cwt-液晶光学双稳态实验装置new

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1、CWT-液晶光学双稳态实验装置光学双稳态（opticalbistable）一、实验研究背景自1974年吉布斯（Gibbs）首先利用F-P标准具内充满饱和吸收气体Na蒸汽，观察到了光学双稳态现象以来，许多科学工作者相继在其它许多介质中也观察到了光学双稳态现象，并研制了各种各样的光学双稳态器件。它作为开关元件和存储元件，有着重要的应用前景。作为开关元件时其开关速率在理论上可以达到S，是现有电子开关的倍。光学双稳态器件与现在使用的晶体管相比，还有一个引人注目的优点，就是可以进行信号平行处理。光波在真空中传播时，不同光束之

2、间互不干扰，各自独立：在介质中，两束光只要分开几个波长的的距离即可互不影响，因此在同一光学元件中，可以平行地通过几束光波，同一元件的不同区域可以同时分别对各光束进行运算操作。这将对计算机科学带来一革命，使计算机的构造和算法有极大的改变，使计算机的功能有极大的飞跃。尽管光学双稳态器件在这方面离实用还有相当大的距离，但其前景是非常宽广的。二、实验研究内容1．光学双稳态现象的原理；2．液晶光阀的工作原理；3．用液晶光阀作非线性光学元件实现光学双稳态；4．验证马吕斯定律。三、特色及创新点用比较简单的器件，组成不太复杂的装置

3、，实现光学双稳态。加深对光学双稳态的理解。同时，了解液晶光阀的特性；了解如何用偏振片调节光强度，加深对马吕斯定律理解；学习对光强度进行测量和显示。具有综合性强，操作内容丰富的特点。四、实验要求1．利用简单器件实现光强调节；利用光电三极管探测光强；2．测量液晶光阀的光电特性，了解它是非线性光学元件；3．组建光学双稳态系统，并测试其特性。五、参考文献61．赵达尊，张怀玉，空间光调制器。北京：北京理工大学出版社，19922．宋菲君，S.Jutamulia。近代光学信息处理。北京：北京大学出版社，1998一、提示1．原理：

4、对于一个给定的入射光强，存在两个可能的、稳定的输出光强状态，而且可以用光学的方法实现两个稳态间的翻转，这种现象称为光学双稳态。实现光学双稳态的常用方法有两种，一种是纯光型，另一种是光电混合型。法布里-珀罗（Fabry-Perot，简称F-P）腔由两个严格平行的高反膜构成。两膜片间的距离为L。当腔内充满光学克尔介质时，由于折射率与腔内光强有关，将引起腔内光波波长的变化，从而改变光波相干的相位条件，即输出光强于输入光强不再呈线性关系。这时腔内存在两个互相依赖又互相制约的条件。非线性介质中光程nL决定于腔内的光强，而腔内

5、的光强又依赖于介质中的光强。这两个条件同时作用，即可产生光学双稳态。这是一种纯光型（本征型）光学双稳态。另一种光学双稳态装置是光电混合反馈方式的，称为光电混合型。其工作框图如下：图-1光电混合型光学双稳态装置工作框图非线性光学元件的透光率与加在其上的电压有关。将出射光转换成电压，经放大后反馈到非线性光学元件上去，使其在不同的出射光强下具有不同的透光率，从而实现光学双稳态。本实验即采用这一方式，并且采用液晶光阀作为非线性光学元件。它具有工作电压低、价格低廉等优点。液晶（LiquidCrystal）相是介于固相与液相之

6、间的一种相态。它能象液体般地流动，并且有表面张力；但它的分子排列却有一定的规律，从而呈现固相各向异性，这又和晶体相似。因此也可把液晶定义为分子排列呈某种规律性的液体。把液晶夹在两块基片之间，并对基片进行恰当的处理，就可以使液晶分子的排列具有确定的规律。处理得方法可有多种，例如用棉布单方向地摩擦基片，并且使两块基片受到摩擦的方向互相垂直，由于紧挨基片表面的液晶分子会平行于基片表面，且取向与摩擦方向相同，就可使液晶分子的排列成为如图-2所示。6图-2液晶分子排列示意图图-3液晶盒示意图由于液晶分子在形状、极化率和电导率

7、等方面都具有明显的各向异性，当大量液晶分子有规律地排列时，其整体的电学和光学性质也就呈现出各向异性。若对其施加电场，就会引起分子排列方向和位置的变化，从而导致其光学性质的变化，这就是液晶的电光效应。例如，在液晶上施加电场后，可以使液晶分子被极化，使其长轴趋于沿电场方向排列，或趋于垂直电场方向排列。例如在如图-2两个基片B1和B2的外侧放置起偏器P和检偏器A，就构成了液晶盒，如图-3。当有一束光自左向右射入液晶盒时，由于P产生的线偏振光在液晶内传播时，其振动方向始终与液晶分子层中分子的长轴方向一致，所以光波达到B2时

8、，振动方向旋转了90度，不能通过检偏器A。如果在液晶盒上加以适当电场，使得大部分分子的长轴沿电场方向排列（或垂直电场方向排列），使得达到B2的光波具有与A相同的振动方向，那么就会有光通过A射出了。当然，液晶还有许多种其它的电光效应，这里就不一一赘述了。图-4曲线1所示为某种液晶光阀的透射率T与加在液晶层上的电压U之间的关系曲线。6图-4液晶光阀透射率与电压间