液晶物性实验

液晶物性赵海燕实验时间：2014年12月23日上午8点至下午6点摘要本实验主要是对液晶的基本物理性质进行探究。在实验中测量了透过液晶盒的光强随入射光偏振方向与液晶分子主方向间角度的变化，了解了双折射效应的机制；实验中得到液晶盒扭曲角的大小；由于双折射使得最小输出光强收到液晶旋转角度的影响；随间歇频率的减小响应时间增大，因此可通过增大间歇频率的方法来提高液晶的响应速度；观察液晶光栅的衍射现象，发现升压和降压过程形成的衍射现象并不是互逆的，计算得到了光栅常数的大小；测量了液晶升压过程的电光响应曲线，并且求得阈值电压，饱和电压和阈值锐度。关键词液晶、旋光性、电光效应、响应时间、液晶衍射引言19世纪末奥地利植物学家莱尼兹尔在测定有机化合物熔点时发现了液晶。到了20世纪20年代随着更多液晶材料的发现及技术的发展，人们对液晶进行了系统深入的研究，并将液晶分类。30年代到50年代人们对液晶的各向异性、液晶材料的电光效应等进行深入的研究。到了60年代液晶步入了使用研究阶段。自1968年海尔曼等人研制出世界上第一台液晶显示器以来，在四十年的时间里，液晶显示器以由最初在手表、计算器等“小、中型”显示器发展到各种办公自动化设备、高清晰的大容量平板显示器领域。本实验通过对液晶盒的扭曲角，电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观察分析，了解液晶在外电场的作用下的变化，以及引起的液晶盒光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法。原理1、液晶分类。液晶态与普通的物质三态不同，不是所有的物质都具有这种性质。那些有较大的分子且分子的形状是杆状的物质容易形成液晶。对由杆状分子形成的液晶，根据分子沿轴向和垂直于轴向的力的大小比较，可导致分子排列的平移和取向有序性，可分为以下三类：（1）近晶相：杆状分子的垂直轴向的力大于轴向。分子排成层，层内分子平行排列，既有取向有序性又有重心平移周期性。（2）向列相：杆状分子内部垂直轴向和轴向的力大小差不多，液晶分子保持平行排列状态，但分子重心混乱无序。（3）胆缁相：杆状分子轴向的力更大，分子排列成层，层内分子取向有序，但不同层分子取向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。2、液晶的介电各向异性和光学各向异性（1）液晶的介电各向异性。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𝛼∥和𝛼⊥（𝛼∥和𝛼⊥分别表示分子极化率平行于分子长轴和垂直于分子长轴的分量）。当一个任意取向的分子被外电场极化时，由于𝛼∥和𝛼⊥的区别，造成分子感生电极矩的方向和外电场的方向不同，从而使分子发生转动。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，旋转将引起类似于弹性恢复力造成的反方向力矩，使得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。（2）液晶的光学各向异性。光在液晶中传播会产生寻常光（o光）与非寻常光（e光），表现出光学的各向异性。所以液晶的光学性质也要通过两个主折射率𝑛∥和𝑛⊥描述（𝑛∥和𝑛⊥分布表示沿长轴方向和垂直于这个方向的光的折射率）。由于𝑛∥和𝑛⊥的不同，o光与e光在液晶中传播时产生相位差，使得出射光的偏振态发生变化。这就是液晶的双折射效应。如图1所示为当光垂直于光轴入射的时候，正光性和负光性材料o光和e光折射率的相互关系，图1正、负光性材料o光和e光折射率关系由于液晶的双折射效应，使得出射的o光和e光的相位差不等，不同的相位差对应不同偏振状态和方向的光，使得出射光可能是线偏振光、圆偏振光或者椭圆偏振光的一种。3、液晶的旋光性液晶材料封装在渡有透明导电薄膜的玻璃基片之间，导电薄膜起到导电的作用，加垂直于分子长轴的电场；在两基片之间有配向膜，决定液晶盒的上下基片的取向所成的角度，使得两者间的液晶分子取向将均匀扭曲。通常振动面的旋光角度θ与旋光物质的厚度d成正比，即θ=α(λ)d，α(λ)为旋光率。如图2所示为扭曲向列相液晶盒的内部构造。图4液晶响应曲线图3电光响应曲线图2液晶盒内部构造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，它决定着液晶显示的特性。其中透过率最大与最小的比称为对比度C，即C=𝑇𝑚𝑎𝑥𝑇𝑚𝑖𝑛,对比度越大画面越生动明亮，所以其大小直接影响到液晶显示器的显示质量。在电光响应曲线中有3个重要参量，如图3所示：（1）阈值电压，即透过率为90%所对应的电压（2）饱和电压，即透过率为10%所对应的电压（3）阈值锐度，即饱和电压与阈值电压之比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，“全明”状态指的是液晶内杆状分子分子轴平行于液晶表面的状态，“全暗”状态指的是液晶内杆状分子分子轴垂直于液晶表面的状态，响应时间就是液晶从全明到全暗、再由全暗变成全亮的反应时间，我们用液晶响应曲线的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：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：透过率有最大值升到最大值的10%时所需的时间，液晶响应曲线如图4所示。6、液晶衍射当外加电压在一定范围时，液晶盒中的液晶取向会产生有规则的形变，使得折射率周期性变化。由于这种周期性变化的尺度与激光的波长相近，因此可以观察到衍射条纹的出现。液晶盒内形成折射率位相光栅，即液晶光栅。液晶相位光栅满足一般的光栅方程：𝑎𝑠𝑖𝑛𝜃=𝑘𝜆其中：𝑎为光栅常数，𝜃为衍射角，𝑘=1，2，3⋯为衍射级次。实验1、实验仪器半导体激光器、示波器、液晶盒、液晶驱动电源、激光器电源、激光功率计、光电池、光电二极管探头、偏振片2个、光学导轨、白屏。2、实验原理图激光经过欺骗器后成为线偏振光，偏振光经过扭曲向列相液晶后振动方向发生变化，检偏器用来鉴别液晶出射光的偏振态。激光电源和激光功率计被集成在一个盒子中。液晶驱动电源同时具有三个功能：（1）为液晶提供峰值为12V的交流电压；（2）为光电二极管提供12V的偏置电压；（3）将光电二极管接收到的信号输出值示波器。液晶物性实验原理图如图5所示。图5液晶物性原理图3、实验内容（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。实验结果分析与讨论1、液晶的线偏振度起偏器最大光强位置为242°，保持不变。检偏器最大光强和最小光强位置如表1所示表1最大最小光强对应的检偏器位置检偏器位置光强大小最大光强位置191°2.95mw最小光强位置281°1．0μw线偏振度=最大光强/最小光强=2950，最小光强不为零可能是外界日光灯的光强透入到光电池内部导致测得的功率不为零，激光应是线偏振光。2、加液晶盒后表2消光位置对应的检偏器的位置液晶盒角度（°）检偏器角度（°）光强（功率μw）30281.61192071.3由于外界日光灯的存在，使得光电池内总会有光线进入，所以把最小的功率当做“消光”状态，由表1可见，不放液晶盒消光状态对应的检偏器的角度是281°，加液晶盒以后（如表2所示），再次消光对应偏振片的位置为28°+360°或者207°+180°，于是对应的液晶盒的扭曲角分别是107°和106°，平均后扭曲角是106.5°。保持上面的一个消光位置不变，在0-360°内旋转液晶盒，记每一次光强达到极值时的液晶盒的位置，然后将检偏器旋转90°后重新测量上述极值位置的光强，统计所得的数据如表3所示表3光强极值位置对应的液晶的角度液晶盒角度29°72°118°164°207°256°291°349°检偏器在28°透过光的功率（μw)2.288.41.775.61.576.1278.4检偏器在118°透过光的功率(mw)2.582.372.42.382.222.342.532.46线偏振度1172.7326.811411.7631.481480.0030.751265.0031.38以检偏器28°极值光强的液晶盒的角度和光强作极坐标图如图6所示，经过液晶盒的输出光强处于机子随液晶转角成周期性变化，大约每90度出现一个极大值与一个极小值,相邻极大值与极小值之间液晶盒的转角约为45度。根据同一个位置对应的光强与偏振片转过90°光强的比值计算线偏度，在极小值处线偏度平均值L=1200左右，比较接近理论值无穷大，而极大值对应的比值大于1远小于极小值位置的比值，所以输出极大值处对应出射光为线偏图6液晶盒角度与光强的极坐标图图7液晶响应原理图度最小的椭圆偏振光，极小值时对应出射的为线偏振光。出现这一现象的原因是，当光以平行或垂直于分子轴的偏振方向入射，则随着分子的扭曲，将以平行或垂直于出射面分子轴的偏振方向射出。当以其他线偏振光方向入射时，则根据双折射效应带来的附加相位差来决定以椭圆、圆或先偏振光出射。这一操作其实就是通过观察出射光偏振状态随入射光偏振方向与分子轴方向夹角的变化来了解液晶双折射效应的机制。3、测量液晶响应时间由图7所示的液晶响应曲线对应的响应时间为𝑡𝑟+𝑡𝑓，驱动信号为电压值恒大于等于0的高频方波，上面一行是驱动信号，将出现图下面的驱动信号。当驱动频率不变时，随着间歇频率的增大，驱动信号的开关周期明显减小，脉冲周期不变；液晶响应信号的波形也随着周期的减小而变窄，但测得的响应时间变化不大。当间歇频率不变时，随着驱动频率的增大，驱动信号的开关周期略为变小，脉冲周期显著减小，液晶响应信号的波形大致趋势及周期均不变。当我们增大间歇频率的时候，将会截掉响应信号常亮信号右边的部分；当驱动频率变小的时候，将会产生迟滞效应，使得原本平滑的常暗的信号产生锯齿；转动液晶和检偏器的角度，都会改变响应曲线的强度和形状。实验测得液晶响应时间如表4所示表4响应时间t1(ms)t2(ms)t2-t1(ms)t3(ms)t4(ms)t4-t3(ms)t(ms)A11.413.82.417.819.824.4B-3.7-1.12.62.44.424.6C-1.81.43.24.86.61.85可见液晶的响应时间为4.6ms左右。4、电光响应曲线（a）Y-t模式（b）X-Y模式图8电光响应曲线图查看数据库，响应曲线的最大值为3.44，90%和10%的点分别对应的响应曲线的值为3.096和0.344，其对应的电压分别是阈值电压𝑉𝑡ℎ=𝑉90和饱和电压𝑉𝑠=𝑉10，从数据库可得𝑉𝑡ℎ=𝑉90=6.64v，𝑉𝑠=𝑉10=6.80v，则阈值锐度为1.024。5、液晶衍射当调节电压逐渐上升观察衍射从无到有再到无得过程中，衍射在4.00V左右出现，在7.85V左右衍射消失，随着电压增大，衍射的级次向外扩散；当调节电压下降使衍射从无到有再到无的过程中，衍射在5.78V左右出现，3.20V附近消失，可见上升和下降并不是对称的关系，这是因为迟滞效应，电压大小不同对应着液晶内部不同的变化，因此导致衍射情况的不同。白屏离液晶后表面10cm，激光波长650nm，衍射级次到零级的距离如表6所示表6衍射级次到零级的距离衍射级次0123456Δx（cm）012.23.54.96.68.7sinθ00.09950.21490.33040.44000.55080.6564光栅常数a6532.41926050.40135902.82275908.88615900.05625941.8116光栅常数a=6039.4nm，影响较大的是1级衍射的距离，因为距离短，所以误差产生的影响更大。在显微镜下可观察到液晶内部形成的网状光栅结构如图9所示图9液晶内部在电压作用下形成光栅结论通过实验发现液晶本身的各向异性对其双折射性、旋光性、光电效应以及其衍射现象有决定性作用。实验中得到液晶盒扭曲角的大小106.5°；由于双折射使得最小输出光强收到液晶旋转