1、液晶的電光特性實驗實驗說明書北 京 方 式 科 技 有 限 責 任 公 司 液晶是一種即具有液體的流動性又具有類似于晶體的各向異性的特殊物質（材料），它是在1888年內奧地利植物學家首先發(fā)現(xiàn)的。在我們的日常生活中，適當濃度的肥皂水溶液就是一種液晶。目前人們發(fā)現(xiàn)、合成的液晶材料已近十萬種之多，有使用價值的也有4-5千種。隨著液晶在平板顯示器等領域的應用和不斷發(fā)展，以及市場的巨大需求。人們對它的研究也進入了一個空前的狀態(tài)。本實驗希望通過一些基本的觀察和研究，對液晶材料的光學性質及物理結構有一個基本了解。并利用現(xiàn)有的物理知識進入初步的分析和解釋。實驗目的1、學習測量液晶扭曲角，對比度c=Tmin/T

2、max，動態(tài)范圍DR=10logc(dB)，上升沿時間T1 與下降沿時間T22、通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結構尺寸3、觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)實驗原理大多數(shù)液晶材料都是由有機化合物構成的。這些有機化合物分子多為細長的棒狀結構，長度為數(shù)nm，粗細約為0.1nm量級，并按一定規(guī)律排列。根據(jù)排列的方式不同，液晶一般被分為三大類1）近晶相液晶，結構大致如圖1， 圖1 圖2 圖3這種液晶的結構特點是：分子分層排列，每一層內的分子長軸相互平衡。且垂直或傾斜于層面。2、向列相液晶，結構如圖2。這種液晶的結構特點是：分子的位置比較雜亂，不再分層排列。但各分子的長軸方向仍大致相同,光學性質上有點像單

3、軸晶體。3、膽甾相液晶，結構大致如圖3。分子也是分屏排列，每一層內的分子長軸方向基本相同。并平行于分層面,但相鄰的兩個層中分子長軸的方向逐漸轉過一個角度,總體來看分子長軸方向呈現(xiàn)一種螺旋結構。以上的液晶特點大多是在自然條件下的狀態(tài)特征，當我們對這些液晶施加外界影響時，他們的狀態(tài)將會發(fā)生改變，從而表現(xiàn)出不同的物理光學特性。下面我們以最常用的向列液晶為例，分析了解它在外界人為作用下的一些特性和特點。我們在使用液晶的時候往往會將液晶材料夾在兩個玻璃基片之間，并對四周進行密封。為了我們的使用目的，將會對基片的內表面進行適當?shù)奶幚恚员阌绊懸壕Х肿拥呐帕小＿@里介紹相關的三個處理步驟。1、涂覆取向膜，在基

4、片表面形成一種膜。2、摩擦取向，用棉花或絨布按一個方向摩擦取向膜。3、涂覆接觸劑。經過這三個步驟后，就可以控制緊靠基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我們使上下兩個基片的取向成一定角度，則兩個基片間的液晶分子就會形成許多層。如圖4的情況(取向成90度)。即每一層內的分子取向基本一致，且平行于層面。相鄰層分子的取向逐漸轉動一個角度。從而形成一種被稱為扭曲向列的排列方式。這種排列方式和天然膽甾相液晶的主要區(qū)別是：扭曲向列的扭曲角是人為可控的，且“螺距”與兩個基片的間距和扭曲角有關。而天然膽甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人為控制。扭曲向列排列的液晶對入射光會有一個重要的作用，他會

5、使入射的線偏振光的偏振方向順著分子的扭曲方向旋轉，類似于物質的旋光效應。在一般條件下旋轉的角度(扭曲角)等于兩基片之間的取向夾角。由于液晶分子的結構特性,其極化率和電導率等都具有各向異性的特點，當大量液晶分子有規(guī)律的排列時,其總體的電學和光學特性,如介電常數(shù)、折射率也將呈現(xiàn)出各向異性的特點。如果我們對液晶物質施加電場，就可能改變分子排列的規(guī)律。從而使液晶材料的光學特性發(fā)生改變，1963年有人發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。這就是液晶的的電光效應。為了對液晶施加電場，我們在兩個玻璃基片的內側鍍了一層透明電極。我們將這個由基片電極、取向膜、液晶和密封結構組成的結構叫做液晶合。當我們在液晶合的兩個電極之間加上一個適

6、當?shù)碾妷簳r我們來看一下液晶分子會發(fā)生什么變化。根據(jù)液晶分子的結構特點。我們假定液晶分子沒有固定的電極。但可被外電場極化形成一種感生電極矩。這個感生電極矩也會有一個自己的方向，當這個方向以外電場的方向不同時，外電場就會使液晶分子發(fā)生轉動，直到各種互相作用力達到平衡。液晶分子在外電場作用下的變化，也將引起液晶合中液晶分子的總體排列規(guī)律發(fā)生變化。當外電場足夠強時，兩電極之間的液晶分子將會變成如圖5中的排列形式。 圖4 圖5這時，液晶分子對偏振光的旋光作用將會減弱或消失。通過檢偏器，我們可以清晰地觀察到偏振態(tài)的變化。大多數(shù)液晶器件都是這樣工作的。以上的分析只是對液晶合在“開關”兩種極端狀態(tài)下的情況作了

7、一些初步的分析。而對于這兩個狀態(tài)之間的中間狀態(tài)。我們還沒有一個清晰的認識，其實在這個中間狀態(tài)，有著極其豐富多彩的光學現(xiàn)象。在實驗中我們將會一一觀察和分析。液晶對變化的外界電場的響應速度是液晶產品的一個十分重要的參數(shù)。一般來說液晶的響應速度是比較低的。我們用上升沿時間和下降沿時間來衡液晶對外界驅動信號的響應速度情況。定義如下驅動信號 90%T1T2 10% 響應實驗內容一 液晶扭曲角的測量按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶合、偏振片（檢偏器）、功率計探頭的順序，在導軌擺好光路。連接各種設備之間的導線。1、打開激光器，仔細調整各個光學元件的高度和激光器的方向，盡量使激光從光學元件的中心 穿過，進入

8、功率計探頭。2、旋轉起偏器，使通過起偏器的激光最強。3、打開液晶驅動電源，將功能按鍵置于連續(xù)狀態(tài)。驅動電壓調整到12V。4、旋轉檢偏器和液晶盒，找到系統(tǒng)輸出功率最小的位置，記下此時檢偏器的位置（角度）。5、關閉液晶驅動電源，此時系統(tǒng)通光情況將發(fā)生變化，再次調整檢偏器位置，找到系統(tǒng)通光功率最小的位置，記下此時檢偏器的位置（角度）。步驟5與6之間的角度位置差，就是該液晶合在該波長下的扭曲角。二 對比度1、重復上一實驗的1、2、3、4步，記下最小功率值。為Tmin。2、關閉液晶驅動電源，記下此時的系統(tǒng)輸出功率。為Tmax。3、對比度C=Tmin/Tmax，動態(tài)范圍DR=10logc(dB)。三 上升

9、沿時間T1 與下降沿時間T2的測量1、重復實驗一的1、2、3、4步。2、旋轉檢偏器和液晶合，找到系統(tǒng)輸出功率較小的位置。3、用光探頭換下功率計探頭，連接好12V電源線（紅為+，黑為-，紅對紅，黑對黑）。將示波器的CH1通道用信號線與液晶驅動信號相連，CH1做觸發(fā)。CH2通道上的示波器表筆與光電二極管探頭相連（地線與12V的地相連，掛鉤掛在探頭線路扳的掛環(huán)上）。4、打開示波器電源，功能置于雙綜顯示，CH1觸發(fā)。5、觀察示波器上的CH1通道波形。了解液晶驅動電源的工作條件。6、將功能按鍵置于間歇狀態(tài)，調整間歇頻率旋鈕，觀察系統(tǒng)輸出光的變化情況，和示波器上波形的情況，體會液晶電源的工作原理。7、根據(jù)

10、定義，在示波器上測量上升沿時間和下降沿時間。四 通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結構尺寸1、取下實驗一中的檢偏器和功率計探頭。2、打開液晶驅動電源，將功能按鍵置于連續(xù)，將驅動電壓置于6V左右，等待幾分鐘，用白屏觀察液晶合后光斑的變化情況。應可觀察到類似光柵衍射的現(xiàn)象。3、仔細調整驅動電壓和液晶合角度，使衍射效果最佳。4、用尺子量出衍射角，用光柵公式求出這個液晶“光柵”的光柵常數(shù)。五 觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)。1、重復實驗4的1、2、3步。2、緊靠液晶合放置檢偏器。3、用白屏觀察檢偏器后衍射斑。4、旋轉檢偏器，觀察各衍射斑的變化情況，指出其變化規(guī)律。主機箱面板功能： 主機箱“液晶驅動電源”主要功能為液晶合的工作電壓、間歇頻率、驅動頻率的調節(jié)，以及液晶合的工作狀態(tài)等。各面板元器件作用與功能如下：液晶實驗主機前面板1、表頭：3位半數(shù)字表頭，用于指示液晶合工作電壓的大小，可通過驅動電壓旋鈕進行調節(jié)。2、間歇/連續(xù)按鈕：液晶合的工作狀態(tài)，開或關。3、間歇頻率旋鈕：4、驅動頻率旋鈕：5、驅動電壓旋鈕