液晶物性实验.doc

(完整word版)液晶物性实验
液晶物性试验
姓名：李首卿 学号：201311141049
【摘要】本实验对液晶旋光现象和双折射现象的观察以及电光响应曲线、反应时间的测量，加深了我们对液晶的介电各向异性、光学各向异性以及旋光性这三大独特性质的理解，了解了液晶在外电场作用下的变化，及其引起的液晶盒的光学性质的变化。
关键词： 液晶 介电各向异性 光学各向异性 旋光效应
一、 引言
当物质处于液晶相的状态下，它具有强烈的各向异性物理特征，同时又像普通流体那样具有流动性，这些可以出现液晶相的物质被称为液晶。从1888年奥地利植物学家莱尼茨尔第一次发现这个现象，经过20世纪30年代到50年代之间对液晶物性研究的鼎盛时期，到60年代后步入实用研究阶段。不到八十年的时间，液晶已经融入了我们生活的方方面面，它深刻地改变了人类的生活，对人类产生了巨大的影响。
二、 实验原理
1、 液晶相：只有那些具有大分子且分子为杆状或碟形的物质才更容易具有液晶态。由杆形分子形成的液晶，其液晶相可根据分子排列的评议和取向有序性分为三大类：近晶相、向列相和胆甾相；
2、 介电各向异性：它是液晶分子在电场中行为的主要参数。为液晶平行于分子取向的介电常数，为液晶垂直于分子取向的介电常数。介电各向异性可用表示，为正性液晶，则为负性液晶。正性代表液晶分子沿场的方向排列，负性则代表垂直于场。电场对液晶分子的取向作用由极化各向异性决定。由于分子长轴和分子短轴的极化率并不相同，外加电场后分子将发生旋转直至电场方向与长轴方向平行或与长轴方向垂直为止。我们再考虑到液晶内各个分子之间的相互作用以及分子与基片表面的作用，上述旋转将引起类似与弹性恢复力造成的反向力矩，使分子在转动一个角度之后不再转动;
3、 光学各向异性：由于液晶分子结构的各向异性，光在液晶中传播会发生双折射现象产生寻常光和非寻常光，表现出光学各向异性。也正是由于液晶的双折射效应，可以使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生变化。我们可以知道液晶引入的光程差为，通过液晶的光最后以光程差决定它的偏振状态;
4、 旋光性：在液晶分子扭曲排列的螺距远远超过光的波长情况下，若光以平行于入射面分子轴的偏振方向入射，则随着分子轴的扭转，它将以平行于出射面分子轴的偏振方向射出；若光以垂直于入射面分子轴的偏振方向入射，则以垂直于出射面分子轴的方向射出；当光以其他线偏振光的方向入射时，则根据双折射效应带来的附加相位差，将以椭圆、圆或直线等形式出射。液晶盒最重要的特点就是满足摩根条件：液晶分子扭矩和双折射率的乘积远大与入射光波长的一半；
5、 电光效应：液晶在外电场的作用下，分子之间的取向将发生变化，光通过液晶盒时偏振状态也将发生变化，如果液晶盒后检偏器的透光方向不发生变化，那么系统的透光强度将会发生变化。透过率和外加电压的关系曲线为电光响应曲线，决定了液晶显示的特性。我们将透过率的最大值和最小值之比称作对比度亦称反差即
(1)
对比度越高，显示的画面就更加生动，对比度影响液晶显示质量。为了更好地描述响应曲线我们定义了以下三个常量
1) 阈值电压：将透过率为90%时所对应的电压称为阈值电压；
2) 饱和电压：将透过率为10%时所对应的电压称为饱和电压；
3) 阈值锐度：饱和电压和阈值电压之比称作阈值锐度；
6、 响应时间：当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原排列方式所需要的时间就是响应时间。响应时间是液晶一个性能参数，我们有以下两个定义
1) 上升沿时间：透过率由最小值升到最大值的90%时所需要的时间；
2) 下降沿时间：透过率由最大值降到最大值的10%时所需要的时间；
7、 液晶衍射：施加在液晶和的低频电压高于某一阈值时，带电杂质运动引起液晶分子的环流，这些环流小区域导致整个液晶盒中液晶取向规则的形变，形成折射率周期的变化，使得通过样品的光聚焦在明暗交替的带上，液晶相位光栅满足一般的光栅方程
(2)
其中，是光栅常数，是衍射角，是衍射级次。
三、 实验仪器
半导体激光器、数字示波器、液晶盒、液晶驱动电源、激光器电源、激光功率计、光电池、光电二极管探头、起偏器、检偏器、光学导轨、白屏。激光经过起偏器后成为线偏振光，偏振光经过液晶盒后震动方向发生变化，检偏器用来鉴别液晶出射光的偏振态。白屏用于观察液晶光栅的衍射情况。
四、 实验步骤
1、 测量线偏振光
1) 调节光路使激光经过起偏器进入探测器光电池。转动起偏器使激光功率达到最强。调节完成后线偏振光在整个实验中保持不变；
2) 在光电池前放入检偏器，测量实验所用的线偏振光的线偏振度。
2、 旋光效应和双折射现象的观察
1) 先调节检偏器是系统处于消光状态，再在起偏器和检偏器之间放入液晶盒。不断调节转动检偏器和液晶盒，使系统再次处于消光状态，记录两次出现消光状态检偏器转过的角度；
2) 保持第二次消光时检偏器的方位，每间隔30°旋转一次液晶盒，记录光强每一次达到的极大值和极小值时数值。
3、 电光响应曲线
1) 将探测器换为响应时间较快的光电二极管，和数字示波器相连；
2) 调节函数发生器，参数设置如下：频率为1Hz；功能为线性扫频；波形为三角波；幅度约为12V。通过示波器观察调整输入波形，使三角波驱动电压最低点为0，最高点不饱和；
3) 选择“常白模式”，使用x-y方式观测液晶驱动信号和电光响应曲线，调节液晶盒和检偏器使图形接近磁滞回线，测量阈值电压、饱和电压和阈值锐度；
4) 调节三角波频率，观察响应曲线的变化。
4、 响应时间
1) 将液晶驱动电源的工作方式设置为间歇工作方式，选择液晶的工作模式为“常白模式”；
2) 使用数字示波器观察液晶的驱动信号和响应信号。旋转调整液晶盒和检偏器，改变间歇频率和驱动频率，使液晶的响应信号接近方波；
3) 测量上升沿和下降沿时间，记录驱动频率和间歇频率。
5、 液晶衍射
1) 将液晶驱动电源的工作方式设置为连续工作方式，后面直接放入白屏；
2) 缓慢改变驱动电压，观察液晶的表面变化和衍射现象；记录电压上升和下降过程中，衍射斑出现和消失时对应的驱动电压；
3) 测量相关数据完成光栅常数的计算；
4) 在显微镜下观察液晶盒电压升降过程中的形态变化。
五、 数据分析
1、 线偏振光线偏振度的测量
旋转调节检偏器，我们可以轻松地测量出，根据线偏振度的定义：最大光强与最小光强之比，我们可以求出线偏振度
(3)
可以看出通过起偏器产生的线偏振光比较良好。
2、 旋光效应和双折射现象的观察
1) 没有放置液晶盒时检偏器的消光角度为278°，在起偏器和检偏器中加入液晶盒后，不断调节转动检偏器和液晶盒，此时检偏器的消光角度是206.6°，所以我们可以求出检偏器转过了63.4°。
这个角度应该和液晶盒前后表面锚泊方向的夹角相等或者互补，已知液晶盒扭曲角在100°和140°之间，我们可以求出此液晶盒的扭曲角为116.6°。此步骤中，我们不仅需要调整检偏器的角度，还需要不断尝试液晶盒的角度。这是因为入射光可以近似地看作线偏振光，若入射面的偏振方向和入射光的偏振方向不相同，则会有垂直于入射面的分量产生，导致不能完全消光。因此，第二次消光时激光偏振方向和液晶盒前表面锚泊方向应当一致；
2) 保持第二次消光时检偏器的方位，每间隔30°旋转一次液晶盒
表格 1 角度以及线偏振度
角度/°
最小值/μW
最大值/mW
线偏振度
323
0.40
2.00
5000
353
46.90
2.01
43
23
52.00
2.00
38
53
0.60
2.04
3400
83
45.20
2.06
46
113
48.80
2.00
41
143
0.40
2.06
5150
173
53.00
2.00
38
203
48.00
2.00
42
233
0.40
2.03
5075
263
46.00
2.02
44
293
46.60
2.00
43
从数据中我们可以得到旋转一周的过程中共有四次得到了较好的线偏振光，它们分别是入射光的线偏振方向同前表面的偏振方向平行或者垂直；
3、 电光响应曲线
1) 我们首先使用x-y方式观测液晶驱动信号和电光响应曲线，可以不断调节液晶盒和检偏器使图形接近磁滞回线，然后观察x-t方式曲线。将数字示波器的显视屏截图（左图），并将其数据导出，利用excel绘制曲线（右图）

图 1 X-Y曲线图

图 2 X-T曲线图
其中CH1是外加三角波电场电压，CH2是出射光的光强。在X-Y方式显示中，CH1不断在0V到12V之间随时间均匀递增和递减，若CH2没有任何变化的话，曲线应该是一条不断重复的曲线。由于外加电场改变了液晶分子的取向，透光率发生变化，CH2的值随时间的变化正如X-T曲线类似方波的样子。将它的特性叠加在CH1通道的特性上我们便可以知道正是图1所表现出来的样子。根据这些数据和三个电压常量的定义，利用示波器上的取点读数功能我们便可以轻松测量出待测电压的大小

图 3 测量电压过程
我们可以得到出射光的光强电压最大值为4.88V，通过计算它的90%为4.392V，它的10%为0.488V。找到相应电压值对应的时间坐标，再将时间对应到外加电场函数上我们便可以得到此时外加电场的大小。阈值电压为6.56V，饱和电压为6.92V，阈值锐度为1.055。
2) 分别将三角波频率设为5Hz、10Hz、50Hz、100Hz、1000Hz（从左到右依次）

图 4 不同外场频率下的反应曲线
我们可以看到随着频率的细微增大，响应曲线的平台处会发生凹陷产生新的一个周期（10Hz图响应曲线幅值的增大仅仅是由于对于标尺的调节，可以从左下角的参数看出此时的标尺为其他的一半）。接着增大，响应曲线的峰值会逐渐降低并且频率也会随之增大，变成类似于正弦波的形状。当外加电场频率足够大时，响应曲线趋向于一条直线，透光率不再发生变化。外加电场变化速度太快，液晶来不及反应形成新的排列，相当于加了一个外加电场有效值大小的电场，故不再透光；
4、 响应时间
此实验步骤中，我们需要不断调间歇频率、驱动频率，旋转液晶盒、检偏器以使我们的响应信号更好地接近方波，最终响应曲线如下图所示（左侧为数字示波器显示屏的截图，右侧为利用数据点excel绘制的曲线图）

图 5 响应曲线
同上一个实验内容一样，我们利用数字示波器自身的取点读数功能，并根据响应时间相关的定义，可以完成对液晶响应时间的测量。我们首先测得光强最大值为3.68V，可以算出其90%为3.312V，其10%为0.368V；接着便可以根据对应关系测得上升沿时间为6.5ms，下降沿时间为12.6ms，此时我们间歇频率为13.97Hz，驱动频率为208.3Hz；
5、 液晶衍射
1) 此过程一定要注意缓慢，液晶随电场的变化有一定的延迟时间，在电压确定后，可能经过2、3s的时间液晶才能完成相应的反应。耐心等待，我们可以得到下面的数据结果
表格 2 衍射电压区域

出现
消失
上升
4.40V
7.40V
下降
5.54V
2.56V
2) 我们调整电压使衍射条纹清晰并且稳定地存在，对其进行测量
表格 3 衍射条纹数据
0级
1级
2级
3级
距离
0
0.92cm
1.83cm
2.71cm
10.01cm
根据以上数据并根据公式(2)我们可以轻松算出光栅常数为7360nm；
3) 在显微镜下观察液晶，随着我们在已测得的液晶发生衍射的电压区域内不断地来回改变电压值大小，我们可以看到有一片透明的类似杆状的物体在视野内移动，它们的排列便是形成液晶衍射的主要原因。
六、 过程分析
1、 驱动频率和间歇频率：在实验过程中，我们保持间歇频率不变，增大和减少驱动频率对液晶的响应时间没有什么明显的影响。因为驱动频率的作用就是叠加在高电平上防止由于直流电驱动对液晶带来影响；我们接着保持驱动频率不变，增大和减少间歇频率，可以发现，随着间歇频率的增大，液晶的上升沿时间和下降沿时间均减少，响应时间变短；
2、 液晶衍射：在不断改变电压的过程中，液晶会在某一个区域发生衍射。并且衍射条纹会随着电压的变化而发生变化。在此次试验中，我们可以发现液晶开始出现衍射时的条纹是水平的点状图案。随着电压的增大，衍射条纹的对称性逐渐提高，变成了类似于正六边形衍射小孔产生的衍射条纹。接着变成了圆环的衍射条纹。最后经历了一个逆过程衍射条纹再一次消失。
这个现象非常有意思，我们可以尝试着从最后一个实验内容：在显微镜下观察液晶变化的实验结果中解释这个现象。在显微镜下，我们看到了液晶内部按一定规律排列的棒状物体。在开始出现衍射的时候，液晶内的棒状物体取向一致，整齐排列，此时的衍射条纹自然是一般的点状条纹，随着电压的增大，有一些棒状物体的取向开始逐渐偏移至垂直于原先棒状物体的方向，这样就会出现第二个方向的衍射，条纹开始类似于正方形小孔产生的衍射条纹。接着会有更多的棒状物体取向发生变化，就会出现第三个方向（类似正六边形小孔），棒状物体方向取向非常多时就会形成圆形的衍射条纹。
从以上推理，液晶衍射条纹变化应该就是与其内部棒状物体取向有关。随着取向的多样化，即类似于衍射小孔的对称度的增加（细缝、正方形、正六边形……圆形），衍射条纹不断地趋向于圆环达到一个顶值。
七、 参考文献
熊俊.近代物理实验.北京：北京师范大学出版社，2007年
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