液晶的電光效應

液晶的電光效應【摘要1120年前，物理學家發(fā)現(xiàn)了液晶，如今液晶顯示器已經(jīng)應用到生活中的很多領域。通過本實驗，我們會發(fā)現(xiàn)液晶在外電場作用下，分子取向變化了，光的通過率與外加電壓的大小有關系。同時看到，液晶改變排列方式是需要一定時間的，即響應時間。液晶具有晶體的光柵特性，運用光學的知識可以測量出液晶的光柵常數(shù)。關鍵詞：液晶電光效應響應時間光柵一：引言1888年，植物學家萊尼茨爾發(fā)現(xiàn)：膽甾醇苯酸酯晶體加熱到145.5€會熔融成混濁液體，繼續(xù)加熱到178.5°C，混濁液體會突然變成各向同性的清亮液體。145.5°C-178.5C范圍內(nèi)，CB處于不同于各向同性液體的中介相。他將這一現(xiàn)象告訴德國物理學家萊曼，經(jīng)過系統(tǒng)研究，萊曼發(fā)現(xiàn)許多有機化合物都出現(xiàn)中介相，物質(zhì)在中介相具有強烈的各向異性物理特征，同時又具有流動性。這種中介相被稱為液晶相。1922年法國的弗里德爾完成了液晶的分類，它被分為近晶相，向列相和膽甾相。30年代到50年代之間，眾多的物理學家對液晶的基本理論，電光磁的各向異性，電光效應等各個領域進行了深入的研究。進入60年代，液晶材料開始進入實用研究階段。本實驗通過對液晶盒的扭曲角，電光相應曲線和相應時間的測量，以及對液晶光柵的觀察和分析，了解液晶在外電場作用下的變化，及其引起的液晶盒的光學性質(zhì)的變化，并掌握對液晶電光效應測量的方法。二：實驗原理液晶可根據(jù)分子排列的平移和取向有序分為三大類： 近晶相，向列相和膽甾相。本實驗采用向列相液晶，它的分子保持平行排列狀態(tài)，但分子重心混亂無序。液晶的電光效應是指液晶在外電場作用下分子的排列狀態(tài)發(fā)生變化，引起液晶盒的光學性質(zhì)隨之變化的電對光的調(diào)制現(xiàn)象。同時由于液晶的雙折射性，液晶盒還可以顯示出旋光性。旋光性液晶材料被封裝在兩個鍍有透明導電薄膜的玻璃基片之間，玻璃表面經(jīng)過特殊處理，液晶分子的排列受表面的影響，這種裝置稱為液晶盒。若上下兩個旋光性成一定角度，基片間液晶分子取向?qū)⒕鶆蚺で?。如圖1中所示的TN型扭曲向列型的液晶盒中，從一個表面到另一個表面，液晶分子剛好旋轉了90C。當線偏振光垂直入射到液晶盒表面時，若偏振方向與液晶盒上表面分子軸取向相同，則線偏振光偏振

方向?qū)㈦S液晶分子軸方向逐漸旋轉（旋光性），出射光偏振方向平行于液晶盒下表面分子軸方向；線偏振光偏振方向轉過的角度叫做液晶盒的扭曲角。若入射線偏振光偏振方向垂直于上表面分子軸方向，出射時，線偏振光偏振方向亦垂直于下表面液晶分子軸。ElectrodeElectrcxJe密框PerimeterSeal醴璃配向膜PolymerGlossElectrodeElectrcxJe密框PerimeterSeal醴璃配向膜PolymerGloss玻璃圖1一般而言，一束線偏振光通過旋光物質(zhì)后，旋轉角度e與旋光物質(zhì)的厚度d成正比，即 e=a（入）d （1）a（入）為旋光本領，又叫旋光率，與入射光的波長有關。2：液晶的電光效應液晶在外電場作用下，分子取向發(fā)生變化，光通過液晶盒時偏振狀態(tài)也發(fā)生變化。如果液晶盒檢偏器透光位置不變，系統(tǒng)透光強度將發(fā)生變化，透過率與外加電壓的關系曲線稱為電光響應曲線，該曲線決定著液晶顯示的特性。爰射光 入射光聶子布

液分排爰射光 入射光聶子布

液分排通電時不通電時通電時以TN液晶顯示為例，起偏器和檢偏器的透光方向分別平行于上下基板。不加電場時,起偏器的偏振方向與上基板液晶分子指向平行，入射光線攝入液晶層后隨著液晶分子的扭曲同步旋轉，到達下基板后，旋轉達到90°C，此時光的偏振方向與檢偏器的偏振方向平行。該線偏振光可以得到亮態(tài)顯示，無電場時為白畫面，稱之為常白模式。液晶盒施加電場后，且電壓大于閾值時，正性向列液晶分子的扭曲結構就會被破壞，變成沿電場方向排列，液晶旋光性消失，偏振片之間的液晶盒失去透光作用,從而得到暗態(tài)顯示。透過率最大值和最小值之比稱為對比度，即C=T/T. (2)maxmin對比度越高，顯示的畫面就更力口靚麗生動。由電光響應曲線，定義三個常用參量：1> 閾值電壓V:透過率為90%時的電壓為閾值電壓。th2> 飽和電壓V:透過率為10%時的電壓為飽和電壓s3> 閾值銳度B:飽和電壓V與閾值電壓V之比稱為閾值銳度。s th3.液晶響應時間施加在液晶上的電壓改變時，液晶改變原排列方式所需要的時間就是響應時間。響應時間作為一個性能參數(shù)，就是液晶由全亮變?yōu)槿?、再由全暗變?yōu)槿恋臅r間,分別用上升沿時間和下降沿時間來衡量。上升沿時間T:透過率由最小值升到最大值的90%時所需的時間。on下降沿時間T:透過率由最大值下降到最小值的10%時所需的時間。off虛驅(qū)動電壓i0就光強0.91°i0就光強0.91°實驗中采用如圖3所示的脈沖電壓為驅(qū)動信號。4.液晶光柵當入射激光強度高于某一閾值時，液晶分子重新排列，導致折射率變化An。激光通過液晶盒后產(chǎn)生附加的位移，形成相位的空間分布，該現(xiàn)象稱為空間相位自由調(diào)制。由此液晶盒內(nèi)形成折射位相光柵，遠場觀察液晶的出射光強時會看到衍射環(huán)。液晶位相光柵滿足方程： dsin0=K入(3)三：實驗內(nèi)容實驗所用儀器：半導體激光器、示波器、液晶盒、液晶驅(qū)動電源、激光器電源、激光功率計、光電池、光電二極管探頭、偏振片2個、光學導軌，白屏。激光器起偏器檢偏器光電池白屏激光電源功率計光電二極管激光器起偏器檢偏器光電池白屏激光電源功率計光電二極管測量液晶的扭曲角和顯示的對比度將光電池放在導軌上，打開激光電源。調(diào)節(jié)起偏器，直到激光強度達到最大值時停止調(diào)節(jié)。打開液晶驅(qū)動電源，置于“連續(xù)”狀態(tài)，電壓控制在12V左右。(4) 旋轉檢偏器和液晶盒，找到最小功率位置，記錄T和檢偏器角度a.min 1(5) 關閉液晶驅(qū)動電源，記錄T。迎著光逆時針方向旋轉檢偏器，找到輸出max功率最小的位置，記下檢偏器角度a2.測量電光響應曲線液晶驅(qū)動電壓置于12v左右，調(diào)節(jié)液晶盒和檢偏器，找到輸出功率最小的位置。逐步降低驅(qū)動電壓直到最小，記錄輸出功率的變化。過程要十分緩慢，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再記錄。逐步升高驅(qū)動電壓，記錄輸出功率的變化。光柵特性光強調(diào)至最大，用白屏觀察衍射情況。分別調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器，觀察衍射斑，總結規(guī)律。取下檢偏器，調(diào)節(jié)液晶驅(qū)動電壓大小，記錄衍射斑出現(xiàn)和消失時的電壓值。調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器，直到白屏上出現(xiàn)清晰的衍射圖像。用刻度尺測量:白屏到檢偏器之間的距離，中央條紋到第5條紋的距離。測量響應時間檢偏器后換上二級管，接好電源。液晶驅(qū)動置于12V。旋轉檢偏器和液晶盒，找到輸出功率最小的位置。(3) 將示波器的Y1通道信號線與液晶驅(qū)動信號相連，Y1做觸發(fā)。Y2通道上的示波器表筆與光探頭相連(地線與12V的地相迮，掛鉤掛在探頭線路扳的掛環(huán)上)。打開示波器電源，功能置于雙蹤顯示，Y1觸發(fā)。打開液晶驅(qū)動電源，將功能按鍵置于連續(xù)狀態(tài)，驅(qū)動電壓調(diào)整到12V，觀察示波器上Y1通道的波形。將功能按鍵置間隙狀態(tài)，仔細調(diào)整頻率旋鈕，使示波器上出現(xiàn)前面圖3中所示波形。(7) 示波器上測量上升沿時間和下降沿時間。改變間歇頻率，測量三組數(shù)值。

四：實驗數(shù)據(jù)處理與實驗結果。1扭曲角與對比度a1a2TminTmax角度C9.0132.04.0332123837.0133.54.1302126.575扭曲角平均值為124.75度，對比度平均值79.兩組數(shù)據(jù)差異偏大，讀數(shù)時室內(nèi)光線偏暗，或者調(diào)節(jié)儀器時找到極值位置不準確。電光效應曲線升壓降壓電壓透過率電壓透過率0111.930.0150380.0519.60.024061.51&720.036842217.510.0635342.516.360.0789472.6915.610.0919175.710.998455.440.135156.040.9891345.330.5902266.390.0784685.240.751886.530.0686615.1217.670.052158319.520.03248621作出圖像:

電光效應曲線+升壓曲線電光效應曲線+升壓曲線亠降壓曲線外加電壓由圖像可得：降壓過程，閾值電壓為3.2V，飽和電壓4.8V,閾值銳度為1.5。升壓過程，閾值電壓為6.2V，飽和電壓6.4V,閾值銳度為1.03。分析可得，升降壓過程中的閾值電壓，飽和電壓差異很大，閾值銳度也不相同。降壓過程中，液晶響應時間短，曲線穩(wěn)定科學，升壓過程中，反映時間長，曲線出現(xiàn)驟變的現(xiàn)象，不利于數(shù)據(jù)的測量。光柵特性⑴衍射斑的變化：調(diào)節(jié)檢偏器，衍射斑亮暗變化不同步，依次亮暗交替變化。調(diào)節(jié)起偏器，衍射斑隨著起偏器而旋轉，條紋亮暗變化同步。（2）計算d：乂=6.5；L2=3.8cm；STL2/（Li2+L22）1/2=0.5287d*sin6=5*入（入=650nm）則d=6.15pm測量響應時間間歇頻率TonToffT=T+Ton offF110.0ms6.0ms16msF211.0ms5.0ms16msF311.2ms4.8ms16ms由此可見，改變間歇頻率（F<f<F），上升沿時間變大，下降沿時間變短,但響應總時間不發(fā)生變化，間歇頻率的改變對于響應時間沒有影響。五.結論與建議。通過實驗得出，該液晶盒的扭曲角是124.75度，對比度是79.光柵常熟是6.15|1m。閾值電壓為3.2V,飽和電壓4.8V,閾值銳度為1.5。液晶的響應時間彳很短，是ms級的，上升沿時間明顯大于