晶体的电光效应教案

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1、课时安排：4学时教学课型：实验课题目：晶体的电光效应教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：通过实验，让学生达到以下目的：1、了解液晶的工作原理和特性。2、了解光电二极管的工作原理和工作条件。3、测量液晶在特定条件下的衍射情况，推算液晶材料的结构尺寸。教学内容（注明：*重点#难点？疑点）：一、实验所用仪器：1.800mm光学实验导轨；2.二维可调半导体激光（波长为650nm）；3.偏振片；4.液晶盒；5.液晶驱动电源；6.光功率指示计；7.白屏；8.光电二极管探头；9.导轨滑块；10.钢板尺。二、实验原理部分：液晶是一种既具有液体的流

2、动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质（材料），它是在1888年由奥地利植物学家首先发现的。由于液晶分子的结构特性，其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时，其总体的电学和光学特性，如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当我们在液晶盒的两

3、个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶盒中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图5中的排列形式。　　　　　图4　图5这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失，通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化，大

4、多数液晶器件都是这样工作的。液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般来说液晶的响应速度是比较低的。我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度情况。定义如下：驱动信号90%T1T210%响应6上升沿时间T1：0-90%电平所用的时间。下降沿时间T2：100%-10%电平所用的时间。三、实验内容及步骤（一）、扭曲角和对比度的测量1、将半导体激光器、起偏器（偏振片）、激光功率指示计的光探头依次安装于导轨上。2、连接半导体激光器到OPT－1A型激光功率指示计上，连接光探头到OPT－1A型激光功率指示计上

5、（插头均在指示计后面板上）。接通电源，打开激光功率指示计电源开关，点亮激光。3、转动起偏器，使通过起偏器的激光尽可能的亮（半导体激光是部分偏振光）。4、在起偏器与光探头之间放入液晶盒、检偏器（偏振片），并调整液晶盒和检偏器的高度，使激光穿过液晶盒和检偏器射到光探头上。5、转动检偏器，使检偏器后的激光达到最弱。6、记下此时的光功率Tmin和检偏器的角度值D1。7、打开液晶驱动电源，将工作状态按钮置于“连续”状态，电压调至12V，检偏器后的激光应变强，记下此时的激光功率Tmax。8、转动检偏器，再次使检偏器后的激光达到最弱。记下此时检偏器的角

6、度值D2。9、角度值即为液晶盒在该波长下的扭曲角。Tmax:Tmin即为对比度。（二）、上升沿时间T1与下降沿时间T2的测量1、在实验（一）的光路基础上，用光电二极管探头换下激光功率指示计探头，用两根电源插线连接光电二极管和液晶驱动电源，红色与红色相连，黑色与黑色相连。2、将工作状态按钮置于“间歇”状态（即脉冲状态），脉冲频率调至最低。这时肉眼可看到检偏器后的光在闪动。3、将双踪示波器的CH1接在液晶驱动电源后的示波器接口上，CH2接在光电二极管探头电路板的地线及中心挂钩上。4、以CH1的信号作为触发信号，观测两路信号的波形，测量CH2波

7、形的上升沿时间T1和下降沿时间T2。（调节图形时，配合调节液晶驱动电源的“驱动频率”、“驱动电压”，以及旋转检偏器）（三）、通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸1、在实验（一）的光路基础上，撤掉检偏器换上白屏。2、缓慢调整驱动电压，观测白屏上光斑的变化情况，当在白屏上会形成类似光栅衍射的衍射光斑，稳定片刻，转动液晶盒并仔细调整电压，使衍射效率尽可能大。3、用钢板尺测量±1、±2、±3级衍射光斑的间距，同时测量出液晶盒与白屏之间的距离，然后应用光栅公式求出等效光栅常数，估算此条件下的液晶结构尺寸。光栅公式：，其中（四）、观察测量衍

8、射斑的偏振状态在实验（三）的基础上，在液晶盒与白屏之间插入检偏器，并紧靠液晶盒，旋转检偏器或液晶盒，观测衍射光斑的变化情况，总结规律，并解释它。【注意事项】1、切勿用手触摸偏振片和液晶盒的表面