5V时的情况。

图3液晶光阀工作曲线

分析：

由工作曲线分析可知液晶光阀在驱动电压在1.2V~1.8V、2.3V~2.9V和3.2V~5.3V范围内得到物体负像；

在驱动电压为0.4V~1.2V、1.8V~2.3V和5.3V~7.0V范围内得到正像；

在驱动电压为1.8V、2.9V附近时得到边缘减弱的微分像；

在驱动电压为1.2V、2.3V附近时得到边缘增强的微分像。

2、各像图样

（1）、正像（1.71V）

（2）、负像（1.92V）

（3）、边缘增强（1.78V）

（4）、边缘减弱（1.23V）

3、实时相减

4、单缝衍射（2.23V）

5、空间滤波

实验总结

通过本次试验我们了解了液晶光阀的基本原理，对其进行了操作，了解了各种像的样子及特点，对傅里叶变换在光学中的应用有了更加深刻的认识，虽然最后一步做了很久，但是还是最终完成了。

只要认真做,就会做好。

参考文献

《近代物理实验》主编：

熊俊北京师范大学出版社