CWT-液晶光学双稳态实验装置new

1、CWT-液晶光学双稳态实验装置光学双稳态（optical bistable）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，

2、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，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

3、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1 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，1998六、 提示1 原理：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-Pero

4、t，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

5、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

6、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。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

7、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，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。图-4 液晶光阀透射率与电压间的关系曲线当入射光强Ii一定时，出射光强Io正比于透射率T。若图-1中的放大器是线性的，则，在图-4中应为一条直线。直线的斜率与Ii以及放大器的放大倍数有关。图-4中的直线2和3表示

8、两条不同斜率的直线。这些直线只要处于图中两条虚线之间的范围之内，都会与曲线1有两个交点。这表明在同一个Ii下具有两个不同的T，故也就有两个不同的Io。如果保持放大器的放大倍数不变，改变Ii，就可能出现如图-5所示的迟滞回线。就可以实现光学双稳态。图-5 光学双稳态迟滞回线要改变入射光的强度，可以采用不同的方法。例如采用两个偏振片，改变它们透光方向间的夹角，就能改变输出光的强度。根据马吕斯定律，用自然光入射，通过第一个偏振片后成为线偏振光，设其强度为I1，透过第二个偏振片后，光的强度就成为I2， 在本实验中，由于液晶盒本身包含有偏振片，为使入射到液晶盒的光的偏振态不变，应该改变靠光源的偏振片的方

9、向，而保持靠近液晶盒的偏振片方向不变。在实验中，要对光强进行测量。在本实验中采用光电三极管作为光电探测器件，并使其工作在光电特性的线性区域。测量结果用数字表显示。电信号用运算放大器进行放大。其反馈电阻可以调节，由此实现放大倍数的调节。2 实验方法了解所用各种元器件的特性，组建实验装置。可参考图-6。图-6 液晶光学双稳态装置构造原理图P1、P1-偏振片 BS-分束器 D1、D2-光电探测器LCLV（Liquid Crystal Light Valve）-液晶光阀AM-放大器 Vi-偏置电压电源应可提供激光器工作电压：D1和D2所需工作电压；运算放大器AM所需工作电压和偏置电压；并显示D1、D2

10、探测的结果。对D1、D2的工作电压可以进行调节；对AM的反馈电阻可以调节。（1）利用图-6中LCLV左边的装置，可以验证马吕斯定律。开启光源和电源，改变P2的方向，测量其在不同方向时，D1探测到的光强度。注意，由于所用半导体激光器发出的基本上就是线偏振光，所以一定要改变P2的方向，结果才满足（2）测量液晶光阀的电光特性保持入射光不变，使其强度合适；改变加在液晶盒上的偏置电压，D2探测到的信号不反馈到液晶盒上。在这种情况下测量不同偏置电压下的出射光强度。由于入射光强度不变，该出射光强度正比于透射率T，由此可以测出液晶光阀的电光特性曲线。（3）观测光学双稳态调节入射光强度，使其合适（使液晶处于高透光状态，改变P1的方向。当P1的方向一定时，改变P2的方向，同时观察D2探测到的信号，要求该信号的最大值在150到190之间。如果不符合此情况，就再次改变P1的方向，直至符合）。调节偏压至恰当数值（不加反馈，使液晶处于低透光状态）；调节运算放大器的反馈电阻，使其放大倍数合适（欲使现象明显，可使最大）。通过改变偏振片P1的方向来改变入射光强度Ii，用D1和D2分别测量Ii和Io。当不加反馈时Io较小，而加上反馈后Io变大，就可以观察到光学双稳态现象了。观察到光学双稳态现象后，测出IoIi曲线。改变偏压、放大倍数、最大入射光强Iimax，在不同的条件下实现光学双稳态，了解这些参数