试验液晶光阀

实验2－15 液晶光阀

（教师用书）

一.实验的目的意义和要求

液晶光阀是当前飞速发展的光电子学中一种重要的空间光调制器，它已在大屏幕投影显示、相干光实时处理系统及红外导弹跟踪模拟等领域获得广泛应用，是正在发展的高新技术

基本元件之一，前景广阔。本实验内容涉及液晶的光学性质、各种偏振光及其转换、光电导

材料的特性、偏振分光棱镜的作用、物理思想丰富、物理图像清晰，概念简明易懂。

要求学生通过该实验能了解和掌握上述有关知识，进一步掌握液晶光阀利用液晶的光学特性

而制作的空间光调制器的工作原理

二. 参考书籍与材料

(一)必须阅读的参考书籍与材料

1. 章志鸣，沈元华，陈惠芬. 光学（第二版）.北京：高等教育出版社. 2000. P.154-156, P.307-309

2. 沈元华，陆申龙.基础物理实验.北京：高等教育出版社.200

3.

（二）建议阅读的参考书籍与材料

1.宋菲君，Jutamulia S.近代光学信息处理﹝M﹞.北京：北京大学出版社，1998.

2.沈元华,马秀芳等.小课题实验---液晶光阀的特性及应用﹝A﹞.面向21世纪实验物理教

学展望及教学改革经验交流会议论文集﹝C﹞.天津，1998

3.陈波等. 介绍一个现代化的普物实验——液晶光阀. 大学物理, 1999, 18 (12 ): 31~33

4.甘巧强等. 液晶光阀图像输出特性的深入研究. 物理实验, 2002, 22(10):45～48（见

附件）

5.孙萍，杨文等.液晶光阀实时图象变换﹝J﹞.物理实验，2002，22（11）：10~13

6.徐平，梁家辉.液晶光阀用于光学傅里叶变换﹝J﹞.物理实验，2002，（12）：8~11

三．实验前应回答的问题

(一)有关激光光源的问题

1．实验中所用的氦氖激光器有什么特点？是否可用一般的激光器取代它？为什么？

答：实验中所用的氦氖激光器带有布儒斯特窗，因此它输出的激光是线偏振光。而一般氦氖激光器所输出激光的偏振态是随机的，所以不能用以取代。

2．是否可用半导体激光器来取代实验中所用氦氖激光器？有什么要求？

答：可以。只要在半导体激光器后面放一块偏振片，并使偏振片的偏振轴与半导体激光光强最强的线偏振分量一致，该线偏振光入射到偏振分光棱镜上，使该线偏振光的振动方向平行于偏振分光棱镜的主截面。

（二）关于偏振分光棱镜的问题

1．偏振分光棱镜的结构如何？

图1. 棱镜偏振膜

答：偏振分光棱镜的结构如图1所示，由两块直角棱镜，其中一块的斜面上镀有偏振膜，

合在一起组成。

能作为起偏器或检偏器的薄膜称为偏振膜。偏振膜实际上是一种λ/4高反膜，但它必须在倾斜入射时使用，为了获得最好的偏振效果，有两种不同的思想，对应于两种不同的设计。

第一种思想是让各个界面的入射角都满足布儒斯特条件，因而P 光完全透过而S 光保持高反射，按照这一思想，要求折射率和入射角都满足布儒斯特条件。如图2所示。显然，当满足H L H n n tgi /=时，必然满足L H L n n tgi /=，即只要膜中一个界面满足布氏条件，所有界面均满足。由上式可得

2

2sin L

H L

H n n n i +=

。

于是要求入射介质和入射角满足以下条件

2

2sin L

H L

H G G n n n n i n +=

。

当选定膜层材料的折射率H n 、L n 后，可以确定入射介质（棱

镜）的折射率，而由上式决定入射角G i ；也可以先确定入射角G i （例如取 45=G i ）

而由上式选择棱镜材料的折射率。

这种偏振膜可适用的波长范围很广。这种膜系的缺点是由于在棱镜与膜系的第一个及最后一个界面上不满足布氏条件，故P 光反射率不为零，难以达到很高的消光比。而且当采用棱镜入射时，体积庞大，价格昂贵。

第二种设计偏振膜的思想是利用P 光与S 光的高反带宽度的区别，使入射光的波长与入射角满足一定的关系，使之恰好落在S 光高反射而P 光高透射的区域。这样其透射光基本上只有P 光而反射光主要是S 光。这种偏振膜的优点是面积可做得很大，

缺点是

图2. 一种偏振膜设计

只适用于极小的波长范围。

2． 偏振光通过偏振分光棱镜后，出射光的偏振情况如何？ 答：偏振光通过偏振分光棱镜后，出射光是线偏振光（p 光）。

（三）关于液晶光学特性的问题

1． 液晶盒的结构是如何的？试将它与一块晶轴与表面平行的晶片作比较。

答：把两块玻璃合在一起，中间用一定厚度的间隔层控制玻璃间的距离，再在间隔中充满液

晶，便形成一液晶盒。液晶盒玻璃内表面经一定方法处理后，可以使盒中的液晶分子长轴沿表面的某一方向排列。此时的液晶盒相当于一块晶轴与表面平行的晶体片。 2． 在液晶盒的两玻璃片间加一定电压，当一束线偏振光通过此液晶盒时，出射光的偏振态

与加在液晶盒上的电压有无关系？ 答：在液晶盒的两玻璃片间加一定电压，盒里的液晶分子在电场的作用下会逐渐沿电场方向

排列，即光轴向与表面垂直的方向偏转，其偏转程度与电场强度有关。当一束直线偏振光通过此液晶盒时，出射光的偏振态将由加在液晶盒上的电压决定，由此实现了电场对光的偏振态控制。 （四）有关液晶光阀的问题 1. 液晶光阀的结构如何？ 答：液晶光阀的结构如图3所示。

2. 液晶光阀上的光电导层的光电导材料有什么特性？ 答：液晶光阀上的光电导层是光敏材料，当写入光射入

时，它的电阻率就急剧下降。在无写入光的情况下，光电导层的电阻率很高，光阀上所加的电压几乎全部落在光电导层上，液晶层上的电场很小。当有外界光写入时，由于光电导层电阻率急剧下降，外加电压将穿过光电导层而直接加在液晶上，使液晶的光轴在电场作用下发生偏转，从而引起双折射效应的变化。

3． 液晶光阀上的光阻隔层有什么特性？起什么作用？

答：液晶光阀上的阻隔层是用来分隔读出光和写入光，使它们之间互不影响。

图3. 液晶光阀