液晶物性試驗(yàn)報(bào)告

1、液晶物性【摘要】本實(shí)驗(yàn)主要觀察了液晶盒的旋光現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象和電光效應(yīng)。先在不加電壓的情況下，觀測液晶盒的旋光性和雙折射現(xiàn)象。在對(duì)液晶盒加電壓觀察響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)曲線，最后觀察液晶盒的衍射現(xiàn)象并計(jì)算光柵常數(shù)。通過對(duì)液晶這些現(xiàn)象的觀察，了解液晶在電場作用下的變化，及液晶盒的性質(zhì)。關(guān)鍵詞：液晶、雙折射、旋光性、電光效應(yīng)、衍射一、引言1888年，奧地利布拉格德國大學(xué)的植物生理學(xué)家萊尼茨爾在測定有機(jī)化合物熔點(diǎn)時(shí)，觀察到膽管醇苯酸酯（簡稱CB）在熱熔時(shí)的特殊性質(zhì)。它在145.5C（熔點(diǎn)）時(shí)熔化成渾濁的液體，溫度升到178.5C（清亮點(diǎn)）后，渾濁的液體會(huì)突然變成各向同性的清亮的液體。在熔點(diǎn)和清亮點(diǎn)

2、之間的溫度范圍內(nèi)，CB處于不同于各向同性液體的中介相。萊尼茨爾將這一現(xiàn)象告訴德國物理學(xué)家萊曼。經(jīng)過系統(tǒng)研究，萊曼發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在中介相具有強(qiáng)烈的各向異性物理特征，同時(shí)又具有普通流體那樣的流動(dòng)性。因此這種中介相被稱為液晶相，可以出現(xiàn)液晶相的物質(zhì)被稱為液晶。本實(shí)驗(yàn)主要觀察了液晶盒的旋光現(xiàn)象、雙折射現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象和電光效應(yīng)。先在不加電壓的情況下，觀測液晶盒的旋光性和雙折射現(xiàn)象。二、實(shí)驗(yàn)原理1 .液晶形態(tài)與組成結(jié)構(gòu)液晶態(tài)不是所有物質(zhì)都具有的，只有分子量較大、分子成桿狀（軸寬比在4:18:1）的物質(zhì)比較容易具有液晶態(tài)。液晶可根據(jù)分子排列的平移和取向分為三大類：近晶相、向列相、膽管相。（川近Mill（bj向粗桁

3、刷圖1液晶分子的三種不同排列方式2 .液晶的介電各向異性液晶的各向異性是決定液晶分子在電場中行為的主要參數(shù)。若用與、W_l分別表示液晶平行、垂直于分子取向的介電常數(shù)，介電各向異性可用s=E_表示，可正可負(fù)，ea0稱正性液晶，<0稱負(fù)性液晶。在外電場作用下，正性液晶沿場方向排列，負(fù)性液晶垂直于場方向排列。電場對(duì)液晶分子的取向作用由極化各向異性決定。液晶分子沒有固定的電極矩，但可以被外電場極化。由于各向異性，分子的極化率不同，分別用口和ot,表示。當(dāng)一個(gè)任意取向的分子被外電場極化時(shí)，由于和口和口上的區(qū)別，造成分子感生電極矩的方向與外電場方向不同，從而使分子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2電場對(duì)液晶分子的取向巴

4、方向和與（公式1）M使分（公式2）圖2中，E為外電場，亡為分子的長軸方向，兩者夾角為3°把E分解成沿U垂直的。方向的兩個(gè)分量E、E±,則這兩個(gè)方向上的感生電極矩分別為P/="E-EcoeCOsP=旦=_E_=ctjEsinP電廠E作用在P和Pj_上的力矩M和M_L在方向上是相反的，按圖示情形，子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，M_l使分子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，它們的大小分別為M/=ERsinP=口E2sinCcosPM_=EPcos:=E2sin:cos:當(dāng)otAa上電場使液晶分子的長軸趨于電場方向排列；當(dāng)ot<aj_,電場使液晶分子的長軸趨于垂直電場方向排列。3 .液晶的光學(xué)各向異性由

5、于液晶分子結(jié)構(gòu)的各向異性，光在液晶中傳播會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，產(chǎn)生尋常光（o光）和非尋常光（e光），表現(xiàn)出光學(xué)各向異性。圖3液晶引起的偏振光狀態(tài)變化由于液晶的雙折射效應(yīng)，可以使入射光的偏振光狀態(tài)和偏振光方向發(fā)生變化。如圖3所示，在o<z<d的區(qū)域內(nèi)，液晶長軸按n方向排列，偏振光振動(dòng)方向與n成。角，入射偏振光在x,y方向上的電矢量強(qiáng)度可表示為Ex=E0co80cos（H-kz）（公式3）Ey=E0sin8cos（ot-kjz）其中Eo為電場強(qiáng)度，切為光的角頻率，k=6"/c,k_L=0"_L/c。可見液晶液晶引入的光程差為6=（kk»d=（nn/d/c,通過

6、液晶的光最后以6所決定的偏振狀態(tài)，（圓，橢圓或線偏振）出射。4 .旋光性圖4扭曲向列相液晶盒片片振崎橫幅墻振偏聯(lián)電膠城偏在液晶分子扭曲排列的螺距p0大大超過光的波長的情況下，若光以平行于分子軸的方向入射，則隨著分子軸的扭曲，將以平行于出射面分子軸的偏振方向射出，若光以垂直于分子軸的偏振方向入射，則以垂直于出射面分子軸的偏振方向射出，當(dāng)以其他線偏振光的方向入射時(shí)，則根據(jù)雙折射效應(yīng)帶來的附加位相差，以橢圓、圓或直線等形式出射。通常一束線偏振光通過旋光物質(zhì)后，其振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度日與旋光物質(zhì)的厚度d成正比，即9=豆（九）d（公式4）其中，豆（兒）為旋光本領(lǐng)，又叫旋光率，與入射光的波長有關(guān)5 .電光效應(yīng)

7、電光響應(yīng)曲線：液晶在外電場作用下，分子取向?qū)l(fā)生改變，光通過液晶盒時(shí)偏振狀態(tài)也將發(fā)生改變，如果液晶盒后檢偏器透光位置不變，系統(tǒng)透光強(qiáng)度將發(fā)生改變，透過率與外加電壓的關(guān)系曲線稱為電光響應(yīng)曲線。透過率最大值和最小值之比稱為對(duì)比度或者反差。電光響應(yīng)曲線的三個(gè)常用參量：閾值電壓：將透過率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為閾值電壓飽和電壓：將透過率為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)時(shí)的電壓稱為飽和電壓閾值銳度：飽和電壓和閾值電壓之比。6 .液晶的響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)施加在液晶上的電壓改變時(shí)，液晶改變原排列方式所需要的時(shí)間就是響應(yīng)時(shí)間。上升沿時(shí)間：透過率由最小值升到最大值的90%時(shí)所需要的時(shí)間下降沿時(shí)間：透過率由最大值降到最大值的

8、10%時(shí)所需要的時(shí)間7 .液晶衍射當(dāng)施加在液晶盒上的低頻電壓高于某一閾值，帶電雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)引起液晶分子的環(huán)流，這些小環(huán)流小區(qū)域?qū)е抡麄€(gè)液晶盒中液晶取向的有規(guī)則形變，形成折射率的變化，使得通過樣品的光聚焦在明暗交替的帶上，所稱威廉疇。液晶位相光柵滿足一般的光柵方程：asin6=kZ（公式5）a是光柵常數(shù)，。是衍射角，k=0,±1,±2為衍射級(jí)次三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)儀器：半導(dǎo)體激光器（650mm）,示波器，液晶盒，液晶驅(qū)動(dòng)激光電源，激光器電源,激光功率器，光電池，光電二極管探頭，偏振片（2個(gè)），光學(xué)導(dǎo)軌，白屏。圖6實(shí)驗(yàn)光路圖實(shí)驗(yàn)步驟:1 .測量液晶表面的錨泊方向，觀測液晶中的旋光現(xiàn)象

9、和雙折射現(xiàn)象(1)測量液晶盒的扭曲角(2)表征液晶的雙折射現(xiàn)象2 .測量響應(yīng)時(shí)間改變間歇頻率和驅(qū)動(dòng)頻率，測量液晶上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間。3 .測量液晶響應(yīng)曲線測量升壓和降壓過程中的電光響應(yīng)曲線，求出閾值電壓、飽和電壓、閾值銳度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。4 .觀察液晶的衍射現(xiàn)象(1)觀察液晶的衍射現(xiàn)象，記錄衍射條紋出現(xiàn)和消失時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓。(2)估算液晶的光柵常數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論1 .扭曲角無液晶盒消光位置：246°有液晶盒對(duì)應(yīng)消光位置：137°扭曲角：109°2 .液晶分子的各向異性無液晶盒時(shí)的線偏度：P=2077.8竄5嗯米T-光強(qiáng)10020000400角度（度

10、）圖7有液晶盒時(shí)光強(qiáng)與液晶盒旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系檢偏器轉(zhuǎn)過90°時(shí)，記錄極值光強(qiáng)的變化，并計(jì)算線偏度FMax=1971,PMIN=27.09。IVIAXMIIN分析：有液晶盒時(shí)，每隔45。出現(xiàn)一次光強(qiáng)極值。檢偏器轉(zhuǎn)過90。后，線偏度最大值相對(duì)之前沒有液晶盒時(shí)略有減小但相距不大，原因是放入液晶盒后，接收到的光強(qiáng)減弱，線偏度現(xiàn)象明顯，并且當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)減小。加入液晶盒時(shí)線偏度最小值和無液晶盒時(shí)相比差距很大,時(shí)，光強(qiáng)的變化相對(duì)光強(qiáng)比較小，光強(qiáng)測量存在2%誤差，光強(qiáng)強(qiáng)時(shí)的誤差與光強(qiáng)變化比較接近，所以現(xiàn)象不明顯。當(dāng)測量存在誤差時(shí)所以用消光位置的進(jìn)行測量。因?yàn)橐壕Ь哂须p折射效應(yīng)，當(dāng)光以平行或垂直于分子軸的

11、偏振方向入射，則隨著分子的扭曲，將以平行或垂直于出射面分子軸的偏振方向射出。當(dāng)以其他線偏振光方向入射時(shí)，則根據(jù)雙折射效應(yīng)帶來的附加相位差來決定以橢圓、圓或先偏振光出射。同時(shí)，因?yàn)閑光光強(qiáng)較強(qiáng)，減弱的光強(qiáng)相對(duì)于e光光強(qiáng)不明顯，所以我們在消光位置測得的光強(qiáng)隨液晶轉(zhuǎn)動(dòng)的角度具有較好的周期性，而在消光位置的垂直方向卻較難發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律。3 .電光響應(yīng)時(shí)間測量響應(yīng)時(shí)間時(shí)示波器圖形：圖8電光響應(yīng)時(shí)間測量表1:電光響應(yīng)時(shí)間測量序號(hào)123456789間歇頻率（Hz)56.0056.0056.0038.4038.4038.4035.2035.2035.20驅(qū)動(dòng)頻率（Hz)2.4004.0005.2002.400

12、4.0005.20023.204.0005.200上升沿時(shí)間(ms)16.0017.2018.4013.6010.008.80011.6012.8011.60下降沿時(shí)間(ms)15.6014.4013.6014.4013.2010.0013.6013.6010.80分析：當(dāng)間歇頻率和驅(qū)動(dòng)頻率變化時(shí)，液晶的上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間并沒有隨著發(fā)生明顯的變化。由此推測，液晶的響應(yīng)時(shí)間是液晶盒本身的性質(zhì)，不隨間歇頻率和驅(qū)動(dòng)頻率改變而變化，是固定的常數(shù)。4 .電光響應(yīng)曲線圖9x-y液晶響應(yīng)曲線圖10x-t液晶響應(yīng)曲線外IE巾莊(V)北JW豺般如2V99配&&7OZD.911.11.21.3

13、外加電莊t¥>圖11電壓上升時(shí)的電光響應(yīng)曲線圖12電壓下降時(shí)的電光響應(yīng)曲線分析：電壓上升時(shí)：閾值電壓Vth升=0.632v,Vs升=0.606v電壓下降時(shí)：閾值電壓Vth升=1.015v,飽和電壓Vs升=1.125v,閾值銳度P=1.1085 .液晶衍射圖13液晶衍射表2:液晶衍射過程電壓與衍射的關(guān)系衍射出現(xiàn)時(shí)的電壓（V）衍射消失時(shí)的電壓（V）電壓上升過程8.8711.59電壓卜降過程9.153.90分析：當(dāng)施加在液晶盒上的低頻電壓高于某一閾值時(shí)，帶電雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)將會(huì)引起液晶分子的環(huán)流，這些環(huán)流小區(qū)域?qū)е抡麄€(gè)液晶盒中液晶取向的有規(guī)則形變，液晶內(nèi)部的折射率也將發(fā)生周期性變化。隨著電壓升高，環(huán)流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，液晶盒中液晶取向也將逐步改變，使得衍射圖樣也發(fā)生改變，當(dāng)電壓達(dá)到另一個(gè)閾值時(shí)，液晶分子取向?qū)⑼耆仉妶龇较颍h(huán)流消失，衍射圖樣也就隨之消失。由此，液晶衍射是不可逆過程。光柵常數(shù)：a=6.048m五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與建議結(jié)論：液晶具有雙折射效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室用液晶盒的扭曲角約為109。有液晶盒時(shí)，液晶盒轉(zhuǎn)動(dòng)每隔45。出現(xiàn)一次光強(qiáng)極值。液晶盒的上升沿時(shí)間比下降沿時(shí)間要小，且液晶響應(yīng)