1、液晶物性趙海燕實驗時間：2014年12月23日上午8點至下午6點摘要 本實驗主要是對液晶的基本物理性質進行探究。在實驗中測量了透過液晶盒的光強隨入射光偏振方向與液晶分子主方向間角度的變化，了解了雙折射效應的機制；實驗中得到液晶盒扭曲角的大小；由于雙折射使得最小輸出光強收到液晶旋轉角度的影響；隨間歇頻率的減小響應時間增大，因此可通過增大間歇頻率的方法來提高液晶的響應速度；觀察液晶光柵的衍射現象，發現升壓和降壓過程形成的衍射現象并不是互逆的，計算得到了光柵常數的大小；測量了液晶升壓過程的電光響應曲線，并且求得閾值電壓，飽和電壓和閾值銳度。關鍵詞 液晶、旋光性、電光效應、響應時間、液晶衍射引言 19

2、世紀末奧地利植物學家萊尼茲爾在測定有機化合物熔點時發現了液晶。到了20世紀20年代隨著更多液晶材料的發現及技術的發展，人們對液晶進行了系統深入的研究，并將液晶分類。30年代到50年代人們對液晶的各向異性、液晶材料的電光效應等進行深入的研究。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液晶顯示器以來，在四十年的時間里，液晶顯示器以由最初在手表、計算器等“小、中型”顯示器發展到各種辦公自動化設備、高清晰的大容量平板顯示器領域。 本實驗通過對液晶盒的扭曲角，電光響應曲線和響應時間的測量，以及對液晶光柵的觀察分析，了解液晶在外電場的作用下的變化，以及引起的液晶盒光學性質

3、的變化，并掌握對液晶電光效應測量的方法。原理 1、液晶分類。液晶態與普通的物質三態不同，不是所有的物質都具有這種性質。那些有較大的分子且分子的形狀是桿狀的物質容易形成液晶。對由桿狀分子形成的液晶，根據分子沿軸向和垂直于軸向的力的大小比較，可導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，但分子重心混亂無序。（3）膽緇相：桿狀分子軸向的力更大，分子排列成層，層內分子取向有序，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構。 2、液晶的介電各向異性和光學各向異性（1）液晶的介電各向異性。當外電場平行于或者垂直于分子長軸時，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軸和垂直于分子長軸的分量）。當一個任意取向的分子被外電場極化時，由于和的區別，造成分子感生電極矩的方向和外電場的方向不同，從而使分子發生轉動。如果考慮到液晶內各個分子之間的相互作用以及分子與基片表面的作用，旋轉將引起類似于彈性恢復力造成的反方向力矩，使得分子在轉動一個角度后不再轉動。因此產生電場對液晶分子的取向作用。（2）液晶的光學各向異性。光在液晶中傳播會產生尋常光（o光）與非尋常光（e光），表現出光學的各向異性。

5、所以液晶的光學性質也要通過兩個主折射率n和n描述（n和n分布表示沿長軸方向和垂直于這個方向的光的折射率）。由于n和n的不同，o光與e光在液晶中傳播時產生相位差，使得出射光的偏振態發生變化。這就是液晶的雙折射效應。如圖1所示為當光垂直于光軸入射的時候，正光性和負光性材料o光和e光折射率的相互關系，圖1 正、負光性材料o光和e光折射率關系由于液晶的雙折射效應，使得出射的o光和e光的相位差不等，不同的相位差對應不同偏振狀態和方向的光，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電薄膜的玻璃基片之間，導電薄膜起到導電的作用，加垂直于分子長軸的電場；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將均勻扭曲。通常振動面的旋光角度與旋光物質的厚度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部構造。圖2 液晶盒內部構造4、液晶的電光效應 圖3 電光響應曲線液晶在外電場的作用下，分子取向將發生改變，光通過液晶盒的偏振狀態也將發生變化，此時若檢偏器的透光位置不變，則系統透光強度將發生變化，透過率與外加電壓的關系曲線稱為電光響應曲線，它決定著液晶顯示的特性。其中透過率最大與最小的比稱為對比度C，即C=TmaxTmin,對比度越大畫面越生動明亮，所以其大小直接影響到液晶顯示器的顯示質量。 在

7、電光響應曲線中有3個重要參量，如圖3所示： （1）閾值電壓，即透過率為90%所對應的電壓 （2）飽和電壓，即透過率為10%所對應的電壓（3）閾值銳度，即飽和電壓與閾值電壓之比5、液晶響應時間 圖4 液晶響應曲線當施加在液晶上的電壓改變時，液晶改變原排列方式所需的時間即為響應時間，“全明”狀態指的是液晶內桿狀分子分子軸平行于液晶表面的狀態，“全暗”狀態指的是液晶內桿狀分子分子軸垂直于液晶表面的狀態，響應時間就是液晶從全明到全暗、再由全暗變成全亮的反應時間，我們用液晶響應曲線的上升沿時間和下降沿時間來衡量液晶對外界驅動信號的響應速度。上升沿時間：透過率由最小值升到最大值的90%時所需的時間；下降沿

8、時間：透過率有最大值升到最大值的10%時所需的時間，液晶響應曲線如圖4所示。6、液晶衍射 當外加電壓在一定范圍時，液晶盒中的液晶取向會產生有規則的形變，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相近，因此可以觀察到衍射條紋的出現。 液晶盒內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，為衍射角，k=1，2，3為衍射級次。實驗 1、實驗儀器半導體激光器、示波器、液晶盒、液晶驅動電源、激光器電源、激光功率計、光電池、光電二極管探頭、偏振片2個、光學導軌、白屏。2、實驗原理圖激光經過欺騙器后成為線偏振光，偏振光經過扭曲向列相液晶后

9、振動方向發生變化，檢偏器用來鑒別液晶出射光的偏振態。激光電源和激光功率計被集成在一個盒子中。液晶驅動電源同時具有三個功能：（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輸出值示波器。液晶物性實驗原理圖如圖5所示。圖5 液晶物性原理圖3、實驗內容（1）測量液晶表面的錨泊方向，觀測液晶中的旋光現象以及雙折射現象，測量液晶的線偏度， 測量液晶的扭曲角； （2）測量響應時間，作為光開關的“開”“關”時間； （3）液晶衍射現象的觀測，估算液晶“光柵”光柵常數； （4）設計并測量升壓和降壓過程的光電響應曲線，求閾值電壓，飽和電壓以及閾值銳度。

10、實驗結果分析與討論 1、液晶的線偏振度 起偏器最大光強位置為242°，保持不變。檢偏器最大光強和最小光強位置如表1所示表1 最大最小光強對應的檢偏器位置檢偏器位置光強大小最大光強位置191°2.95mw最小光強位置281°10w線偏振度=最大光強/最小光強=2950，最小光強不為零可能是外界日光燈的光強透入到光電池內部導致測得的功率不為零，激光應是線偏振光。2、加液晶盒后表2 消光位置對應的檢偏器的位置液晶盒角度（°）檢偏器角度（°）光強（功率w）30281.61192071.3由于外界日光燈的存在，使得光電池內總會有光線進入，所以把最小的功率

11、當做“消光”狀態，由表1可見，不放液晶盒消光狀態對應的檢偏器的角度是281°，加液晶盒以后（如表2所示），再次消光對應偏振片的位置為28°+360°或者207°+180°，于是對應的液晶盒的扭曲角分別是107°和106°，平均后扭曲角是106.5°。保持上面的一個消光位置不變，在0-360°內旋轉液晶盒，記每一次光強達到極值時的液晶盒的位置，然后將檢偏器旋轉90°后重新測量上述極值位置的光強，統計所得的數據如表3所示表3 光強極值位置對應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°透過光的功率（w)2.288.41.775.61.576.1278.4檢偏器在118°透過光的功率(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°極值光強的液晶盒的角度和光強作極坐標圖如圖6所示，經過液晶盒的輸出光強處于機子隨液晶轉角成周期性變化，大約每90度出現一個極大值與一個極小值,相鄰極大值與極小值之間液

13、晶盒的轉角約為45度。根據同一個位置對應的光強與偏振片轉過90°光強的比值計算線偏度，在極小值處線偏度平均值L=1200左右，比較接近理論值無窮大，而極大值對應的比值大于1遠小于極小值位置的比值，所以輸出極大值處對應出射光為線偏圖6 液晶盒角度與光強的極坐標圖度最小的橢圓偏振光，極小值時對應出射的為線偏振光。出現這一現象的原因是，當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。當以其他線偏振光方向入射時，則根據雙折射效應帶來的附加相位差來決定以橢圓、圓或先偏振光出射。這一操作其實就是通過觀察出射光偏振狀態隨入射光偏振方向與分子軸方

14、向夾角的變化來了解液晶雙折射效應的機制。3、測量液晶響應時間圖7 液晶響應原理圖由圖7所示的液晶響應曲線對應的響應時間為tr+tf，驅動信號為電壓值恒大于等于0的高頻方波，上面一行是驅動信號，將出現圖下面的驅動信號。當驅動頻率不變時，隨著間歇頻率的增大，驅動信號的開關周期明顯減小，脈沖周期不變；液晶響應信號的波形也隨著周期的減小而變窄，但測得的響應時間變化不大。當間歇頻率不變時，隨著驅動頻率的增大，驅動信號的開關周期略為變小，脈沖周期顯著減小，液晶響應信號的波形大致趨勢及周期均不變。當我們增大間歇頻率的時候，將會截掉響應信號常亮信號右邊的部分；當驅動頻率變小的時候，將會產生遲滯效應，使得原本平

15、滑的常暗的信號產生鋸齒；轉動液晶和檢偏器的角度，都會改變響應曲線的強度和形狀。實驗測得液晶響應時間如表4所示表4 響應時間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可見液晶的響應時間為4.6ms左右。4、電光響應曲線 （a）Y-t模式 （b）X-Y模式圖8 電光響應曲線圖查看數據庫，響應曲線的最大值為3.44，90%和10%的點分別對應的響應曲線的值為3.096和0.344，其對應的電壓分別是閾值電壓Vth=V

16、90和飽和電壓Vs=V10，從數據庫可得Vth=V90=6.64v，Vs=V10=6.80v，則閾值銳度為1.024。5、液晶衍射 當調節電壓逐漸上升觀察衍射從無到有再到無得過程中，衍射在4.00V左右出現，在7.85V左右衍射消失，隨著電壓增大，衍射的級次向外擴散；當調節電壓下降使衍射從無到有再到無的過程中，衍射在5.78V左右出現，3.20V附近消失，可見上升和下降并不是對稱的關系，這是因為遲滯效應，電壓大小不同對應著液晶內部不同的變化，因此導致衍射情況的不同。 白屏離液晶后表面10cm，激光波長650nm，衍射級次到零級的距離如表6所示表6 衍射級次到零級的距離衍射級次0123456x（cm）012.23.54.96.68.7sin00.09950.21490.33040.44000.55080.6564光柵常數a6532.41926050.40135902.82275908.88615900.05625941.8116光柵常數a=6039.4nm，影響較大的是1級衍射的距離，因為距離短，所以誤差產生的影響更大。在顯微鏡下可觀察到液晶內部形成的網狀光柵結構如圖9所示 圖9 液晶內部在電壓作用下形成光柵結論 通過實驗發現液晶本身的各向異性對其雙折射性、旋光性、光電效應以及其衍射現象有決定性作用。實驗中得到液