實驗名稱：彎曲芯向列相液晶盒的光學衍射

測試目的：本章對實驗使用的彎曲芯向列相液晶盒進行了光學衍射實驗，介紹了光學衍射實驗的光路建立，分析了出射光偏振狀態與入射光偏振狀態的關系，之后給出了實驗得到的光柵衍射效率并進行了相關的分析。這對于BCN液晶未來在可調液晶光柵上潛在應用以及進一步發展具有一定的深遠意義。

測試設備：電壓放大器、信號發生器、熱臺控制器、衰減器、偏振片、光功率計等。

實驗過程：

圖1：測量BCN液晶光柵衍射效率的實驗光路

如圖1所示，為光學衍射實驗的光路圖。選用632.8nm的紅激光，衰減器用來衰減激光強度，之后通過可調光闌或者小孔來得到較好的光束。由于激光器發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，之后再使用一個偏振片將圓偏振光變成線偏振光，通過調整這個偏振片就可以得到任意偏振方向的線偏振光。線偏振光經過液晶盒中的光柵結構后產生衍射，通過光功率計得到光強，在探測器前放置一個可調光闌或者直接將可調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。

液晶盒的外部驅動電壓由信號發生器提供，由于信號發生器產生的電壓幅值大小有限，所以在信號發生器和液晶盒之間使用電壓放大器來達到實驗所需的電壓幅值。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（LTS350）加熱，利用熱臺控制器（TP94）控制液晶盒所處的溫度大小，熱臺精度可達±0.1℃。

圖2：1號到6號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號盒(b)2號盒(c)3號盒(d)4號盒(e)5號盒(f)6號盒

測量衍射效率時，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，給出了實驗用到的六個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。可以看到，隨著溫度的升高，衍射效率曲線有著明顯的右移，而且在U=80V的直流驅動電壓以內，衍射效率除6號液晶盒對應的曲線圖2(f)，其它液晶盒對應的衍射效率曲線基本上有兩個衍射效率極大值。根據圖2(f)可以推測隨著外部驅動電壓的增大，電壓大于U=80V以后，依然會存在極大值。從圖2(e)可以看到在外部電壓U=60V，液晶盒環境溫度T=110℃時出現了一個極值，但是這個值是很小的，可以推斷出其它溫度下也是存在多個極值的，但是極值對應的衍射效率太小，所以在實驗測量時并不能很好的檢測到。

從圖2(a)-2(f)中，可以發現隨著溫度的升高，衍射效率的第一個極大值會隨著溫度的升高先增大后減小。而且分別對比圖2(a)和2(b)，2(c)和2(d)，2(e)和2(f)可以發現，1號、3號和5號液晶盒對應的衍射效率曲線的第一個極值出現的更陡一些，而不是像2號、4號和6號液晶盒對應的衍射效率曲線那樣，第一個極值的出現是相對比較平緩的。出現這種現象的原因可能是這種光柵結構本來就是由撓曲電疇組成的，1號，3號，5號液晶盒對比于2號，4號，6號液晶盒而言，具有更小的液晶盒間隙，實驗測量結果顯示液晶盒間隙約為后者的一半，撓曲電疇會有一定的體積，當液晶盒間隙較小時，這些撓曲電疇沒有足夠的空間轉動或者轉變，所以會有一些突變的情況發生。

實驗結果：

通過圖2(a)-圖2(d)可以發現在外部驅動電壓U＜20V時，沒有檢測到衍射光強，肉眼也無法觀測到有衍射點的跡象，但是在偏光顯微鏡下，當外部施加的驅動電壓滿足10V＜U＜20V時，是存在撓曲電疇的，而且這些疇類似光柵結構。出現這種情況的原因一方面是低電壓下出現的光柵結構，雖然垂直液晶盒基板表面摩擦方向折射率呈現周期性分布，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，撓曲電疇光柵結構是在垂直偏振片下觀測到的。當此時調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，從顯微鏡的目鏡中并不能觀察到撓曲電疇。因此，出射光的偏振狀態應該與入射光偏振狀態有關。

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審核編輯 黃宇