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大学物理综合设计实验
1.7.2.1 1.液晶光开关的工作原理
1.液晶光开关的工作原理

以常用的TN(扭曲向列)型液晶为例,说明其工作原理。

TN型光开关的结构如图7-1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶,液晶分子的形状如同火柴一样,为棍状。棍的长度在十几埃(1埃=10-10 m),直径为4~6埃,液晶层厚度一般为5~8μm。玻璃板的内表面涂有透明电极,电极的表面预先做了定向处理(可用软绒布朝一个方向摩擦,也可在电极表面涂取向剂),这样,液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里;电极表面的液晶分子按一定方向排列,且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用,趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直,所以从俯视方向看,液晶分子的排列从上电极的沿-45°方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45°方向排列,整个扭曲了90°。如图7-1左图所示。

图7-1 液晶光开关的工作原理(常白模式)

理论和实验都证明,上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质,即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时,偏振方向会旋转90°。

取两张偏振片P1、P2贴在玻璃的两面,P1的透光轴与上电极的定向方向相同,P2的透光轴与下电极的定向方向相同,于是P1和P2的透光轴相互正交。

在未加驱动电压的情况下,来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光,该线偏振光到达输出面时,其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行,因而有光通过。

在施加足够电压情况下(一般为1~2V),在静电场的作用下,除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外,其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏,成了均匀结构,如图7-1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶传播时不再旋转,保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交,因而光被关断。

由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过,加上电场的时候光被关断,因此叫作常通型光开关,又叫作常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行,则构成常黑模式。