液晶的电光效应

液晶的电光效应
摘要：本实验中我们主要研究液晶的物理性质如旋光性电光效应等。

我们在实验中分别测量液晶盒的扭曲角及显示对比度、电光响应曲线及响应时间，观察分析液晶光栅。

我们通过这些来了解液晶在外电场作用下的变化及其引起的液晶光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法，最后还用白光光源观察了衍射特性。

关键词：液晶电光效应、响应时间、液晶光栅 1、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。

2、 理论 （1）、液晶的定义及分类
1、一些物体在中介相中具有强烈的各向异性，同时又有类似于液体的流动性。

2、液晶根据分子排列和平移的取向有序性分为3类：近晶相、向列相、胆甾相。

（2）、液晶的基本物理性质：
1、液晶的介电各项异性——这是电场对液晶分子的取向作用产生的。

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 与 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。

对于自由分子，如果 > 则分子旋转至长轴与E 重合；如果 < 则长轴与E 垂直。

2、液晶的光学各向异性——双折射效应。

光在液晶中传播会产生寻常光与非寻常光，表现出光学的各项异性。

如果非寻常光的折射率大于寻常光的折射率，则寻常光的传播速度大表现为正光性反之则为负光性。

（3）、液晶的电光效应： 1、旋光性
如果液晶盒的上下基片成一定的角度，则两者间的分子取向将均匀扭曲。

一般振动面的旋光角度与旋光物质的厚度成正比，即()d θαλ=，()αλ为旋光本领
2、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
max min /C T T =
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。

α α⊥
α
α⊥α α⊥α α⊥
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1：液晶的电光相应曲线
3、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
在测量响应时间时，一般采用驱动信号。

其处于开态时，液晶处于暗态；其处于关态时，液晶处于亮态。

当驱动信号处于高电平（开态）时，叠加一高频脉冲信号来避免直流电驱动带来的液晶寿命下降问题。

图2：液晶响应时间
4、液晶光栅
空间自相位调制使液晶盒内形成折射率位相光栅，在远场便可观察到衍射环。

衍射环的
数目与液晶材料的双折射率有关。

近似为n
N h λ
∆≈
，液晶相位光栅满足一般的光栅方程：
sin d k θλ=
其中：d 为光栅常数，θ 为衍射角，k= 0,1,2±±…为衍射级次。

3、实验内容
实验原理图如下：
如图，激光经起偏器后成为线偏振光,它经过扭曲向列相液晶后方向发生变化,并用检偏器检测其偏振态。

在测试液晶相应时间时用光电二级管探头，除此之外皆用光电池接受液晶的输出信号。

用白屏观察液晶光栅的衍射情况。

1、 测量液晶衍射角和显示对比度 （1）、如图3搭光路，打开激光电源；旋转起偏器，是通过起偏器的激光最强； （2）、打开液晶驱动电源，功能键至于“连续”，并将驱动电压调到12V ；
（3）、旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置，记下最小功率min T 和此时检偏器的角度； （4）、关闭液晶驱动电源，记下此时功率 。

迎着光逆着光旋转检偏器，找到功率最小的位置，记下此时检偏器的角度。

2、 测量电光相应曲线 （1）、选择“常黑”模式，将电压从12V 缓慢往下调，测量此时的电光相应曲线，注意在迅变处一定要逐步缓慢往下调，至少在迅速下降过程中有2~3个测量点。

而且，光电池接受反应时间比较慢，要等到示数稳定，至少5秒后才读数。

（2）、将电压从最小往上调，同步骤（1）； （3）、分别画出降压和升压过程中的电光相应曲线，求出阈值电压、饱和电压、阈值锐度，比较两者的异同，分析其原因。

3、测量相应时间 （1）、旋转检偏器和液晶盒，找到系统功率最小的位置； （2）、将光电池替换为光电二级管，接好12V 电源，并将液晶驱动电源调为12V ； （3）、将示波器表笔的钩形接头挂在光电二级管探头线路板探头挂环上，另一端与电源接地，用示波器观察液晶的驱动信号和相应信号；
max T
（4）、将驱动电源置于“间歇”，改变间歇频率和驱动频率，观察驱动信号的液晶响应信号的变化。

设计3个间歇频率，测量这三个不同频率下的上升沿时间 和下降沿时间off T 。

4、光栅特性 （1）、将光强调至最大，取下光电二级管换上白屏，用白屏观察衍射情况； （2）、分别调节检偏器和起偏器，观察衍射斑的变化情况，总结规律； （3）、取下检偏器，测量阈值电压（衍射斑开始出现）和最大电压（衍射斑消失）； （4）、测量液晶光栅常数，计算当衍射级次为5时的双折射率。

5、用白光光源观察衍射特性。

将激光器换为白光光源，适当调节光具间的距离，使白屏上可以观察到明显的衍射光斑，分别调节起偏器检偏器和液晶盒，观察衍射光斑的变化情况。

4、 实验结果与分析
1、 测量液晶衍射角和显示对比度
由上表可以得知：扭曲角为119
，显示对比度为300，可见液晶能使偏振光旋转119
，这个角度与液晶本身的旋光本领和厚度有关。

而显示对比度越高则显示的画面就越生动亮丽，显示器的质量也就越好。

2、 测量电光相应曲线
由于这升压、降压两种情境下的数据都计了40~50组左右，为了节省空间，在这里只截取迅变段的15组数据作为代表如下：（作图时必须用到整段的数据画图）
on T
相同处：两条曲线的大致趋势一致，均是在两端变化非常缓慢，在一个小范围内迅速递增（递减）。

不同处：升压与降压的响应曲线并不重合日。

升压时递增较缓一些，迅变点大概在5V 附近，比降压情况要小，且降压时阈值锐度较大。

可能原因：若将两条线重叠可以得到一近似于磁滞回线的图形，这可能是电压的滞后效应造成的。

或者说是，液晶响应曲线与液晶之前所处的状况有关。

3、 测量相应时间
（1）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。

（2）响应时间的测量
4、 光栅特性 （1）、光栅的衍射特性规律：可以看到明暗相间的衍射条纹，中央为一亮斑，周围较暗，但并没有形成圆形，只是某个方向上有衍射条纹，说明其为偏振光产生的。

调节检偏器，光斑逐渐变暗，条纹逐渐消失；达到一定角度后又开始变亮，如此交替。

调节起偏器，其现象与调节检偏器类似。

（3）计算液晶光栅常数
如图，可以测量到屏的距离h 和级次为5的r ，可以求得sin θ=6/12.09
根据公式sin d k θλ=，可得到d=6
6.5510-⨯
（4）计算双折射率 根据公式n
N h λ
∆≈
得：
/5650/7n N h nm m λμ∆==⨯=0.464
选做:
5、 用白光光源观察衍射特性
白光光源的衍射规律：中心是一个较亮的白色光斑，为衍射中央极大， 周围是彩色的圆形衍射条纹，但亮度并不均匀,外侧的各级亮环强度下降得很快，而且各个彩色圆环并不重叠。

旋转起偏器，发现某一方向的彩色光环亮度逐渐减弱（并不十分明显），中间白光
及其他方向的光环亮度略有增强，继续旋转又交替减弱增强重复。

可能原因：白光是复色光，其各种颜色光的折射率并不相同，所以产生的衍射圆形条纹的宽度与波长相关，但中间各色光重叠认为白色光斑，且最亮。

又由于不同波长的光通过同一液晶盒所旋转的角度不同，即旋光色散，所以通过起偏器后的线偏振白光在通过液晶盒以后，偏振方向便不一致，液晶光栅产生的衍射条纹方向也就不一致了。

旋转起偏器，改变了线偏振光的偏振方向，所以产生的衍射条纹的方向也会随之改变，于是看到了某方向上的光环亮度的变化。

结论
通过本次实验，我们研究液晶的物理特性，如衍射特性、电光响应特性。

通过实验得到液晶盒的扭曲角及显示对比度，绘制出电光响应曲线，并观察液晶光栅和白光的衍射现象。

从实验过程中学习光学实验的基本方法和技巧。

参考文献
[1]、熊俊. 近代物理实验. 北京师范大学出版社2007
[2]、姚启钧.光学教程（第三版）.高等教育出版社2006。