液晶物性

1/9液晶物性学号：201111141003姓名：邱皓川实验日期：2013年11月22日指导老师：廖红波【摘要】实验测量了液晶的扭曲角，响应时间；进行了对于液晶衍射现象的观测并估算了液晶的“光栅”光栅常数测量了升压和降压过程的光电响应曲线并测量了阈值电压、饱和电压、阈值锐度等参数。【关键词】液晶扭曲角响应时间衍射光电响应曲线1.引言物质在中介相具有强烈的各向异性物理特征，同时又像普通流体那样具有一定的流动性。这种中介相称为液晶相，那些可以出现液晶相的物质被称为液晶。1922年法国的弗里德尔完成了液晶的分类，液晶根据分子排列的平移和取向有序性可以分为三大类：近晶相、向列相、胆甾相。二十世纪六十年代液晶材料进入实用研究阶段，1968年海尔曼等人研制了第一台液晶显示器。本次实验主要就是研究向列相液晶的基本物理特性。通过实验得到液晶盒的扭曲角、电光响应曲线及响应时间，观察分析液晶光栅及其衍射现象，了解液晶在外场作用下光学性质的改变并掌握相关的实验方法。2.实验原理2.1液晶的介电各向异性—电场对液晶分子的取向作用液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数，若用//、分别表示液晶平行、垂直于分子取向的介电常数，各向异性可以用//表示。0称为正性液晶，反之称为负性液晶。外电场下正性液晶分子沿场方向排列，负性液晶分子垂直场方向排列。当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同表示为与//。当一个任意取向的分子被外电场极化时，由于分子与//不同，造成分子感生电极矩的方向和外电场的方向不同，会产生力矩//M与M使分子发生转动。如果考虑到液晶内各个分子之间的相互作用以及分子与基片表面的作用，上述旋转将引起类似于弹性恢复力造成的反方向力矩，分子在转动一个角度后不再转动。因此产生电场对液晶分子的取向作用。总体来说//时电场使得液晶分子长轴趋于沿电场方向排列，//时，电场使液晶分子长轴趋于垂直电场方向排列，这就是电场对于液晶分子的取向作用2/92.2液晶的光学各向异性正如通常所知的，光在一些晶体中传播可分解为寻常光（o光）与非寻常光（e光），液晶具有这种性质。沿长轴方向振动的光波折射率记为//n而垂直于这个方向的光波折射率为n。由于nn与//的不同，o光与e光在液晶中传播时光程不同从而产生相位差，使得出射光的偏振态发生变化。这就是液晶的双折射效应。nn//时这种液晶在光学上称为正光性，我们实验所用的为向列相液晶，而向列相液晶几乎都是正光性材料。2.3液晶的旋光性若液晶盒的上下基片的取向成一定的角度，两者间的液晶分子取向将均匀扭曲。如Fig.1所示，从液晶盒的一个表面到另一个表面，液晶分子的排列方向刚好旋转了90度。实验中所用的液晶盒旋光角约为100到140度之间。通常振动面的旋光角度与旋光物质的厚度d成正比，即()d，()为旋光率。Fig.1扭曲向列相液晶盒【1】3/92.4液晶的电光效应液晶在外电场的作用下，分子取向将发生改变，光通过液晶盒的偏振状态也将发生变化，此时若检偏器的透光位置不变，则系统透光强度将发生变化，透过率与外加电压的关系曲线称为电光响应曲线（如图2所示），它决定着液晶显示的特性。定义透过率最大与最小的比称为对比度C，即：maxmin/CTT（1）C的大小影响液晶显示器的显示质量。在电光响应曲线（如图2所示，引自文献【1】）中有3个重要参量：a.阈值电压THV，透过率为90%时对应的电压；b.饱和电压SV，透过率为10%时对应的电压；c.阈值锐度THSVV，即饱和电压与阈值电压之比(阈值锐度)。Fig.2液晶的电光响应曲线【1】4/92.5液晶响应时间当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原排列方式所需的时间即为响应时间。响应时间作为一个性能参数描述液晶由全亮变为全暗再由全暗变成全亮的反应时间。这里采用上升沿时间和下降沿时间来衡量液晶对外界驱动信号的响应速度。上升沿时间onT：透过率由最小值升到最大值的90%时所需的时间；下降沿时间offT：透过率有最大值升到最大值的10%时所需的时间；驱动信号处于高电平时叠加一个高频脉冲信号，避免由于直流电驱动带来的液晶寿命下降问题。Fig.3液晶的响应时间【1】2.6液晶衍射当外加电压在高于某一阈值时，液晶盒中的液晶分子取向产生有规则的形变，使得折射率周期性变化。于是液晶盒内形成折射率一个透射光栅，产生的明暗交替条纹称为威廉畴。衍射强度可以用夫琅禾费衍射积分计算。液晶位相光栅满足一般的光栅方程：kasin（2）其中：a为光栅常数，为衍射角，k=2,1,0…为衍射级次。5/93.实验内容以及实验装置主要实验内容如下：1.测量液晶表面的锚泊方向，观测液晶中的旋光现象以及双折射现象，测量液晶的线偏度，测量液晶的扭曲角；2.测量响应时间，作为光开关的“开”“关”时间；3.液晶衍射现象的观测，估算液晶“光栅”光栅常数；4.设计并测量升压和降压过程的光电响应曲线，求阈值电压，饱和电压以及阈值锐度。实验仪器：Fig.4实验装置简图4.实验数据处理以及结果分析4.1功率与偏转角关系曲线调节起偏器使输出光强最大：2.37mv；此时起偏器角度为83.5度；调节液晶盒以及检偏器得到最小出射光强，此时液晶盒转角为326.0度，检偏器为210.5度；输出光强最小值为0.8uw。并以此得到光强变化曲线中的极点，如表1所示：Tab.1偏角（极值点）/度输出光强/uw11．0107.3058．01.10105．0103.40151．00.08194．0104.00249．00.80283．0100.30326．00.806/9从表中我们可以看出每个极大值极小值之间大概都差45度，而每个极小值之间差大概90度。由此确定了极点位置测量液晶盒偏角以及输出光强关系时可以以此为参考并定标。在360度范围内旋转液晶，最后得到的液晶盒转角与输出光强的关系曲线如图5所示。Fig.5输出光强随液晶转角的变化规律从图中由于测量误差的存在我们还是大致可以看出功率与液晶盒的转角关系呈一个正弦函数，可以知道这是一个椭圆偏振光。即通过起偏器后，是一个先偏振光，但是通过液晶，经过了双折射的效应，线偏光变成了一个椭偏光从而验证了液晶的双折射效应。4.2液晶引起的消光位置以及线偏度L：Tab.2偏角（极值点）/度I(最大)/mwI(最小)/uwL(线偏度)111.447105.31358（消光）1.5510.531021051.49105.114151（消光）1.573.84131941.425106.313249（消光）1.52916.294.2831.45498.514326（消光）1.5330.81916从数据可以看出，消光处的线偏度都较大，近乎是线偏光，而极大值处则出射的是线偏度较大的椭偏光。7/94.3测定液晶盒扭曲角再次调节液晶盒以及检偏器，达到一个消光位置，然后调节检偏器达到另一个消光位置：消光时光强为：0.7uw，分别三次读数检偏器：330.0、329.0、329.0度；调节检偏器，达到再次消光处，三次读数检偏器：210.0、211.0、210.0度。由此可得液晶盒扭曲角平均值为：119.0度。4.4测量响应时间Tab.3驱动频率间歇频率Ton/msToff/ms2.475kHZ17.12HZ8．09.61kHZ17.12HZ11.610.0555.6HZ17.12HZ11.610．0用光电管换下光电池，驱动电源置于“间隙”状态。从测量的三个频率的上升沿时间以及下降沿时间来看，1kHZ与555.6HZ的数据没有区别，但是若将驱动频率上升到2.475KHZ上升沿时间下降为8.0ms，下降沿时间下降为9.6ms。从数据上可以大概看出改变间隙频率对于上升沿时间下降沿时间影响并不大。4.5液晶衍射现象观测与光栅常数的测量下面我们进行光栅常数的计算，这里主要用衍射中出现的一级衍射条纹数据进行计算，设白屏到液晶的距离为l，一级衍射条纹距中心亮斑距离为d，此时的外加电压为6.05V，数据如Tab.4所示：Tab.4d/cml/cm2.118.7519.11.715由（2）可得mka82.5sin/。将电场大小由最小调到最大的过程中，衍射图像的变化过程是：先是在4.70V时出现圆环状衍射图样，5.82V时出现点状的衍射图样，6.00V出现线状衍射图样（长条纹分布平行排布），10.70V时线形分布消失。将电场大小由最大调到最小的过程中，衍射图样的变化过程是：先出现线形的衍射图样分布，而后是点状分布，然后呈圆环状分布，最后是一系列的点分布在一条线上。两次调节出现的现象有较大不同，特别是由大变小的过程中，变化比较敏感且出现衍射的电压阈值范围更小。但出现的条纹形式是一样的。这应该主要是因为在由大调小的过程中液晶分子在经过最大电场作用之后极化，导致更慢才能回到原来状态的原故。8/94.6测量电光响应曲线Fig.5液晶电光响应曲线对示波器上的原始数据进行处理可以得到如图5所示的液晶电光响应曲线。由此测得外侧曲线（升压曲线）测得：a.阈值电压THV=2.62V；b.饱和电压SV=4.06V；c.阈值锐度=1.55；由此测得内侧曲线（降压曲线）测得：a.阈值电压THV=2.54V；b.饱和电压SV=3.98V；c.阈值锐度=1.57；我们可以从图5中明显看到有类似于滞回效应的曲线，这种结果出现的主要原因应该是在外加电场时，是外电场使得液晶分子扭转的，但当外电场由最大值往回变化时，液晶分子来不及反应，故产生了这种上升，下降不同的曲线，但是其区别很小。对于4.5V出现的那个突起，我们可以解释为在外电场频率较小的时候会出现明显的衍射条纹，使得对结果起到了一定的干扰作用，这里可以在二极管前方加一个光阑，滤除一部分一级衍射条纹，使得突起更小。9/95.实验结论实验研究了液晶的一些基本物理性质，测量了液晶的双折射现象。计算得到液晶扭曲角为119.0度；测量了液晶的响应时间；观察并测量了液晶的衍射现象，测量得光栅常数为ma82.5；在“常白”模式下测量了升压降压电光响应曲线。测得升压曲线阈值电压THV=2.62V；饱和电压SV=4.06V；阈值锐度=1.55；降压曲线：阈值电压THV=2.54V；饱和电压SV=3.98V；阈值锐度=1.57，并对其区别进行了分析。6.参考文献【1】近代物理实验补充讲义北京师范大学物理实验教学中心