晶體的電光效應(yīng)教案

1、學(xué)習(xí)好資料歡迎下載10%課時安排：4學(xué)時 題目教學(xué)課型：實驗課晶體的電光效應(yīng)教學(xué)目的要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：通過實驗，讓學(xué)生達(dá)到以下目的：1、了解液晶的工作原理和特性。2、了解光電二極管的工作原理和工作條件。3、測量液晶在特定條件下的衍射情況，推算液晶材料的結(jié)構(gòu)尺寸。教學(xué)內(nèi)容（注明：*重點 #難點 ？疑點）：一、實驗所用儀器：1.800mm光學(xué)實驗導(dǎo)軌；2二維可調(diào)半導(dǎo)體激光 （波長為650nm）； 3偏振片；4液晶盒； 5液晶驅(qū)動電源；6光功率指示計；7.白屏；8光電二極管探頭；9導(dǎo)軌滑塊；10.鋼板尺。二、實驗原理部分：液晶是一種既具有液體的流動性又具有類似于晶體的各向異性的特殊

2、物質(zhì)（材料），它是在1888年由奧地利植物學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)的。由于液晶分子的結(jié)構(gòu)特性，其極化率和電導(dǎo)率等都具有各向異性的特點，當(dāng)大量液晶分子有規(guī)律的 排列時，其總體的電學(xué)和光學(xué)特性，如介電常數(shù)、折射率也將呈現(xiàn)出各向異性的特點。如果我們對液晶 物質(zhì)施加電場，就可能改變分子排列的規(guī)律。從而使液晶材料的光學(xué)特性發(fā)生改變，1963年有人發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。這就是液晶的的 電光效應(yīng)。為了對液晶施加電場，我們在兩個玻璃基片的內(nèi)側(cè)鍍了一層透明電極。我們將這個由基片電極、取 向膜、液晶和密封結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)叫做液晶盒。當(dāng)我們在液晶盒的兩個電極之間加上一個適當(dāng)?shù)碾妷簳r 我們來看一下液晶分子會發(fā)生什么變化。根據(jù)液晶分子的結(jié)

3、構(gòu)特點。我們假定液晶分子沒有固定的電極。但可被外電場極化形成一種感生電極矩。這個感生電極矩也會有一個自己的方向，當(dāng)這個方向以外電場 的方向不同時，外電場就會使液晶分子發(fā)生轉(zhuǎn)動，直到各種互相作用力達(dá)到平衡。液晶分子在外電場作 用下的變化，也將引起液晶盒中液晶分子的總體排列規(guī)律發(fā)生變化。當(dāng)外電場足夠強時，兩電極之間的 液晶分子將會變成如圖 5中的排列形式。這時，液晶分子對偏振光的旋光作用將會減弱或消失，通過檢偏器，我們可以清晰地觀察到偏振態(tài) 的變化，大多數(shù)液晶器件都是這樣工作的。液晶對變化的外界電場的響應(yīng)速度是液晶產(chǎn)品的一個十分重要的參數(shù)。一般來說液晶的響應(yīng)速度是比較低的。我們用上升沿時間和下降沿

4、時間來衡液晶對外界驅(qū)動信號的響應(yīng)速度情況。定義如下:驅(qū)動信號90%TT2響應(yīng)學(xué)習(xí)好資料歡迎下載上升沿時間Ti： 0-90%電平所用的時間。下降沿時間T2: 100%-10%電平所用的時間。三、實驗內(nèi)容及步驟（一）、扭曲角和對比度的測量1、 將半導(dǎo)體激光器、起偏器（偏振片）、激光功率指示計的光探頭依次安裝于導(dǎo)軌上。2、 連接半導(dǎo)體激光器到 OPT - 1A型激光功率指示計上，連接光探頭到OPT - 1A型激光功率指示計 上（插頭均在指示計后面板上）。接通電源，打開激光功率指示計電源開關(guān)，點亮激光。3、 轉(zhuǎn)動起偏器，使通過起偏器的激光盡可能的亮（半導(dǎo)體激光是部分偏振光）。4、 在起偏器與光探頭之間

5、放入液晶盒、檢偏器（偏振片），并調(diào)整液晶盒和檢偏器的高度，使激光穿 過液晶盒和檢偏器射到光探頭上。5、轉(zhuǎn)動檢偏器，使檢偏器后的激光達(dá)到最弱。6、記下此時的光功率 Tmin和檢偏器的角度值 D1。7、 打開液晶驅(qū)動電源，將工作狀態(tài)按鈕置于“連續(xù)”狀態(tài)，電壓調(diào)至12V，檢偏器后的激光應(yīng)變強， 記下此時的激光功率 Tmax。8轉(zhuǎn)動檢偏器，再次使檢偏器后的激光達(dá)到最弱。記下此時檢偏器的角度值D2。9、角度值|D2 - D1即為液晶盒在該波長下的扭曲角。Tmax : Tmin即為對比度。（二）、上升沿時間T1與下降沿時間T2的測量1、在實驗（一）的光路基礎(chǔ)上，用光電二極管探頭換下激光功率指示計探頭，用兩

6、根電源插線連接 光電二極管和液晶驅(qū)動電源，紅色與紅色相連，黑色與黑色相連。2、 將工作狀態(tài)按鈕置于“間歇”狀態(tài)（即脈沖狀態(tài)），脈沖頻率調(diào)至最低。這時肉眼可看到檢偏器后 的光在閃動。3、 將雙蹤示波器的 CH1接在液晶驅(qū)動電源后的示波器接口上，CH2接在光電二極管探頭電路板的地 線及中心掛鉤上。4、 以CH1的信號作為觸發(fā)信號，觀測兩路信號的波形，測量CH2波形的上升沿時間 T1和下降沿時間T2。（調(diào)節(jié)圖形時，配合調(diào)節(jié)液晶驅(qū)動電源的“驅(qū)動頻率”、“驅(qū)動電壓”，以及旋轉(zhuǎn)檢偏器）（三）、通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結(jié)構(gòu)尺寸1、在實驗（一）的光路基礎(chǔ)上，撤掉檢偏器換上白屏。2、緩慢調(diào)整驅(qū)動電

7、壓，觀測白屏上光斑的變化情況，當(dāng)在白屏上會形成類似光柵衍射的衍射光斑， 穩(wěn)定片刻，轉(zhuǎn)動液晶盒并仔細(xì)調(diào)整電壓，使衍射效率盡可能大。3、 用鋼板尺測量土 1、土 2、土 3級衍射光斑的間距 Xk，同時測量出液晶盒與白屏之間的距離I，然后應(yīng)用光柵公式求出等效光柵常數(shù)，估算此條件下的液晶結(jié)構(gòu)尺寸d。二 Xk光柵公式：d sinK =K九，其中 sinK tgK =2匯丨（四）、觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)在實驗（三）的基礎(chǔ)上，在液晶盒與白屏之間插入檢偏器，并緊靠液晶盒，旋轉(zhuǎn)檢偏器或液晶盒， 觀測衍射光斑的變化情況，總結(jié)規(guī)律，并解釋它?！咀⒁馐马棥?、切勿用手觸摸偏振片和液晶盒的表面，以免留下指紋或者斑點，

8、影響實驗效果。2、光路調(diào)整時的反射不能重新射入半導(dǎo)體激光器中。3、在用鋼板尺測量并記錄數(shù)據(jù)時，要多次重復(fù)測量，結(jié)果取平均值。4、光探頭和光功率計后面的編號是對應(yīng)的，不能隨意對調(diào)，實驗完畢后應(yīng)各自放回實驗箱中。5、實驗測量時，光探頭要盡量靠近檢偏器，以減少周圍背景光對實驗的影響。教學(xué)方式、手段、媒介：實驗講義和板書板書設(shè)計：一、原理部分1、什么叫液晶的電光效應(yīng)？2、液晶的電光效應(yīng)有哪些重要的參數(shù)（對比度，反應(yīng)時間）3、用什么性質(zhì)的光來檢測液晶的電光效應(yīng)是（偏振光）4、一些測量用的公式：光柵公式:d si ns 二 K ，其中 si n : tgvK-Xk2 l二、測量部分（一）、扭曲角和對比度的

9、測量1、 將半導(dǎo)體激光器、起偏器（偏振片）、激光功率指示計的光探頭依次安裝于導(dǎo)軌上。2、 連接半導(dǎo)體激光器到 OPT - 1A型激光功率指示計上，連接光探頭到OPT - 1A型激光功率指示計 上（插頭均在指示計后面板上）。接通電源，打開激光功率指示計電源開關(guān)，點亮激光。3、 轉(zhuǎn)動起偏器，使通過起偏器的激光盡可能的亮（半導(dǎo)體激光是部分偏振光）。4、 在起偏器與光探頭之間放入液晶盒、檢偏器（偏振片），并調(diào)整液晶盒和檢偏器的高度，使激光穿 過液晶盒和檢偏器射到光探頭上。5、轉(zhuǎn)動檢偏器，使檢偏器后的激光達(dá)到最弱。6、記下此時的光功率 Tmin和檢偏器的角度值 D1。7、 打開液晶驅(qū)動電源，將工作狀態(tài)按

10、鈕置于“連續(xù)”狀態(tài)，電壓調(diào)至12V，檢偏器后的激光應(yīng)變強， 記下此時的激光功率 Tmax。8轉(zhuǎn)動檢偏器，再次使檢偏器后的激光達(dá)到最弱。記下此時檢偏器的角度值D2。9、角度值|D2 - D即為液晶盒在該波長下的扭曲角。Tmin : Tmax即為對比度。（二）、上升沿時間與下降沿時間T2的測量1、在上一實驗的基礎(chǔ)上，用光電二極管探頭換下激光功率指示計探頭，用兩根電源插線連接光電二 極管和液晶驅(qū)動電源，紅色與紅色相連，黑色與黑色相連。2、 將工作狀態(tài)按鈕置于“間歇”狀態(tài)（即脈沖狀態(tài)），脈沖頻率調(diào)至最低。這時肉眼可看到檢偏器后 的光在閃動。3、 將雙蹤示波器的 CH1接在液晶驅(qū)動電源后的示波器接口上，

11、CH2接在光電二極管探頭電路板的地 線及中心掛鉤上。4、 以CH1的信號作為觸發(fā)信號，觀測兩路信號的波形，測量CH2波形的上升沿時間 T1和下降沿時 間T2。（三）、通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結(jié)構(gòu)尺寸1、在實驗（一）的基礎(chǔ)上撤掉檢偏器換上白屏。2、 緩慢調(diào)整驅(qū)動電壓，觀測白屏上光斑的變化情況，約在5- 7V之間會形成類似光柵衍射的衍射光 斑，穩(wěn)定片刻，轉(zhuǎn)動液晶盒并仔細(xì)調(diào)整電壓，使衍射效率盡可能大。3、用鋼板尺測量土 1、土 2、土 3級衍射光斑的間距 二xK，同時測量出液晶盒與白屏之間的距離I ,然后應(yīng)用光柵公式求出等效光柵常數(shù)，估算此條件下的液晶結(jié)構(gòu)尺寸d。_ xK光柵公式：d

12、sin vK = K ，其中 sin rK ：、tgvK 二 - 2匯丨（四）、觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài) 在實驗（三）的基礎(chǔ)上，在液晶盒與白屏之間插入檢偏器，并緊靠液晶盒，旋轉(zhuǎn)檢偏器或液晶盒，觀測衍射光斑的變化情況，總結(jié)規(guī)律，并解釋它。三、注意事項：1、切勿用手觸摸偏振片和液晶盒的表面，以免留下指紋或者斑點，影響實驗效果。2、光路調(diào)整時的反射不能重新射入半導(dǎo)體激光器中。3、在用鋼板尺測量并記錄數(shù)據(jù)時，要多次重復(fù)測量，結(jié)果取平均值。4、光探頭和光功率計后面的編號是一一對應(yīng)的，不能隨意對調(diào)，實驗完畢后應(yīng)各自放回實驗箱中。討論、思考題、作業(yè)：完整地實驗報告做一份參考書目：1 黃志高近代物理實驗福州：

13、福建教育出版社，2001年2吳思誠，王祖銓近代物理實驗 （第二版）.北京:北京大學(xué)出版社，1986年3吳思誠，王祖銓近代物理實驗（第三版）.北京：北京大學(xué)出版社，2005年附：實驗數(shù)據(jù)測量及處理部分1、扭曲角和對比度的測量光功率Tmin = 0.02mW（用20mW檔），檢偏器的角度值 D1 = 193 ;光功率Tmax = 1.787mW（用20mW檔），檢偏器的角度值 D2 = 120;則扭曲角 D2 U = 193 - 120= 73對比度 Tmax : Tmin = 1.787 : 0.02 = 89.35 : 1=90 : 12、上升沿時間T1與下降沿時間T2的測量上升沿時間的計算：縱坐標(biāo) 0-90%的電平=7.4*0.9 = 6.66格，對應(yīng)橫坐標(biāo)為 2.4格，T1 = 2.4*10ms=24ms ; 下降沿時間T2的計算：縱坐標(biāo)100%-10%的電平=7.4*0.9 = 6.66格，對應(yīng)橫坐標(biāo)為1.5格,2= 1.5*15ms