试验29液晶的电光效应.PDF

实验2.9 液晶的电光效应 液晶 （Liquid Crystal ，简称LC ）是一种高分子材料，是介于液体与晶体之间的一种物 质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定 规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等 效应。因为其特殊的物理、化学、光学特性，20 世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示 技术上。 一、实验目的 1、了解液晶的特性和基本工作原理； 2 、掌握一些特性的常用测试方法； 3、了解液晶的应用和局限。 二、实验仪器 激光器，偏振片，液晶屏，光电转换器，光具座等。 三、实验原理 液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状，长度在十几埃，直径为4～6 埃，液晶层厚度 一般为5-8 微米。 排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距” 与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向 顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于 两基片之间的取向夹角。 有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结 果。实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。一级反射光的波长为： λ =2nPsinφ （1） 其中：λ 为反射波的波长，P 为胆甾相液晶的螺距，n 为平均折射率，φ 为入射波与液晶表 面的夹角。 对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随 着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场 的作用下转变成了向列相。这也称为退螺旋效应。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分 子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特 点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特 性发生改变，1963 年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。将这个由基片电 极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当在液晶盒的两个电极之间加上一个 适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点,假定液晶 分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个 自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各 种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总 体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图1 中的排列 形式。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基 本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 1 图1 液晶分子的扭曲排列变化 图2 偏振态的变化 这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观 察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图3 扭曲向列型(TN)液晶屏结构图 图4 液晶光开关工作原理 以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电 o 压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90 ， 不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图5； 其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。最大透光强度的