電壓放大器在彎曲芯向列相液晶盒的光學(xué)衍射實(shí)驗中的應用

　　實(shí)驗名稱(chēng)：彎曲芯向列相液晶盒的光學(xué)衍射

　　測試目的：本章對實(shí)驗使用的彎曲芯向列相液晶盒進(jìn)行了光學(xué)衍射實(shí)驗，介紹了光學(xué)衍射實(shí)驗的光路建立，分析了出射光偏振狀態(tài)與入射光偏振狀態(tài)的關(guān)系，之后給出了實(shí)驗得到的光柵衍射效率并進(jìn)行了相關(guān)的分析。這對于BCN液晶未來(lái)在可調液晶光柵上潛在應用以及進(jìn)一步發(fā)展具有一定的深遠意義。

　　測試設備：電壓放大器、信號發(fā)生器、熱臺控制器、衰減器、偏振片、光功率計等。

　　實(shí)驗過(guò)程：

　　圖1：測量BCN液晶光柵衍射效率的實(shí)驗光路

　　如圖1所示，為光學(xué)衍射實(shí)驗的光路圖。選用632.8nm的紅激光，衰減器用來(lái)衰減激光強度，之后通過(guò)可調光闌或者小孔來(lái)得到較好的光束。由于激光器發(fā)出的激光是固定偏振方向的線(xiàn)偏振光，所以利用λ/4波片將線(xiàn)偏振光變成圓偏振光，之后再使用一個(gè)偏振片將圓偏振光變成線(xiàn)偏振光，通過(guò)調整這個(gè)偏振片就可以得到任意偏振方向的線(xiàn)偏振光。線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)液晶盒中的光柵結構后產(chǎn)生衍射，通過(guò)光功率計得到光強，在探測器前放置一個(gè)可調光闌或者直接將可調光闌或者小孔固定在探測器上，用來(lái)控制探測器接收光的面積大小。

　　液晶盒的外部驅動(dòng)電壓由信號發(fā)生器提供，由于信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓幅值大小有限，所以在信號發(fā)生器和液晶盒之間使用電壓放大器來(lái)達到實(shí)驗所需的電壓幅值。由于使用的BCN液晶向列相所處的溫度在90℃以上，所以使用熱臺（LTS350）加熱，利用熱臺控制器（TP94）控制液晶盒所處的溫度大小，熱臺精度可達±0.1℃。

　　圖2：1號到6號液晶測試盒的光柵衍射效率在不同溫度下隨外部施加電壓的變化(a)1號盒(b)2號盒(c)3號盒(d)4號盒(e)5號盒(f)6號盒

　　測量衍射效率時(shí)，入射偏振光選擇與液晶盒基板表面水平摩擦方向相同。如圖2(a)-2(f)所示，給出了實(shí)驗用到的六個(gè)液晶測試盒在不同溫度下衍射效率隨外部施加電壓幅值的變化?？梢钥吹?，隨著(zhù)溫度的升高，衍射效率曲線(xiàn)有著(zhù)明顯的右移，而且在U=80V的直流驅動(dòng)電壓以?xún)?，衍射效率?號液晶盒對應的曲線(xiàn)圖2(f)，其它液晶盒對應的衍射效率曲線(xiàn)基本上有兩個(gè)衍射效率極大值。根據圖2(f)可以推測隨著(zhù)外部驅動(dòng)電壓的增大，電壓大于U=80V以后，依然會(huì )存在極大值。從圖2(e)可以看到在外部電壓U=60V，液晶盒環(huán)境溫度T=110℃時(shí)出現了一個(gè)極值，但是這個(gè)值是很小的，可以推斷出其它溫度下也是存在多個(gè)極值的，但是極值對應的衍射效率太小，所以在實(shí)驗測量時(shí)并不能很好的檢測到。

　　從圖2(a)-2(f)中，可以發(fā)現隨著(zhù)溫度的升高，衍射效率的第一個(gè)極大值會(huì )隨著(zhù)溫度的升高先增大后減小。而且分別對比圖2(a)和2(b)，2(c)和2(d)，2(e)和2(f)可以發(fā)現，1號、3號和5號液晶盒對應的衍射效率曲線(xiàn)的第一個(gè)極值出現的更陡一些，而不是像2號、4號和6號液晶盒對應的衍射效率曲線(xiàn)那樣，第一個(gè)極值的出現是相對比較平緩的。出現這種現象的原因可能是這種光柵結構本來(lái)就是由撓曲電疇組成的，1號，3號，5號液晶盒對比于2號，4號，6號液晶盒而言，具有更小的液晶盒間隙，實(shí)驗測量結果顯示液晶盒間隙約為后者的一半，撓曲電疇會(huì )有一定的體積，當液晶盒間隙較小時(shí)，這些撓曲電疇沒(méi)有足夠的空間轉動(dòng)或者轉變，所以會(huì )有一些突變的情況發(fā)生。

　　實(shí)驗結果：

　　通過(guò)圖2(a)-圖2(d)可以發(fā)現在外部驅動(dòng)電壓U＜20V時(shí)，沒(méi)有檢測到衍射光強，肉眼也無(wú)法觀(guān)測到有衍射點(diǎn)的跡象，但是在偏光顯微鏡下，當外部施加的驅動(dòng)電壓滿(mǎn)足10V＜U＜20V時(shí)，是存在撓曲電疇的，而且這些疇類(lèi)似光柵結構。出現這種情況的原因一方面是低電壓下出現的光柵結構，雖然垂直液晶盒基板表面摩擦方向折射率呈現周期性分布，但是折射率極大值和極小值之間的差異較小，導致衍射效果不明顯；另一方面，入射光偏振方向與液晶盒基板表面的摩擦方向是平行的，且出射光沒(méi)有檢偏片，而在偏光顯微鏡下，撓曲電疇光柵結構是在垂直偏振片下觀(guān)測到的。當此時(shí)調整顯微鏡的起偏片偏振方向與液晶盒基板摩擦方向垂直，而且不放置檢偏片時(shí)，從顯微鏡的目鏡中并不能觀(guān)察到撓曲電疇。因此，出射光的偏振狀態(tài)應該與入射光偏振狀態(tài)有關(guān)。

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