液晶物性實(shí)驗(yàn)

1、液晶物性趙海燕實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2014年12月23日上午8點(diǎn)至下午6點(diǎn)摘要 本實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)液晶的基本物理性質(zhì)進(jìn)行探究。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了透過(guò)液晶盒的光強(qiáng)隨入射光偏振方向與液晶分子主方向間角度的變化，了解了雙折射效應(yīng)的機(jī)制；實(shí)驗(yàn)中得到液晶盒扭曲角的大??；由于雙折射使得最小輸出光強(qiáng)收到液晶旋轉(zhuǎn)角度的影響；隨間歇頻率的減小響應(yīng)時(shí)間增大，因此可通過(guò)增大間歇頻率的方法來(lái)提高液晶的響應(yīng)速度；觀察液晶光柵的衍射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)升壓和降壓過(guò)程形成的衍射現(xiàn)象并不是互逆的，計(jì)算得到了光柵常數(shù)的大??；測(cè)量了液晶升壓過(guò)程的電光響應(yīng)曲線，并且求得閾值電壓，飽和電壓和閾值銳度。關(guān)鍵詞 液晶、旋光性、電光效應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間、液晶衍射引言 19

2、世紀(jì)末奧地利植物學(xué)家萊尼茲爾在測(cè)定有機(jī)化合物熔點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了液晶。到了20世紀(jì)20年代隨著更多液晶材料的發(fā)現(xiàn)及技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)液晶進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并將液晶分類。30年代到50年代人們對(duì)液晶的各向異性、液晶材料的電光效應(yīng)等進(jìn)行深入的研究。到了60年代液晶步入了使用研究階段。自1968年海爾曼等人研制出世界上第一臺(tái)液晶顯示器以來(lái)，在四十年的時(shí)間里，液晶顯示器以由最初在手表、計(jì)算器等“小、中型”顯示器發(fā)展到各種辦公自動(dòng)化設(shè)備、高清晰的大容量平板顯示器領(lǐng)域。 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)液晶盒的扭曲角，電光響應(yīng)曲線和響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，以及對(duì)液晶光柵的觀察分析，了解液晶在外電場(chǎng)的作用下的變化，以及引起的液晶盒光學(xué)性質(zhì)

3、的變化，并掌握對(duì)液晶電光效應(yīng)測(cè)量的方法。原理 1、液晶分類。液晶態(tài)與普通的物質(zhì)三態(tài)不同，不是所有的物質(zhì)都具有這種性質(zhì)。那些有較大的分子且分子的形狀是桿狀的物質(zhì)容易形成液晶。對(duì)由桿狀分子形成的液晶，根據(jù)分子沿軸向和垂直于軸向的力的大小比較，可導(dǎo)致分子排列的平移和取向有序性，可分為以下三類：（1）近晶相：桿狀分子的垂直軸向的力大于軸向。分子排成層，層內(nèi)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：桿狀分子內(nèi)部垂直軸向和軸向的力大小差不多，液晶分子保持平行排列狀態(tài)，但分子重心混亂無(wú)序。（3）膽緇相：桿狀分子軸向的力更大，分子排列成層，層內(nèi)分子取向有序，但不同層分子取向稍有變化，沿層的

4、法線方向排列成螺旋結(jié)構(gòu)。 2、液晶的介電各向異性和光學(xué)各向異性（1）液晶的介電各向異性。當(dāng)外電場(chǎng)平行于或者垂直于分子長(zhǎng)軸時(shí)，分子極化率不同表示為和（和分別表示分子極化率平行于分子長(zhǎng)軸和垂直于分子長(zhǎng)軸的分量）。當(dāng)一個(gè)任意取向的分子被外電場(chǎng)極化時(shí)，由于和的區(qū)別，造成分子感生電極矩的方向和外電場(chǎng)的方向不同，從而使分子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。如果考慮到液晶內(nèi)各個(gè)分子之間的相互作用以及分子與基片表面的作用，旋轉(zhuǎn)將引起類似于彈性恢復(fù)力造成的反方向力矩，使得分子在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后不再轉(zhuǎn)動(dòng)。因此產(chǎn)生電場(chǎng)對(duì)液晶分子的取向作用。（2）液晶的光學(xué)各向異性。光在液晶中傳播會(huì)產(chǎn)生尋常光（o光）與非尋常光（e光），表現(xiàn)出光學(xué)的各向異性。

5、所以液晶的光學(xué)性質(zhì)也要通過(guò)兩個(gè)主折射率n和n描述（n和n分布表示沿長(zhǎng)軸方向和垂直于這個(gè)方向的光的折射率）。由于n和n的不同，o光與e光在液晶中傳播時(shí)產(chǎn)生相位差，使得出射光的偏振態(tài)發(fā)生變化。這就是液晶的雙折射效應(yīng)。如圖1所示為當(dāng)光垂直于光軸入射的時(shí)候，正光性和負(fù)光性材料o光和e光折射率的相互關(guān)系，圖1 正、負(fù)光性材料o光和e光折射率關(guān)系由于液晶的雙折射效應(yīng)，使得出射的o光和e光的相位差不等，不同的相位差對(duì)應(yīng)不同偏振狀態(tài)和方向的光，使得出射光可能是線偏振光、圓偏振光或者橢圓偏振光的一種。3、液晶的旋光性液晶材料封裝在渡有透明導(dǎo)電薄膜的玻璃基片之間，導(dǎo)電薄膜起到導(dǎo)電的作用，加垂直于分子長(zhǎng)軸的電場(chǎng)；在

6、兩基片之間有配向膜，決定液晶盒的上下基片的取向所成的角度，使得兩者間的液晶分子取向?qū)⒕鶆蚺で?。通常振?dòng)面的旋光角度與旋光物質(zhì)的厚度d成正比，即=()d，()為旋光率。 如圖2所示為扭曲向列相液晶盒的內(nèi)部構(gòu)造。圖2 液晶盒內(nèi)部構(gòu)造4、液晶的電光效應(yīng) 圖3 電光響應(yīng)曲線液晶在外電場(chǎng)的作用下，分子取向?qū)l(fā)生改變，光通過(guò)液晶盒的偏振狀態(tài)也將發(fā)生變化，此時(shí)若檢偏器的透光位置不變，則系統(tǒng)透光強(qiáng)度將發(fā)生變化，透過(guò)率與外加電壓的關(guān)系曲線稱為電光響應(yīng)曲線，它決定著液晶顯示的特性。其中透過(guò)率最大與最小的比稱為對(duì)比度C，即C=TmaxTmin,對(duì)比度越大畫(huà)面越生動(dòng)明亮，所以其大小直接影響到液晶顯示器的顯示質(zhì)量。 在

7、電光響應(yīng)曲線中有3個(gè)重要參量，如圖3所示： （1）閾值電壓，即透過(guò)率為90%所對(duì)應(yīng)的電壓 （2）飽和電壓，即透過(guò)率為10%所對(duì)應(yīng)的電壓（3）閾值銳度，即飽和電壓與閾值電壓之比5、液晶響應(yīng)時(shí)間 圖4 液晶響應(yīng)曲線當(dāng)施加在液晶上的電壓改變時(shí)，液晶改變?cè)帕蟹绞剿璧臅r(shí)間即為響應(yīng)時(shí)間，“全明”狀態(tài)指的是液晶內(nèi)桿狀分子分子軸平行于液晶表面的狀態(tài)，“全暗”狀態(tài)指的是液晶內(nèi)桿狀分子分子軸垂直于液晶表面的狀態(tài)，響應(yīng)時(shí)間就是液晶從全明到全暗、再由全暗變成全亮的反應(yīng)時(shí)間，我們用液晶響應(yīng)曲線的上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間來(lái)衡量液晶對(duì)外界驅(qū)動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)速度。上升沿時(shí)間：透過(guò)率由最小值升到最大值的90%時(shí)所需的時(shí)間；下降沿

8、時(shí)間：透過(guò)率有最大值升到最大值的10%時(shí)所需的時(shí)間，液晶響應(yīng)曲線如圖4所示。6、液晶衍射 當(dāng)外加電壓在一定范圍時(shí)，液晶盒中的液晶取向會(huì)產(chǎn)生有規(guī)則的形變，使得折射率周期性變化。由于這種周期性變化的尺度與激光的波長(zhǎng)相近，因此可以觀察到衍射條紋的出現(xiàn)。 液晶盒內(nèi)形成折射率位相光柵，即液晶光柵。液晶相位光柵滿足一般的光柵方程： asin=k 其中：a為光柵常數(shù)，為衍射角，k=1，2，3為衍射級(jí)次。實(shí)驗(yàn) 1、實(shí)驗(yàn)儀器半導(dǎo)體激光器、示波器、液晶盒、液晶驅(qū)動(dòng)電源、激光器電源、激光功率計(jì)、光電池、光電二極管探頭、偏振片2個(gè)、光學(xué)導(dǎo)軌、白屏。2、實(shí)驗(yàn)原理圖激光經(jīng)過(guò)欺騙器后成為線偏振光，偏振光經(jīng)過(guò)扭曲向列相液晶后

9、振動(dòng)方向發(fā)生變化，檢偏器用來(lái)鑒別液晶出射光的偏振態(tài)。激光電源和激光功率計(jì)被集成在一個(gè)盒子中。液晶驅(qū)動(dòng)電源同時(shí)具有三個(gè)功能：（1）為液晶提供峰值為12V的交流電壓；（2）為光電二極管提供12V的偏置電壓；（3）將光電二極管接收到的信號(hào)輸出值示波器。液晶物性實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示。圖5 液晶物性原理圖3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）測(cè)量液晶表面的錨泊方向，觀測(cè)液晶中的旋光現(xiàn)象以及雙折射現(xiàn)象，測(cè)量液晶的線偏度， 測(cè)量液晶的扭曲角； （2）測(cè)量響應(yīng)時(shí)間，作為光開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”“關(guān)”時(shí)間； （3）液晶衍射現(xiàn)象的觀測(cè)，估算液晶“光柵”光柵常數(shù)； （4）設(shè)計(jì)并測(cè)量升壓和降壓過(guò)程的光電響應(yīng)曲線，求閾值電壓，飽和電壓以及閾值銳度。

10、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 1、液晶的線偏振度 起偏器最大光強(qiáng)位置為242°，保持不變。檢偏器最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)位置如表1所示表1 最大最小光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的檢偏器位置檢偏器位置光強(qiáng)大小最大光強(qiáng)位置191°2.95mw最小光強(qiáng)位置281°10w線偏振度=最大光強(qiáng)/最小光強(qiáng)=2950，最小光強(qiáng)不為零可能是外界日光燈的光強(qiáng)透入到光電池內(nèi)部導(dǎo)致測(cè)得的功率不為零，激光應(yīng)是線偏振光。2、加液晶盒后表2 消光位置對(duì)應(yīng)的檢偏器的位置液晶盒角度（°）檢偏器角度（°）光強(qiáng)（功率w）30281.61192071.3由于外界日光燈的存在，使得光電池內(nèi)總會(huì)有光線進(jìn)入，所以把最小的功率

11、當(dāng)做“消光”狀態(tài)，由表1可見(jiàn)，不放液晶盒消光狀態(tài)對(duì)應(yīng)的檢偏器的角度是281°，加液晶盒以后（如表2所示），再次消光對(duì)應(yīng)偏振片的位置為28°+360°或者207°+180°，于是對(duì)應(yīng)的液晶盒的扭曲角分別是107°和106°，平均后扭曲角是106.5°。保持上面的一個(gè)消光位置不變，在0-360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)液晶盒，記每一次光強(qiáng)達(dá)到極值時(shí)的液晶盒的位置，然后將檢偏器旋轉(zhuǎn)90°后重新測(cè)量上述極值位置的光強(qiáng)，統(tǒng)計(jì)所得的數(shù)據(jù)如表3所示表3 光強(qiáng)極值位置對(duì)應(yīng)的液晶的角度液晶盒角度29°72°11

12、8°164°207°256°291°349°檢偏器在28°透過(guò)光的功率（w)2.288.41.775.61.576.1278.4檢偏器在118°透過(guò)光的功率(mw)2.582.372.42.382.222.342.532.46線偏振度1172.7326.811411.7631.481480.0030.751265.0031.38以檢偏器28°極值光強(qiáng)的液晶盒的角度和光強(qiáng)作極坐標(biāo)圖如圖6所示，經(jīng)過(guò)液晶盒的輸出光強(qiáng)處于機(jī)子隨液晶轉(zhuǎn)角成周期性變化，大約每90度出現(xiàn)一個(gè)極大值與一個(gè)極小值,相鄰極大值與極小值之間液

13、晶盒的轉(zhuǎn)角約為45度。根據(jù)同一個(gè)位置對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)與偏振片轉(zhuǎn)過(guò)90°光強(qiáng)的比值計(jì)算線偏度，在極小值處線偏度平均值L=1200左右，比較接近理論值無(wú)窮大，而極大值對(duì)應(yīng)的比值大于1遠(yuǎn)小于極小值位置的比值，所以輸出極大值處對(duì)應(yīng)出射光為線偏圖6 液晶盒角度與光強(qiáng)的極坐標(biāo)圖度最小的橢圓偏振光，極小值時(shí)對(duì)應(yīng)出射的為線偏振光。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)光以平行或垂直于分子軸的偏振方向入射，則隨著分子的扭曲，將以平行或垂直于出射面分子軸的偏振方向射出。當(dāng)以其他線偏振光方向入射時(shí)，則根據(jù)雙折射效應(yīng)帶來(lái)的附加相位差來(lái)決定以橢圓、圓或先偏振光出射。這一操作其實(shí)就是通過(guò)觀察出射光偏振狀態(tài)隨入射光偏振方向與分子軸方

14、向夾角的變化來(lái)了解液晶雙折射效應(yīng)的機(jī)制。3、測(cè)量液晶響應(yīng)時(shí)間圖7 液晶響應(yīng)原理圖由圖7所示的液晶響應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為tr+tf，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為電壓值恒大于等于0的高頻方波，上面一行是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將出現(xiàn)圖下面的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率不變時(shí)，隨著間歇頻率的增大，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)周期明顯減小，脈沖周期不變；液晶響應(yīng)信號(hào)的波形也隨著周期的減小而變窄，但測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間變化不大。當(dāng)間歇頻率不變時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增大，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)周期略為變小，脈沖周期顯著減小，液晶響應(yīng)信號(hào)的波形大致趨勢(shì)及周期均不變。當(dāng)我們?cè)龃箝g歇頻率的時(shí)候，將會(huì)截掉響應(yīng)信號(hào)常亮信號(hào)右邊的部分；當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率變小的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，使得原本平

15、滑的常暗的信號(hào)產(chǎn)生鋸齒；轉(zhuǎn)動(dòng)液晶和檢偏器的角度，都會(huì)改變響應(yīng)曲線的強(qiáng)度和形狀。實(shí)驗(yàn)測(cè)得液晶響應(yīng)時(shí)間如表4所示表4 響應(yīng)時(shí)間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可見(jiàn)液晶的響應(yīng)時(shí)間為4.6ms左右。4、電光響應(yīng)曲線 （a）Y-t模式 （b）X-Y模式圖8 電光響應(yīng)曲線圖查看數(shù)據(jù)庫(kù)，響應(yīng)曲線的最大值為3.44，90%和10%的點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線的值為3.096和0.344，其對(duì)應(yīng)的電壓分別是閾值電壓Vth=V

16、90和飽和電壓Vs=V10，從數(shù)據(jù)庫(kù)可得Vth=V90=6.64v，Vs=V10=6.80v，則閾值銳度為1.024。5、液晶衍射 當(dāng)調(diào)節(jié)電壓逐漸上升觀察衍射從無(wú)到有再到無(wú)得過(guò)程中，衍射在4.00V左右出現(xiàn)，在7.85V左右衍射消失，隨著電壓增大，衍射的級(jí)次向外擴(kuò)散；當(dāng)調(diào)節(jié)電壓下降使衍射從無(wú)到有再到無(wú)的過(guò)程中，衍射在5.78V左右出現(xiàn)，3.20V附近消失，可見(jiàn)上升和下降并不是對(duì)稱的關(guān)系，這是因?yàn)檫t滯效應(yīng)，電壓大小不同對(duì)應(yīng)著液晶內(nèi)部不同的變化，因此導(dǎo)致衍射情況的不同。 白屏離液晶后表面10cm，激光波長(zhǎng)650nm，衍射級(jí)次到零級(jí)的距離如表6所示表6 衍射級(jí)次到零級(jí)的距離衍射級(jí)次0123456x（cm）012.23.54.96.68.7sin00.09950.21490.33040.44000.55080.6564光柵常數(shù)a6532.41926050.40135902.82275908.88615900.05625941.8116光柵常數(shù)a=6039.4nm，影響較大的是1級(jí)衍射的距離，因?yàn)榫嚯x短，所以誤差產(chǎn)生的影響更大。在顯微鏡下可觀察到液晶內(nèi)部形成的網(wǎng)狀光柵結(jié)構(gòu)如圖9所示 圖9 液晶內(nèi)部在電壓作用下形成光柵結(jié)論 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液晶本身的各向異性對(duì)其雙折射性、旋光性、光電效應(yīng)以及其衍射現(xiàn)象有決定性作用。實(shí)驗(yàn)中得到液