Экспериментальная установка

Рис. 9.9. Схема экспериментальной уста-новки

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 9.9. Источником непрерывного оптического излучения служит гелий-неоновый лазер ЛГН-109 (1). Он генерирует узконаправленный луч линейно поляризованного света с  нм. Лазерный луч распространяется параллельно оптической рейке и на его пути последовательно друг за другом закреплены ЖК-ячейка (2), поляризатор (3) и фотодиод ФД-3 (4), который присоединен к цифровому вольтметру (5). ЖК‑ячейка и поляризатор установлены перпендикулярно лазерному лучу и имеют возможность передвигаться вдоль оптической рейки. Поляризатор и ЖК-ячейка закреплены в оправках, которые обеспечивают их вращение в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Наблюдение доменной структуры нематических жидких кристаллов.

1. Включить в сеть лампу микроскопа МИН-10.

2. Образцы ЖК-ячеек рассмотреть под микроскопом и зарисовать структуру жидких кристаллов.

3. Наблюдать и объяснить явление вращения плоскости поляризации.

Задание 2. Измерение пропускания света поляризатором, ЖК-ячейкой и системой «поляризатор + ЖК-ячейка».

1. Измерение пропускания света поляризатором, когда ось поляризатора параллельна направлению колебаний вектора лазерного излучения ( ), то согласно закону Малюса , интенсивность света, проходящего через поляризатор, не меняется и равна .

Но для реальных поляризаторов всегда . Уменьшение интенсивности обусловлено отражением, рассеиванием и поглощением света. Отношение называется пропусканием поляризатора.

Последовательность измерений:

1. Включить в сеть гелий-неоновый лазер.

2. Соединить фотодиод с числовым вольтметром и включить вольтметр в сеть.

3. Снять с рейки все приспособления, которые мешают прохождению света лазерного луча. Убедиться, что луч лазера попадает на рабочую поверхность фотодиода. Записать показание вольтметра , которое пропорционально интенсивности света , падающего на фотодиод.

4. Около фотодиода закрепить поляроид и его вращением добиться максимального показания вольтметра , которое пропорционально интенсивности света, проходящего через поляроид.

5. Вычислить пропускание поляроида ( ).

1. Измерение пропускания жк-ячейки.

Последовательность измерений:

1. Снять подставку с поляроидом с оптической рейки и определить показание вольтметра , пропорциональное .

2. На пути лазерного луча укрепить подставку с ЖК-ячейкой. Вращением ЖК-ячейки добиться максимального показания вольтметра, которое пропорционально интенсивности света, прошедшего через ЖК-ячейку. Вычислить пропускание ЖК-ячейки ( ).

1. Измерение пропускания света системой «поляроид + ЖК-ячейка».

Последовательность измерений:

1. Снять с рейки подставку с ЖК-ячейкой и записать , пропорциональное .

2. Установить между фотодиодом и лазером поляризатор и ЖК-ячейку.

3. Вращением поляризатора добиться максимального показания вольтметра , которое пропорционально интенсивности света, прошедшего через систему «поляризатор + ЖК-ячейка».

4. Вычислить пропускание системы .

5. Вычислить системы по формуле и сравнить с экспериментальным значением (см. пункт 3.4). Они должны быть близкими (в идеале совпадать).

Задание 3. Исследование вольт-контрастной характеристики ЖК-ячей-ки и определение порога выполнения твист-эффекта.

1. В общем случае пропускание оптической системы, состоящей из двух поляризаторов и размещенной между ними ЖК-ячейкой, определяется ориентацией осей поляризаторов и ЖК-ячейкой, а также величиной напряжения между обкладками ячейки. Величина называется контрастом оптической системы (k), где  — максимальная интенсивность света, проходящего через систему при оптимальных ее параметрах (ориентации осей и величины напряжения).

Рис. 9.10. Зависимость интенсивности света от напряжения

Рассмотрим оптическую схему, где между лазером и фотодиодом размещены ЖК-ячейка и поляроид. Пусть ось поляроида ориентирована так, что она параллельна вектору лазерного излучения. ЖК-ячейка поворачивает плоскость поляризации на угол 90°. Поэтому направление колебаний вектора лазерного излучения после прохождения через ЖК-ячейку перпендикулярно оси поляроида. Согласно закону Малюса І = 0. При включении поля между обкладками ЖК-ячейки молекулы поворачиваются и устанавливаются длинными осями в направлении поля. Угол поворота плоскости поляризации уменьшается. Интенсивность света увеличивается. Интенсивность света определенным образом зависит от напряжения на обкладках ячейки (рис. 9.10).

Зависимость интенсивности света І, который проходит через систему, от величины, приложенного к обкладкам ЖК-ячейки напряжения, называется вольт-контрастной характеристикой системы. Величина напряжения, при котором называется порогом выполнения твист-эффекта.

Последовательность измерений:

1. Снять с рейки подставку с ЖК-ячейкой. Вращением поляризатора добиться максимального показания вольтметра. Между лазером и поляроидом поставить ЖК-ячейку. Вращением ЖК-ячейки добиться минимального показания вольтметра.

2. Подключить ЖК-ячейку к источнику питания ИЭПП-1 (+ 0,5 — 12) В.

3. Повернуть левый регулятор напряжения источника питания ИЭПП-1 против часовой стрелки до упора. Тумблер «Сеть» поставить в положение «Вкл».

4. С помощью вольтметра исследовать зависимость интенсивности света, проходящего через систему, от напряжения на обкладках ЖК-ячейки.

5. Данные записать в таблицу:

I ( мВ)

6. Построить график вольт-контрастной характеристики системы. Определить порог выполнения твист-эффекта.

1. Возможен другой вариант оптической схемы.

Если ось поляроида установлена перпендикулярно вектору лазерного излучения, то при отсутствии ЖК-ячейки между лазером и поляроидом интенсивность излучения на выходе равна нулю. ЖК-ячейка поворачивает плоскость поляризации на 90°, и система пропускает излучение. При включении между обкладками ЖК-ячейки поля происходит изменение интенсивности излучения. Вид вольт-контрастной характеристики данной системы приведен на рисунке 9.10. Порог выполнения твист-эффекта соответствует .

Последовательность измерений:

1. Снять с рейки подставку с ЖК-ячейкой.

2. Вращением поляризатора добиться максимального показания вольтметра.

3. Между лазером и поляроидом поставить ЖК-ячейку. Вращением ЖК‑ячейки добиться максимального показания вольтметра.

4. Подключить напряжение к обкладкам ЖК-ячейки и с помощью вольтметра исследовать зависимость интенсивности света, проходящего через систему, от напряжения на обкладках ЖК-ячейки.

5. Данные эксперимента занести в таблицу, расположенную выше.

6. Построить график вольт-контрастной характеристики системы и определить порог выполнения твист-эффекта.

Задание 4. Наблюдение эффекта модуляции лазерного излучения ЖК-ячейки (оптическая связь).

Если на ЖК-ячейку подавать импульсные электрические сигналы, оптическая система будет модулировать лазерное излучение, что можно использовать для передачи информации. Параметры модулированного излучения могут зависеть как от передаваемых сигналов, так и от свойств (релаксационных характеристик) ЖК‑ячейки.

Для наблюдения модуляции лазерного излучения необходимо:

1. Соединить фотодиод с вольтметром. Включить в сеть лазер и вольтметр.

2. Между лазером и фотодиод закрепить поляроид. Вращением поляроида добиться минимального показания вольтметра.

3. Установить между лазером и поляроидом ЖК-ячейку с твист-структурой. Вращением ЖК-ячейки добиться максимального показания вольтметра.

4. Отсоединить вольтметр от фотодиода, выключить вольтметр.

5. Соединить фотодиод с усилителем низкой частоты УНЧ-3. Включить УНЧ‑3 в сеть и поставить регулятор усиления в крайнее левое положение.

6. Подключить ЖК-ячейку к генератору низкой частоты ГНЧШ (5 Ом и ╧). Включить генератор ГНЧШ в сеть и дать прогреться 1 — 2 мин.

7. Посредством регулятора частоты на передней панели генератора ГНЧШ подать на ЖК-ячейку напряжение 30 В.

8. Подобрать оптимальную частоту и оптимальное напряжение, соответствующее наилучшей слышимости. Записать значения частоты и напряжения и убедиться, что при перекрытии лазерного луча звук исчезает.

Задание 5. Исследование температурной зависимости цвета холестерика в отраженном свете.

Образец исследуемого холестерика закреплен на подставке так, что его температуру можно измерять посредством термопары, соединенной с зеркальным гальванометром М-197/2. Если сопротивление в цепи гальванометра равно его критическому значению, то с учетом того, что сопротивление термопары очень мало, можно записать

,

где — термоэлектродвижущая сила термопары; — постоянная гальванометра по напряжению; n — количество делений, на которое отклоняется световой показатель гальванометра. Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) термопары

,

где — коэффициент термоЭДС, — разность температур между спаями термопары.

Один спай термопары находится при комнатной температуре , поэтому температуру второго спая, а это значит и температуру исследуемого образца можно определить как . С учетом того, что , будем иметь

.

Нагревание исследуемого образца осуществляется с помощью лампы накаливания, размещенной на штативе.

Последовательность измерений:

1. Включить в сеть гальванометр М-197/2.

2. Включить в сеть нагревательное приспособление.

3. Изменять температуру исследуемого образца и наблюдать за изменением его цвета.

4. Результаты наблюдений записать в таблицу.

№ п/п	, °C		, °C	цвет

5. Критическое сопротивление гальванометра и его постоянная по напряжению указаны на его шкале. ТермоЭДС измерительной термопары  мкВ/град.