液晶光阀的特性研究 
 

           河北工业大学物理实验中心

                           张志东 

 
 

• 实验应用背景介绍
• 实验目的和教学要求
• 实验原理
• 实验仪器和装置
• 实验内容
• 课堂思考
• 选做实验

 
 
 

目录

 
 

 　　　　　　实验应用背景介绍 

    在现代信息处理技术中光电混合处理系统具有重要的地位。信息的传递和处理常常需要对信号进行调制，空间光调制器是光电混合处理系统的关键器件之一。液晶光阀就是利用液晶对光的调制特性而制作的一种具有实时功能的空间光调制器。  它可以广泛地应用于光计算、模式识别、信息处理、显示等现代高新技术领域，前景广阔。由于液晶光阀写入光和读出光互相独立，可以方便地把非相干光转换为相干光，因此在相干光实时处理系统中，液晶光阀是必不可少的器件。同时液晶光阀还可以增大读出光的能量，实现弱图像的能量放大，因此它也被广泛地应用于大屏幕、高亮度的投影显示中。

    那么什么是液晶呢？它是怎样发现的呢？ 
 

 

 
 

 实验目的和教学要求  
 

1.学习液晶光阀的工作原理，测量其工作曲线，了解液晶光阀　使图像反转的原理。 
 

2.了解液晶光阀实现非相干光到相干光图像转换的工作　原理。 

3.巩固光学实验等高共轴调节的基本技术。

 
 

    实验原理  
 

    液晶是介于液体与晶体之间的一种物理状态。目前液晶材料都是长型分子或盘型分子的有机化合物，是一种非线性的光学材料。液晶以凝集构造的不同可分为三种：向列型液晶、层列型液晶和胆固醇型液晶。它具有以下特点: 
 

1.当液晶分子有序排列时具有双折射性质; 
 

2.液晶具有旋光效应 ; 
 

3.液晶具有电光效应。

 
 

　

液晶光阀的工作原理

      

        本实验中的液晶光阀，写入的是光学信号，其结构与一般液晶有所不同。它在液晶盒外面增加了一个光导层，利用光导层的光电效应，把照射在各像素位置上的写入光强度转变成电场强度的变化，再通过液晶的电光效应，使读出光（相干光，经光阀反射出来的光束）被工作面上的电压分布所调制。于是它把非相干光的图像转换成了相干光的图像。 
 
 
 
 
 

　

 
 

        通过外电场来控制液晶层的光学性质，实现对读出光的实时图像调制；利用光导层的光电效应，又把照射到不同“像面”位置上的写入光强转化为相应的电场强度，从而得到了光学图像的“编址”，这就是液晶光阀的工作原理。由于存在阻隔层，液晶光阀的写入光和读出光互相独立，可以方便地实现非相干光/相干光的转换，还可以实现图像的波长转换（以某个波长的光写入，另一个波长的光读出）或使图像增强（把弱图像的能量放大）。在相干光实时处理系统中，在大屏幕、高亮度的投影显示中，液晶光阀常常是不可少的器件，有着十分重要的应用。 

 
 

液晶光阀结构图

 
 

液晶光阀典型工作曲线 
 

　由液晶光阀的工作曲线知，当液晶光阀工作在２.５V点时，即写入光为零时对应的读出光为极大值的点，而写入光全明时对应的读出光只有50%的相对光强。若输入一幅图像，在此处则必然会观察到原图像的反转图像。 

 
 

实验仪器和装置

 
 

实验内容 

1. 做好各元件的目测粗调，在此基础上做好所有器件的同轴等高。

2. 相干光图像的获得和反转

　      ⑴写入熊猫图片。设定好频率和液晶光阀偏转角，选择并调节驱动电压的大小，在　观察屏处获得清晰的相干光图像。进一步调节电压，使图像反转。

          ⑵仔细观察随驱动电压的变化，相干光图像的变化。例如图像的反差和清晰度、反　转时的电压大小，出现反转的次数等，记录相应的结果和数据。

　   ⑶改变液晶光阀偏转角度和驱动电压的频率，重复⑵的观察和记录。

 
 

3. 测量液晶光阀的工作曲线

　液晶光阀的工作曲线就是指所加驱动电压与光阀输出光强的函数关系。实验中要求测出　全暗（输入图像全黑）和全明（输入图像全明）的两条工作曲线（驱动频率与光阀偏转　角保持不变）：驱动电压从0～10V变化，用光电池测量读出光输出面的相应光强。

 4.数据处理要求

　在相同的坐标轴（X—驱动电压，Y—相对光强）上绘制两种写入光条件工作曲线，进　行比较。对实验中观察到的相干光图像的特征（图像对应的曲线位置，成像的清晰与反　差，出现反转像的位置和次数等）做出解释。

　相对光强指被测光强与最大光强的比值，有时也称归一化处理。

 
 
 

１、电源线和相关电缆均已连接好,不要轻易更改。

  2 、特别强调光学元件的正确使用和表面保护。相干光实验不同于一般的光学实验，只要光路中有尘埃，玻璃中有气泡或透镜表面镀膜有沙眼、划痕、油污，相干光一碰到就发生衍射，得到的光就不再是均匀的，而是附加了环团状的噪声。实验中一定不能将手指碰到镜头上。

3、为获得好的实验效果，必须仔细调节光路，使光路中各元件等高共轴。 
 
 

实验注意事项 

 
 

 ⑴何谓非相干光图像和相干光图像？为什么要把非相干光图像转变为相干光图像？

 ⑵液晶是一种什么物质状态？它有什么特点和优点？简述用液晶光阀做成的空间光调制器的工作原理。

 ⑶偏光棱镜（PBS）是做什么用的？当一束线偏振光入射到PBS上时，出射光有什么特点？

 2．液晶光阀的光路调整和使用

 ⑴本实验如何进行光学元件的等高共轴调节特别是激光束，准直镜，照明光源和物像透镜的调整？

 ⑵液晶光阀转臂的用途是什么？如何获得相干光图像的反转图像？

 ⑶根据某液晶光阀在确定的转角和驱动频率下的工作曲线，说明出现正像或反像的位置？正反像可互变几次？反差有什么变化？ 
 

课堂思考

 
 

 选作实验 

 光学傅里叶变换实验

 按下面光路，放上傅里叶透镜，观察矩形光栅和两维正交光栅的频谱并记录实验结果。注意：为获得相应的频谱图，必须仔细调节写入—读出光路，找好频谱面位置。

 如条件允许，还可以改变原图像的空间方位，观察频谱的变化。 
 

 
  
 

结合现场的记录数据和实验参数（光栅的空间周期d，成像物镜焦距f_物，傅里叶透镜焦距f_傅）估算光栅频谱的间隔。与实验观察结果进行比较。