林明瑞
國立臺灣師範大學物理系
請先讀下文:
1.只能使用競賽單位所提供的筆書寫。 2. 只能在答題紙的正面作答。 3.盡可能少用文字作答:多用方程式，數字 或圓形。若最終要求數值答案，請在你的 最終數值答案底下畫渡退盤。 4.在答題紙寫下所有的測量結果，以及任何 其他你認為是問題解答所必須而且希望 被評分的。 5. 絕對必須在每一張你使用的紙上方空格中填入你的國家 (Country) 與你的學生編
號 (StudentNo.)
，此外每題所使用的答題紙丸，應填入題號(Question No. 比如
A
.
(1
»、依序的頁碼 (Page No.) 、以及每題 你希望被計分的紙張總數 (TotalNo. of
pages) 。若你用了些答題紙作草稿而不希 望被評分，在紙上畫一個全頁的大x ，並 且不要編頁碼。 6. 競賽終了，請將答題紙與作圖紙依序排 好。 7.只有 A 部分的實驗需要在圖上畫出誤差 範圍 (ErrorBar)
8. 小心:請千萬不要直接去看雷射光束，這 樣做會傷害你的眼睛!!實驗器材
1.可用儀器列表如下: 器材 數量A
光偵測器 (PD)B
偏光鏡與2
旋轉鏡座C
900 TN-LC 液晶胞 (黃色導線)與 旋轉液晶座D
函數產生器E
雷射一極體 (LD)F
二用電表2
G
平行液晶胞(橘色導線)H
可變電阻 電池2
J
電池盒K
光具座
L
半透光紙2
M
直尺N
白色膠帶* (在器材上做記號用)O
剪刀
P
作圖紙10
*不可在器材做記號，如有需要，貼一片 白色膠帶，在膠帶上做記號。顯iil|ZZlli231lk1:鍵
A 部分:雷射二極體的光學特性I.簡介
-雷射二極體 (LaserDiode)
﹒用粗誦節鈕與細調節鈕選擇適當頻率。
.用波形選擇最左按鍵選用方波。 ﹒用輸出振幅調節鈕，改變輸出電壓。 本實驗所用的光源為雷射二極體(Laser Diode)
，它能發出的雷射光波長爵 的 Onrn '當二極體電流超過某一臨界值時， 雷射二極體即能發出單色、部份具偏極化 的同調光，這就是所謂的雷射光。當雷射 二極體的電流小於臨界值時，發光強度很 小;在臨界值以上，發光強度隨著電流變 大而急劇增加，發光強度與電流大小變化 成線性的關係;假若電流持續增大，發光 強度的增加率反而會趨緩，這是因為雷射 二極體本身溫度逐漸增高所導致。因此， 雷射二極體的最佳工作範圍是在線性的區 段內。通常，臨界電流(Threshold Current) lrh的大小，就定義為該線性區段的外插線(
Extrapolation) 與電流軸的交點值。 小心:請千萬不要直接去看雷射光 束，這樣做會傷害你的眼睛!! 2. 三用電表說明: ﹒“DC/AC" 開關可選直流或交流。 ﹒用“Y "與“COM" 接頭來測量電壓 或電阻。 ﹒用“rnA"與“ COM" 接頭來測量小電 流。數位顯示為 rnA 電流。 ﹒用功能旋紐選擇適當的功能與測量範 圍。“Y" 代表測量電壓，“A"代表測量 電流，而 3. 函數產生器說明 ﹒電源按鍵壓下為接通電源，再壓一次則 切斷電源。 ﹒用頻率範圍按鍵選擇適當頻率範圍。 .數位顯示幕顯示頻率。 -67 一光偵測器(Photo
Detector) :
本實驗所用的光偵測器 (PhotoDetector)
是利用光電二極體 (Photodiode) 串聯電流 放大器(Current
Amplifier) 所製成的。當 偏壓外加於光電二極體時，此二極體受光 照射即會產生光電流 (Photocurrent) 。在定 溫時，入射光為單色光的情況下，光電流 與入射光強度成正比。而電話t 放大器是用 來以等比例的方式將光電流的大小轉換成 電壓輸出。本光偵測器的轉換比例有兩 種:一為高檔放大(High Gain)
;另」為低 檔放大 (LowGain)
;在本實驗中全部使用 低檔放大。假如入射光強度太高的話，由 於放大器本身的限制，輸出電壓即不再與 光電流成比例增加，而會逐漸進入約8V 飽 和值。所以，整個光偵測器正常的工作範 圖，是在光強度確實與輸出電壓成比例的 時候人若光強度過大而使輸出電壓飽和， 則實驗所得的值將會有錯。I I.實驗與步驟
雷射二極體與光偵測器的特性 為了使實驗能成功進行，光束在實驗 裝置各個部分的光徑對準是非常關鍵的， 此外光源與偵測器也必須在適當條件下操 作。 A 部分就是有關這 a 些問題，以及偏 振程度的問題。 1.如圖一所示將雷射二極體與光偵測器成 一水平線放入光具座中，並如圖二所示連 接可變電阻、電池、電流計、電壓計、雷 射二極體及光偵測器，適當調整可變電阻 值使經過雷射二極體的電流大約25mA' 而且二極體射出適當的雷射光。固定光偵 測器於低檔放大，適當調整雷射二極體及 光偵測器的高度及彼此相對的方向，以使 雷射光束正好進入光偵測器盒子上的小 洞，且光偵測器輸出電壓達到最大值，以 確保彼此的光徑是對準的。 小心:不要讓電池上的黑紅兩端役此 接觸，已免造成短路!! ~60cm 圈一光學裝置 (LD :雷射二極體;PD
:光偵 測器)「→爪「三百@一~
~
3Vf 川何?
圖二串接雷射二極體的等效電路 2. 以光偵測器的輸出電壓來代表雷射光的 強度 J '並適當調整可變電阻來改變雷射 二極體的電流大小 l' 由零值開始，直到 最大電流為止，同時測量出 J 與 I 的關 係'請注意適當調整所增加的電流間隔。 問題 A-(1) (
1. 5 分) 測量、列表、並畫出 J 與 I 的關係曲線。 問題 A-(2) (3.5 分) 估計在 J -1關係曲線呈線性變化的範圍內之 最大電流1m
及其誤差。在
J與
I的關係曲線上 以箭號(↓)標示出線性範圖，並決定臨界電 流I阱，及其誤差。3. 選擇雷射二極體的電流為
lth
+2
(i
m-lth)/3 時作為工作點，以確
保雷射二極體及光偵測器均能正常工作。 4.為 B 部分實驗作準備:在光具座上如圖 軸的指向。在大部分的光電液晶元件中， 均要求液晶分子的配向均勻或朝向預設的 指向。本實驗之液晶胞結構如(圖四)。使 用擦鏡紙治單一方向磨擦上圖所示之 三將偏振片放置於近雷射二極體處，注意Polyimide
(
PI)膜，可在 PI 膜表面形成 雷射光必須對准偏振片的巾央古巴份。調整 偏振片使入射雷射光與偏振片的平面垂 直。(提示:你可以插入半透光紙光屏， 然後檢查入射光與反射光所生之光點是 否重疊，以確定入射光是垂直於偏振片。) 5. 固定雷射二極體的電流大小，在光具座上 放置第二片偏振片'須確保適當的光徑對 準。也就是將光源、偵測器以及兩偏振片 置於一直線['. '並確定每一偏振片平面都 細微的溝紋，它會令相鄰的液晶長分子治 i幕紋方向排列整齊，並進而透過分子間的 作用，使其他液晶分子隨之規則排列，女日 此可獲得均勻配向的絲狀液晶胞。局部的 分子配向，被稱為 LC 在該點的配向方向(
Director) 。 液晶胞對光具有雙折射現象，也就是 具有兩種折射率。當光線沿著分子配向方 向傳播時，各種偏振分量的傳播速率皆為九三三，其中 no稱為「尋常折射率 J' 故
n
此傳播方向(配向方向)稱為光軸 O 當光線前 進方向與光軸方向垂直時，則有兩種傳播 光速。當偏振光的電場方向垂直於光軸 與光束垂直。B 部分:絲狀液晶 (Nematic
學性質 90°
TN-LC
光-電開關特性1.簡介
液晶LC)的光
晶胞的 C 時，光的傳播速率也是 ν。=一;但偏振光no
的電場方向平行於光軸時，光的傳播速率則是 Ve= 上，其中 n
e
稱為「非常折射
n
e率
J "['雙折射量 JBirefringence
(光學方向 性 Optical Anisotropy)定義為非常折射率與 液態晶體(簡稱液晶， LC) 是→種介 於固態結晶體和非晶形液態之間的物質。 其中絲狀液晶(Nematic LC)係由長條形有 機分子所構成的，這些分子的平均排列方 向可以很容易排列成規則狀，同時亦可以 透過施加電場，來控制長條形液晶分子長 尋常折射率之差I1n 三代 -no
0 -69 一90% 時的外加電壓值，則可定義「光-電開
Vnn -
V.~
關斜率 J Y 為 y= 」fi 。 ITO 電椏 PI 配向膜 外加電場方向作平行排列，這將漸漸破壞 對偏振光偏振方向的引導扭轉能力，光便 玻識層 會漸漸透過檢偏鏡。令 VIO
及門。分別代表
透射光強度達到最大透射光強度之10% 及
液晶層 PI 西己向膜 圖四液晶胞結構 玻璃層 國六 NB 操作設定 主J*構方向 起喝龜t PI 缸向農 PI 配向膜撞他覺 Polarizer Analyzer 國五 900 TN-LC 液晶分子配向扭轉示意 國 *在關鍵點附近時，必要時宜多取幾組數 據。I I.實驗與步驟
將 r 900 TN-LCJ
設定在「正常黑色」 (NB) 模式，放置於兩個偏光方向互相平 行的偏光片間。使用函數產生器以 100Hz 方渡的方式加電壓於 LC 試片兩邊的 ITO 導 電電極上。將電壓值尺ms 由 O 逐步增至 7.2V 。 2.90 度扭轉之絲狀被晶胞(900TN-LC)"。扭轉之絲狀液晶胞如圖五所示，右
邊 PI 配向膜之 LC 配向方向，相對於左邊 PI 配向膜之 LC 配向方向扭轉了 90 度。故 液晶分子在液晶層中亦逐漸扭轉了 90 度。 令左方起偏鏡(Polarizer)
(第一個偏振片) 的偏振方向平行於 TN-LC 左邊 PI 膜的 LC 配向。入射的非偏振光會由左方偏振片轉 化成線性偏振的光。此線性偏振的光穿經90°
TN-LC 時，其偏振方向會隨著液晶分 子長青良方向的扭轉配向而扭轉，使得透過 TN-LC 的光維持為線性偏振，但其偏振方 向已扭轉 90 度。由於入射偏振光的電場振 動方向始終維持與液晶分子長軸方向平 行，故它顯示為非常光其折射率為ne
°(同 理若入射偏振光之偏振方向始終維持與 LC 分子長軸垂直，它也具有 90 度旋轉的扭轉 效果，但它顯示為尋常光，其折射率為門。) 若檢偏鏡(Analyser)
(第二個偏振片)的 偏振方向設定為平行於起偏鏡的偏振方向 時，如圖六所示，光就不能透過檢偏鏡， 此種設定稱為「正常黑色」設定(Normally Black' 簡稱 NB) 。但若在 TN 胞兩邊加電 壓 V ， 且當 V 超過底限電壓咒時，液晶分 子的長軸方向，受外加電場作用，會18 此問題 B-(l) (5.0 分) 測星、表列、才在畫出 I
90
cTN-LC
J 的光電 開關特性曲線(J 對 Vrms
的曲線 ) ，並求1 1\V
,,, - V,,,其光，電開關斜率r
0 (r
= 有7)
若入射偏振光和 LC 配向成的度夾角 如圖八所示，則由於尋常光和非常光在 LC 中波速不同，導致這兩種光間發生「相位 推遲 J(Phase
Retardation) 。在此 θ= 的。， 兩偏振片的偏振軸平行的情況f' 透過檢 偏鏡之光的透射率(normalized
transmissi凹，即透射光強度與入射液晶之Parallel-Aligned LC Cell)
光強度的比值)為:T.
= sin
2
2θsin 2 三
午 2 式 It1
II 和 i 分別代表檢偏鏡的偏振軸干 fj tIJ 垂直於起偏鏡的偏振軸。I I.實驗與步轉
1.以均勻平行配向液晶胞 (HomogeneousParallel-Aligned LC
Cell)取代 900TN-
1&
品胞。Tu 二 cos
2
至
2
式巾的「相{1'7.推遲() J 可以表示為5
=
2 Jrdl1n(V ， λ)/λ
式 [j' d 是液晶 IC 層的厚度 ， A 是空氣中光 的波長 ， v 是交流電壓的均方根值，而 I1n 至 Fh-F1。是液晶 LC 的雙折射量，必 是 A 與 V 的函數 o L1 n 與 d 都是在 V三0 時有 最大怕，此外 L1 n 隨 V 的增加而減少。 在」般的情況中，透射率吋表之如~:Tu 二 1-
sin
12θsin2至
2
2 在 v=() 日寺，設定 θ=45 。如圖八所示。使 起偏鏡與檢偏鏡的偏振軸互相垂直時，旋 轉 LC液晶試片直到透射率達最大值( T~)
時，這會確定 θ=450。已全日
0
角昂的。 問題 B-(2) (2.5 分) 求此 '90"TN-LC
J 液晶光電元件的底限電 壓咒 。以圖說明你決定v， 值的方法。 提示:當外加電壓超過底限電壓後，光，透 射率將急遲 }.n 0 液晶分子PI 層(ITO+PI)
圖七 均勻平行配向液晶胞C 部分:絲狀液晶 (Nematic LC) 的光
學性質均句平行配向 LC 的
光-電開關特性I.簡介
均勻平行配向液晶胞 (Homogeneous 均勻平行配向 LC 胞是左邊 PI 配向 膜，及右邊之 PI 配向膜 LC 配向方向，互 為平行的液晶胞如闆七所示。右;經 OJ 起偏 鏡入射的線性偏振光，偏振方向 'lit
f 於 LC 配向時，在液晶中光 tl、非常光的方式前 進，且光呈單一的(純的)相位變化。 一 71 一後，測量 Tl- 。再將起偏鏡與檢偏鏡的偏 振軸調成平行並測量 Til ( 一樣在外加電
