液晶光電效應(yīng)(含思考題答案)

1、課程：專業(yè)班號(hào)： 姓名： 學(xué)號(hào)：同組者：液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解液晶的特性和基本工作原理；2、掌握一些特性的常用測(cè)試方法；3、了解液晶的應(yīng)用和局限。二、實(shí)驗(yàn)原理：液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。一般的液體內(nèi)部分子排列是無(wú)序的，而 液晶既具有液體的流動(dòng)性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的各向異性。當(dāng) 光通過(guò)液晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。 棍的長(zhǎng)度在十幾埃，直徑為46埃，液晶層厚度一般為5-8微米。列方式和天然膽甾（音同淄）相液晶的主要區(qū)別是：扭曲向列的扭曲角是人為可控的，且 “螺距”與兩個(gè)基片的間距和扭曲角有關(guān)。而天然膽

2、甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人 為控制。扭曲向列排列的液晶對(duì)入射光會(huì)有一個(gè)重要的作用，他會(huì)使入射的線偏振光的偏振方向 順著分子的扭曲方向旋轉(zhuǎn)，類似于物質(zhì)的旋光效應(yīng)。在一般條件下旋轉(zhuǎn)的角度（扭曲角）等于 兩基片之間的取向夾角。由于液晶分子的結(jié)構(gòu)特性，其極化率和電導(dǎo)率等都具有各向異性的特點(diǎn)，當(dāng)大量液晶分 子有規(guī)律的排列時(shí)，其總體的電學(xué)和光學(xué)特性，如介電常數(shù)、折射率也將呈現(xiàn)出各向異性的特 點(diǎn)。如果我們對(duì)液晶物質(zhì)施加電場(chǎng)，就可能改變分子排列的規(guī)律。從而使液晶材料的光學(xué)特 性發(fā)生改變，1963年有人發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。這就是液晶的的電光效應(yīng)。為了對(duì)液晶施加電場(chǎng)，我們?cè)趦蓚€(gè)玻璃基片的內(nèi)側(cè)鍍了一層透明電極

3、。我們將這個(gè)由基 片電極、取向膜、液晶和密封結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)叫做液晶盒。當(dāng)我們?cè)谝壕Ш械膬蓚€(gè)電極之間 加上一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)我們來(lái)看一下液晶分子會(huì)發(fā)生什么變化。根據(jù)液晶分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 我們假定液晶分子沒有固定的電極。但可被外電場(chǎng)極化形成一種感生電極矩。這個(gè)感生電極 矩也會(huì)有一個(gè)自己的方向，當(dāng)這個(gè)方向以外電場(chǎng)的方向不同時(shí)，外電場(chǎng)就會(huì)使液晶分子發(fā)生 轉(zhuǎn)動(dòng)，直到各種互相作用力達(dá)到平衡。液晶分子在外電場(chǎng)作用下的變化，也將引起液晶合中 液晶分子的總體排列規(guī)律發(fā)生變化。當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，兩電極之間的液晶分子將會(huì)變成如 圖2中的排列形式。本實(shí)驗(yàn)希望通過(guò)一些基本的觀察和研究，對(duì)液晶材料的光學(xué)性質(zhì)及物理 結(jié)構(gòu)有一

4、個(gè)基本了解。并利用現(xiàn)有的物理知識(shí)進(jìn)入初步的分析和解釋。配而膜這時(shí)，液晶分子對(duì)偏振光的旋光作用將會(huì)減弱或消失。通過(guò)檢偏器，我們可以清晰地觀察到偏振態(tài)的變化。大多數(shù)液晶器件都是這樣工作的玻璃GlassEleclrode.睹框Perimeter SealElectrodeGloss 玻璃圖4液晶光開關(guān)工作原理以上的分析只是對(duì)液晶盒在“開關(guān)”兩種極端狀態(tài)下的情況作了一些初步的分析。若將液晶盒放在兩片平行偏振片之間，其偏振方向與上表面液晶分子取向相同。不加電 壓時(shí)，入射光通過(guò)起偏器形成的線偏振光，經(jīng)過(guò)液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉(zhuǎn)90o, 不能通過(guò)檢偏器；施加電壓后，透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)與施加在液晶盒上電

5、壓大小的關(guān)系見圖5； 其中縱坐標(biāo)為透光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為外加電壓。最大透光強(qiáng)度的10%所對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為 閾值電壓(uth)，標(biāo)志了液晶電光效應(yīng)有可觀察反應(yīng)的開始(或稱起輝)，閾值電壓小，是電光 效應(yīng)好的一個(gè)重要指標(biāo)。最大透光強(qiáng)度的90%對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為飽和電壓(U)，標(biāo)志了 r獲得最大對(duì)比度所需的外加電壓數(shù)值，U/J、則易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對(duì) 顯示壽命有利。對(duì)比度Dr=Imax/Imin，其中Imax為最大觀察（接收）亮度（照度），Imin為最小亮度。 陡度B =Ur/Uth即飽和電壓與閾值電壓之比：圖5液晶電光效應(yīng)關(guān)系圖以上的分析只是對(duì)液晶盒在“開關(guān)”兩種極端狀態(tài)下的

6、情況作了一些初步的分析。而對(duì) 于這兩個(gè)狀態(tài)之間的中間狀態(tài)。我們還沒有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，其實(shí)在這個(gè)中間狀態(tài)，有著極 其豐富多彩的光學(xué)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中我們將會(huì)一一觀察和分析。液晶對(duì)變化的外界電場(chǎng)的響應(yīng)速度是液晶產(chǎn)品的一個(gè)十分重要的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)液晶的 響應(yīng)速度是比較低的。我們用上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間來(lái)衡液晶對(duì)外界驅(qū)動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)速度 情況。定義如圖6所示圖6液晶屏響應(yīng)時(shí)間三、實(shí)驗(yàn)儀器：1、控制機(jī)箱2、液晶電光效應(yīng)光具座架3、激光器4、起偏器5、液晶屏6、檢偏器7、光電池液晶電光效應(yīng)控制機(jī)箱：出由墻檢示波籍1rErt兆電麻 1LB-LDG-A 族晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀璋E浪博料加乂器研究所史化電用1、激光器輸出

7、：輸出連接到激光器上，供應(yīng)半導(dǎo)體激光器電源2、功率：控制激光器亮度，順時(shí)針變亮3、液晶屏輸出：輸出方波信號(hào)給液晶屏4、同步：同步信號(hào)給示波器5、頻率：調(diào)節(jié)方波信號(hào)頻率，順時(shí)針頻率降低6、幅度:調(diào)節(jié)方波信號(hào)的幅值，順時(shí)針幅值增大7、光電接受：接受光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)8、示波器：將接受到的信號(hào)連接到示波器上加以顯示9、驅(qū)動(dòng)電壓表頭：顯示驅(qū)動(dòng)方波的幅值電壓10、光電流表頭：顯示接受到的信號(hào)的電流值11、電源開關(guān)：控制電源四、實(shí)驗(yàn)步驟：rfe11-*L激光器；2,起偏器;3、液晶鴕4.檢偏器；5、光電裝器圖7液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖、液晶電光特性測(cè)量 1、按圖7所示將激光器，起偏器、檢偏器、液晶屏及光電池

8、放置在對(duì)應(yīng)位置，擺好光路。并將激光器、液晶屏及光電池插入機(jī)箱對(duì)應(yīng)插孔內(nèi)。2、調(diào)節(jié)激光器高度使激光器光斑入射到光電池入射孔內(nèi)。3、取掉將起偏器旋轉(zhuǎn)到0,旋轉(zhuǎn)檢偏器使激光光斑變到最暗狀態(tài)，此時(shí)檢偏器角度應(yīng)為 90，將液晶屏重新放入對(duì)應(yīng)插孔，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)光斑變亮。4、打開機(jī)箱電源，調(diào)節(jié)頻率旋鈕，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最小，此時(shí)頻率為最大值，入射到激光器 的光斑無(wú)閃爍現(xiàn)象，幅值電壓表頭及光電流表頭數(shù)字穩(wěn)定。5、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)幅值旋鈕，緩緩增大輸出方波信號(hào)的幅值，觀察光電流表的數(shù)據(jù)，記錄下幅值 對(duì)應(yīng)光電流值，填入表格1并繪制幅值與光電流關(guān)系圖及透過(guò)率與幅值關(guān)系圖（透過(guò)率在幅 值為0時(shí)為100%），求出關(guān)斷電壓及閾值電

9、壓。（注意調(diào)節(jié)幅值過(guò)程中，。2V每次調(diào)節(jié)0.2V， 2V5V每次調(diào)節(jié)0.1V）二、液晶上升時(shí)間、下降時(shí)間測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間1、重復(fù)一實(shí)驗(yàn)的1、2、3部分。2、打開控制箱電源，用Q9線連接示波器下旋鈕到示波器CH1上，將同步連接到示波器的觸 發(fā)源上上，示波器的觸發(fā)源撥到同步信號(hào)對(duì)應(yīng)接口。示波器周期撥到10ms左右，電壓調(diào)到 5mv 檔。3、順時(shí)針調(diào)節(jié)頻率旋鈕，此時(shí)方波驅(qū)動(dòng)的頻率減小、周期增大，可以觀察到光電池接受到 的光斑開始閃爍，隨著周期的增大，可以觀察到光斑閃爍的間隔時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。4、將幅值電壓調(diào)到3V左右，緩緩增大方波周期，知道可以清晰的看到上升沿及下降沿現(xiàn)象。 （調(diào)節(jié)過(guò)程中方波幅值電壓不應(yīng)過(guò)

10、強(qiáng)，否則輸出波形將產(chǎn)生畸變）5、通過(guò)示波器測(cè)量上升時(shí)間及下降時(shí)間，估計(jì)液晶屏的響應(yīng)速度。6、改變信號(hào)的幅值，記錄不同幅值下的響應(yīng)時(shí)間。三、液晶屏視角特性測(cè)量1、重復(fù)一實(shí)驗(yàn)1、2、3、4實(shí)驗(yàn)部分。2、調(diào)節(jié)幅值電壓0V，旋轉(zhuǎn)液晶屏土80，每隔20測(cè)量一次。3、調(diào)節(jié)幅值電壓為2V，重復(fù)上面測(cè)量過(guò)程。五、注意事項(xiàng)拆裝時(shí)只壓液晶盒邊緣，切忌擠壓液晶盒中部；保持液晶盒表面清潔，不能有劃痕； 應(yīng)防止液晶盒受潮，防止受陽(yáng)光直射。驅(qū)動(dòng)電壓不能為直流。切勿直視激光器。液晶樣品受溫度等環(huán)境因素的影響較大，如TN型液晶的閨值電壓在20。20。范 圍內(nèi)漂移達(dá)15%到35%，因此每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定出入為正常情況。也可比較

11、不同溫度下 液晶樣品的電光曲線圖。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幅值電流值透過(guò)率幅值電流值透過(guò)率幅值電流值透過(guò)率00.235100.229100.22910.210.23510.210.2310.20.231.004370.420.2340.995740.40.2310.40.231.004370.580.2340.995740.610.2310.610.231.004370.820.2330.991490.810.2310.80.231.004371.020.2330.9914910.23110.231.004371.210.2330.991491.20.2311.20.231.004371.410.2340

12、.995741.410.2311.40.231.004371.60.2340.995741.590.2311.60.231.004371.830.2340.995741.790.2311.80.231.004372.010.2330.9914920.23120.231.004372.110.2340.995742.190.230.995632.10.231.004372.190.2340.995742.110.2312.20.231.004372.320.2330.991492.30.230.995632.30.231.004372.420.2330.991492.40.2290.995632

13、.40.22912.510.2320.987232.50.2280.995632.50.2280.995632.610.2310.982982.590.2270.991272.60.2270.991272.70.2280.970212.70.2260.982532.70.2260.98692.810.2230.948942.80.2230.969432.80.2230.97382.910.2110.897872.90.2150.93452.90.2150.9388630.1920.8170230.2010.8733630.2010.877733.10.1640.697873.10.1770.7

14、55463.10.1770.772933.20.1290.548943.20.1460.624453.20.1460.637553.310.0930.395743.30.1110.475983.30.1110.484723.410.060.255323.40.080.336243.40.080.349343.50.0380.16173.50.0520.209613.50.0520.227073.60.0220.093623.60.0310.122273.60.0310.135373.70.0120.051063.70.0170.082973.70.0170.074243.80.0060.025

15、533.80.0090.034933.80.0090.03933.90.0030.012773.90.0050.017473.90.0050.0218340.0020.0085140.0030.013140.0030.01314.10.0020.008514.10.0020.008734.10.0020.008734.20.0010.004264.200.004374.2004.30.0010.004264.30.0010.004374.30.0010.004374.40.0010.004264.40.0010.004374.40.0010.004374.50.0010.004264.50.0

16、010.004374.50.0010.004374.610.0010.004264.60.0010.004374.60.0010.004374.7004.70.00104.70.0010.004374.8004.8004.8004.9004.9004.90050050050000.235100.229100.2291七、數(shù)據(jù)處理幅值與光電流值關(guān)系圖幅值與透過(guò)率關(guān)系圖不同角度液晶屏的透過(guò)率BCDEFG角度幅值01234500.2290.2270.2250.1970.0020200.2390.2520.2490.2430.0170.006400.2610.2670.2710.2750.0380.009600.260.2660.2650.2820.040.008800.170.1360.1230.1920.0180.0081000.1260.1670.1620.1660.0190.0071200.2440.2490.2450.2610.0430.007上圖分析三、幅值與透過(guò)率關(guān)系圖知，閾值電壓Uth=2.934V關(guān)斷電壓Uf=3.622V,因?yàn)樯蠄D中，F(xiàn), G兩條線電壓4V，