實(shí)驗(yàn)名稱：彎曲芯向列相液晶盒的光學(xué)衍射

測試目的：本章對(duì)實(shí)驗(yàn)使用的彎曲芯向列相液晶盒進(jìn)行了光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)，介紹了光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)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(yàn)得到的光柵衍射效率并進(jìn)行了相關(guān)的分析。這對(duì)于BCN液晶未來在可調(diào)液晶光柵上潛在應(yīng)用以及進(jìn)一步發(fā)展具有一定的深遠(yuǎn)意義。

測試設(shè)備：電壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、熱臺(tái)控制器、衰減器、偏振片、光功率計(jì)等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：測量BCN液晶光柵衍射效率的實(shí)驗(yàn)光路

如圖1所示，為光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)的光路圖。選用632.8nm的紅激光，衰減器用來衰減激光強(qiáng)度，之后通過可調(diào)光闌或者小孔來得到較好的光束。由于激光器發(fā)出的激光是固定偏振方向的線偏振光，所以利用λ/4波片將線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偏振光，通過調(diào)整這個(gè)偏振片就可以得到任意偏振方向的線偏振光。線偏振光經(jīng)過液晶盒中的光柵結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生衍射，通過光功率計(jì)得到光強(qiáng)，在探測器前放置一個(gè)可調(diào)光闌或者直接將可調(diào)光闌或者小孔固定在探測器上，用來控制探測器接收光的面積大小。

液晶盒的外部驅(qū)動(dòng)電壓由信號(hào)發(fā)生器提供，由于信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓幅值大小有限，所以在信號(hào)發(fā)生器和液晶盒之間使用電壓放大器來達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(tái)（LTS350）加熱，利用熱臺(tái)控制器（TP94）控制液晶盒所處的溫度大小，熱臺(tái)精度可達(dá)±0.1℃。

圖2：1號(hào)到6號(hào)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(hào)盒(b)2號(hào)盒(c)3號(hào)盒(d)4號(hào)盒(e)5號(hào)盒(f)6號(hào)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(yàn)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?？梢钥吹剑S著溫度的升高，衍射效率曲線有著明顯的右移，而且在U=80V的直流驅(qū)動(dòng)電壓以內(nèi)，衍射效率除6號(hào)液晶盒對(duì)應(yīng)的曲線圖2(f)，其它液晶盒對(duì)應(yīng)的衍射效率曲線基本上有兩個(gè)衍射效率極大值。根據(jù)圖2(f)可以推測隨著外部驅(qū)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(xiàn)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(duì)應(yīng)的衍射效率太小，所以在實(shí)驗(yàn)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(xiàn)隨著溫度的升高，衍射效率的第一個(gè)極大值會(huì)隨著溫度的升高先增大后減小。而且分別對(duì)比圖2(a)和2(b)，2(c)和2(d)，2(e)和2(f)可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)液晶盒對(duì)應(yīng)的衍射效率曲線的第一個(gè)極值出現(xiàn)的更陡一些，而不是像2號(hào)、4號(hào)和6號(hào)液晶盒對(duì)應(yīng)的衍射效率曲線那樣，第一個(gè)極值的出現(xiàn)是相對(duì)比較平緩的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是這種光柵結(jié)構(gòu)本來就是由撓曲電疇組成的，1號(hào)，3號(hào)，5號(hào)液晶盒對(duì)比于2號(hào)，4號(hào)，6號(hào)液晶盒而言，具有更小的液晶盒間隙，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)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(dāng)液晶盒間隙較小時(shí)，這些撓曲電疇沒有足夠的空間轉(zhuǎn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)變，所以會(huì)有一些突變的情況發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

通過圖2(a)-圖2(d)可以發(fā)現(xiàn)在外部驅(qū)動(dòng)電壓U＜20V時(shí)，沒有檢測到衍射光強(qiáng)，肉眼也無法觀測到有衍射點(diǎn)的跡象，但是在偏光顯微鏡下，當(dāng)外部施加的驅(qū)動(dòng)電壓滿足10V＜U＜20V時(shí)，是存在撓曲電疇的，而且這些疇類似光柵結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)這種情況的原因一方面是低電壓下出現(xiàn)的光柵結(jié)構(gòu)，雖然垂直液晶盒基板表面摩擦方向折射率呈現(xiàn)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(dǎo)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，且出射光沒有檢偏片，而在偏光顯微鏡下，撓曲電疇光柵結(jié)構(gòu)是在垂直偏振片下觀測到的。當(dāng)此時(shí)調(diào)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察到撓曲電疇。因此，出射光的偏振狀態(tài)應(yīng)該與入射光偏振狀態(tài)有關(guān)。

電壓放大器推薦：ATA-2161

圖：ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇