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胆甾相液晶可见光布拉格反射实验

阮亮丁慎训杨秀珍

(清华大学现代应用物理系，北京100084)

摘要胆甾相液晶可见光反射行为，在某种意义上与晶体粉末样品X光衍

射相似，本文主要提供一个巧妙而又直观的布拉格反射实验方法，并测量胆甾相

结构周期——螺距与温度的关系，进而揭示胆甾相液晶热色效应的机理.

关键词胆甾相液晶；布拉格反射

分类号O734.2

研究布拉格反射规律通常是使用X射线或微波，本文则提供了一个更直观的

实验来达到这一目的.实验用胆甾相的多畴螺旋结构代替晶体粉末样品，由胆甾

相螺旋结构的周期——半螺距P/2代替晶体的晶格常数a，用可见光来代替X射线

或微波，既可用肉眼观察，又可用实验装置定量的测量.

为了进一步阐明实验原理，有必要对物质中介态——液晶态作一简单介绍.

某些具有各向异性的分子(如棒状、板状、盘状)组成的有机化合物可以为液晶，

它是一个介于固相和液相之间的中介相，加热过程中液晶有一个固相到液晶相转

变的温度T(熔点)，继而有一个液晶相到各向同性液相的转变温度T(清亮点

mc

——由混浊的液晶相变为清彻透明的液相而得名)，因此，仅在T～T温度范围

mc

内为液晶相.它具有晶体的各向异性，又具有液体的流动性，此类液晶属热致液

晶，其结构可分为三大类：近晶型、向列型、胆甾型，分别如图1的(a)、(b)、

(c).向列相中长棒状分子的位置是无序的，

图1液晶的分子排列

但分子取向是有序的，沿某一从优方向取向，此从优方向用一单位矢量n(称为指

向矢)来描述，液晶相中n和-n是不可区别的.胆甾相可以认为是螺旋向列相，指向

矢n在空间不是恒定的，沿螺旋轴(光轴)螺旋状旋转.胆甾相结构沿光轴呈周期变

化，由于n和-n的等价性，所以其重复周期为半螺距P/2.由于其结构的特征，胆

甾相光学性质是独特的，指向矢n旋转上千圈/mm；又由于半螺距的典型值约为

3000，它远大于分子的线度，与可见光波长相当，所以这种周期结构可以产

生可见光的布拉格反射.当然，胆甾相螺距由材料本身的组分确定，并随外界温

度(电场、磁场等因素)而变化，产生色彩鲜明的布拉格反射谱，形成有趣而实用

的胆甾相热色(温度)效应(电光、磁光效应)，较固定晶格常数的晶体具有更丰富、

更奇妙的性质.

1反射模型

早在1933年Oseen确认，光从互相平行的指向矢平面上反射，满足布

［1］

拉格反射条件，但由于胆甾相沿光轴不同方向的折射率不同，故严格处理很复杂.

我们采用Fergason的反射模型：1)零级近似下，认为胆甾相为具有平均折

［2］

射率的各向同性介质.2)一级近似下，我们注意到介质并不严格各向同性，光

学性质受到空间结构周期半螺距的调制，对一般胆甾相～1.5(双折射Δn《)，

由可见光布拉格反射实验可以证实其不失普遍性.更为精确的处理方法已被de

Vries等指出，要用麦克斯韦方程和折射率张量求解.

［3］

图2为胆甾相多畴样品中的布拉格反射，所有的光线都假定在纸面内，并图

示了倾斜入射时A畴、B畴典型的几何条件.

［4］

设可见光束按入射角φｉ在样品中传播，一直到达A畴或B畴，光线受到布拉

格反射，其出射角用