近代物理实验报告—液晶物性

液晶物性

【摘要】本实验通过对液晶盒的扭曲角，电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观察分析，

了解液晶在外电场的作用下的变化，以及引起的液晶盒光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法。

关键词：液晶物性、电光效应、响应时间、液晶衍射、光栅

一、引言:

19世纪末奥地利植物学家莱尼兹尔在测定有机化合物熔点时发现了液晶。到了20世纪20年代随着更多液晶材料的发现及技术的发展，人们对液晶进行了系统深入的研究，并将液晶分类。30年代到50年代人们对液晶的各向异性、液晶材料的电光效应等进行深入的研究。到了60年代液晶步入了使用研究阶段。自1968年海尔曼等人研制出世界上第一台液晶显示器以来，在四十年的时间里，液晶显示器以由最初在手表、计算器等“小、中型”显示器发展到各种办公自动化设备、高清晰的大容量平板显示器领域。

本次实验主要就是研究一些液晶的基本物理特性，包括各向异性旋光性等。通过实验得到液晶盒的扭曲角、电光响应曲线及响应时间，观察分析液晶光栅和白光的衍射现象，知道液晶在外场作用下光学性质的改变并掌握相关的实验方法。 二、实验原理:

液晶根据分子排列的平移和取向有序性分为三大类：近晶相、向列相、胆甾相。 1、液晶的介电各向异性

当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同表示为??、??。当一个任意取向的分子被外电场极化时，由于??、??的区别，造成分子感生电极矩的方向和外电场的方向不同，从而使分子发生转动。如果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，旋转将引起类似于弹性恢复力造成的反方向力矩，使得分子在转动一个角度后不再转动。因此产生电场对液晶分子的取向作用。

2、液晶的光学各向异性

光在液晶中传播会产生寻常光（o光）与非寻常光（e光），表现出光学的各项异性。所以液晶的光学性质也要通过两个主折射率n?、n?描述。由于n?和n?的不同，o光与e光在液晶中传播时产生相位差，使得出射光的偏振态发生变化。这就是液晶的双折射效应。 3、液晶的旋光性

由于液晶盒的上下基片的去向成一定的角度，两者间的液晶分子取向将均匀扭曲。通常振动面的旋光角度θ与旋光物质的厚度d成正比，即???(?)d，?(?)为旋光率。

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图1 扭曲向列相液晶盒

4、液晶的电光效应

液晶在外电场的作用下，分子取向将发生改变，光通过液晶盒的偏振状态也将发生变化，此时若检偏器的透光位置不变，则系统透光强度将发生变化，透过率与外加电压的关系曲线称为电光响应曲线，它决定着液晶显示的特性。其中透过率最大与最小的比称为对比度C，即

C?Tmax/Tmin

C越大画面越生动明亮，所以其大小直接影响到液晶显示器的显示质量。 在电光响应曲线中有3个重要参量：

1）、阈值电压，即透过率为90%所对应的电压 2）、饱和电压，即透过率为10%所对应的电压 3）、阈值锐度，即饱和电压与阈值电压之比

图2 液晶的电光相应曲线

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5、液晶响应时间

当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原排列方式所需的时间即为响应时间。我们用上升沿时间和下降沿时间来衡量液晶对外界驱动信号的响应速度。

上升沿时间：透过率由最小值升到最大值的90%时所需的时间 下降沿时间：透过率有最大值升到最大值的10%时所需的时间

图3 液晶的响应时间

6、液晶衍射

当外加电压在一定范围时，液晶盒中的液晶取向会产生有规则的形变，使得折射率周期性变化。由于这种周期性变化的尺度与激光的波长相近，因此可以观察到衍射条纹的出现。

液晶盒内形成折射率位相光栅，即液晶光栅。液晶相位光栅满足一般的光栅方程：

dsin??k? 其中：d为光栅常数，? 为衍射角，k=0,?1,?2…为衍射级次。

三、实验内容:

1、实验仪器：

半导体激光器、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、偏振片2个、光学导轨、白屏

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图4 实验原理图

2、实验步骤：

（1）液晶表面锚泊方向的测量、液晶的旋光现象以及双折射现象

实验中调节光路起偏器使入射到液晶表面的光强最大，调节检偏器，测量放入液晶时的线偏度L。 当不加驱动电压时，在0-360°范围内旋转液晶，并旋转检偏器，找到系统消光的位置，研究最小输出光强随液晶角度的变化规律。分析实验数据，可求出液晶盒的扭曲角。 （2）测量响应时间

将光电池替换为响应时间较短的光电二级管，将液晶驱动电源调为12V左右，并置于间隙状态。改变间歇频率和驱动频率，旋转液晶盒和检偏器,观察和记录驱动信号和液晶响应信号的变化。描绘液晶响应波最接近方波时的波形，并记录此时的驱动频率和间歇频率。求出上升沿时间和下降沿时间。 （3）液晶的衍射现象

取下液晶盒，缓慢增加和减小液晶的调制电压，仔细观察液晶盒表面的变化。将液晶盒置于光路中。取下检偏器。在白屏上观察液晶光栅的衍射现象，读出六级条纹间距。计算光栅常数。 （4）测量电光响应曲线

在“常黑模式”和“长白模式下”下考虑液晶的衍射现象，利用功率输出仪器输出0—10v的三角波电压作为驱动电压。利用示波器记录电光响应曲线。根据图像分别测量升压和降压过程中液晶的电光响应曲线。

四、数据处理与实验结果分析:

1、液晶表面锚泊方向的测量、液晶的旋光现象以及双折射现象 表1 光强度与液晶转角数据记录 液晶转角/° 22 65 114 最大光强/mW 1.791 1.844 1.815 检偏角/° 89 89 89 最小光强/mW 0.059 0.073 0.005 检偏角/° 182 180 179 线偏度 30 25 363 4 / 8

155 205 244 294 337 1.832 1.790 1.807 1.785 1.690 91 90 89 92 90 0.063 0.006 0.070 0.009 0.065 181 180 179 181 178 29 298 26 198 26 经过液晶盒的最小输出光强随液晶转角成周期性变化，大约每90度出现一个极大值与一个极小值,如图5所示。极大值处对应出射光为线偏度最小的椭圆偏振光，极小值时对应出射的为线偏振光。

根据长轴和短轴的比值计算线偏度：线偏度平均值L=125。比较接近理论值无穷大。 放入液晶后线偏度会明显降低。几乎可近似为圆偏振光。

输出光强与转角的关系图21.81.61.41.210.80.60.40.20050100150200250300350输出光强/W液晶转角/° 图5 光强度与液晶转角关系图像

未加液晶时，检偏器位于66°处达到消光，加入液晶盒，扭转检偏器至1°处达到消光。于是可得到： 扭转角 = 180°-（66°+1°）=115° 2、测量响应时间

示波器上显示如下图：

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测量得:

驱动信号的开关周期为58.40ms 驱动信号的脉冲周期为11.60ms 上升沿时间Ton=8.4ms

下降沿时间Toff=15.00ms

驱动及液晶响应信号随频率的变化规律：

当驱动频率不变时，随着间歇频率的增大，驱动信号的开关周期明显减小，脉冲周期不变；液晶响应信号的波形也随着周期的减小而变窄，但测得的响应时间变化不大。

当间歇频率不变时，随着驱动频率的增大，驱动信号的开关周期略为变小，脉冲周期显著减小；液晶响应信号的波形大致趋势及周期均不变，但原先较为平滑的曲线上，出现的明显的小起伏，类似于一次级波叠加到原先曲线上。 3、液晶的衍射现象

通过缓慢增加液晶的调制电压，当电压值达到5.48V时，观察到液晶盒表面出现彩色的环，紧接着液晶表面变白，变朦胧，渐渐又恢复透明。缓慢减小液晶的调制电压，又达到5.96V时出现彩色环，随电压变化又迅速消失，下降过程比上升过程相比彩色环消失的要迅速一点。

上升过程出现衍射的范围是5.48V-7.63V 下降过程出现衍射的范围是6.13V-4.52V

实验中测量液晶到屏的距离H=13.9cm,λ=650nm，光斑间距a=(6.8-1)/4=1.45cm 可以求得sin??aH?a22?0.1

由液晶相位光栅满足的光栅方程dsin??k? 得光栅常数d?与理论值7?m的误差为

k?650nm??6.5?m sin?0.107?6.5?100%?7.1% 76 / 8

4、测量电光响应曲线 在“常黑模式”下:

Y-t模式

X-Y模式

图6 “常黑模式”下驱动电压与电光响应曲线（示波器存储图）

其中三角波为驱动电压，方波为电光响应曲线。 升压过程中：

1）、阈值电压，即透过率为90%所对应的电压 测得阈值电压大致为6.40V

2）、饱和电压，即透过率为10%所对应的电压 测得饱和电压对应为4.00

3）、阈值锐度，即饱和电压与阈值电压之比为：β=6.40/4.00=1.6 在“常白模式”下：

Y-t模式

X-Y模式

图6 “常白模式”下驱动电压与电光响应曲线（示波器存储图）

示波器上波形与“常黑模式”相反。

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五、实验结论:

实验中我们研究了液晶的基本物理性质和电光效应，了解液晶的双折射现象会对旋光角的大小产生的影响，通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小为115°；测量了液晶的响应时间并观察液晶光栅的衍射现象，计算光栅常数的大小为d=6.5?m；在“常黑模式”和“常白模式”下分别测量了液晶升压和降压过程的电光响应曲线。在“常黑模式”下测得了阈值电压、饱和电压和阈值锐度。

六、参考文献：

1、近代物理实验补充讲义 北京师范大学物理实验教学中心 2011

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ytw6.html