液晶的电光特性论文

液晶的电光特性

摘要：液晶分子每一层内的分子取向基本一致，相邻层分子的取向逐渐转动一个角度，本

实验通过测量透射激光功率取最大值和最小值时检偏器转过的角度来得出液晶的扭曲角；

测量液晶在通电和不通电情况下透过激光的功率得出对比度；改变驱动电压，使电压从低

到高，记下光功率与电压之间的关系，得出液晶的电光效应曲线；测量衍射激光的主条纹

与次级条纹的距离和液晶合和成像板之间的距离；。了解液晶光开关构成图像矩阵的方

法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般

液晶显示器件的工作原理。

Abstract: the molecular orientation of liquid crystal molecules within each layer, a rotary Angle of molecular orientation of the adjacent layer gradually, this experiment by measuring transmission when laser power is the maximum and minimum deviation detector turned to draw liquid crystal distortion Angle; Measurement of liquid crystal in electricity and without electricity through laser power draw contrast; Change the driving voltage, voltage from low to high, down light power and voltage, the relationship between the draw liquid crystal electro-optic effect curve; Measuring diffraction stripe of Lord of the laser stripe and secondary distance and the distance between the LCD and imaging plate; . Understanding of liquid crystal optical switch structure image matrix, the method of learning and mastering the matrix composed of liquid crystal display text and graphics display mode, so as to understand the general working principle of liquid crystal display device.

关键词：电光效应旋光作用扭曲角对比度偏振态

Keywords: electro-optic the role of optical twist angle contrast polarization state

液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。液晶既具有液体的流动性，其分子又按一

定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折

射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外

电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应

实验目的

1、学习测量液晶扭曲角，对比度c=Tmin/Tmax，动态范围DR=10logc(dB)，上升沿时间T1

与下降时间T2

2、通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸

3、观察测量衍射斑的偏振状态

实验原理

液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质（材料），它是在1888年内奥地利植物学家首先发现的。在我们的日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前人们发现、合成的液晶材料已近十万种之多，有使用价值的也有4-5千种。随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发展，以及市场的巨大需求。人们对它的研究也进入了一个空前的状态。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。

大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。根据排列的方式不同，液晶一般被分为三大类1）近晶相液晶，结构大致如图1

图1 图2 图3

这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。且垂直或倾斜于层面。2、向列相液晶，结构如图2。这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。3、胆甾相液晶，结构大致如图3。分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一种螺旋结构。

以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征，当我们对这些液晶施加外界影响时，他们的状态将会发生改变，从而表现出不同的物理光学特性。

下面我们以最常用的向列液晶为例，分析了解它在外界人为作用下的一些特性和特点。

我们在使用液晶的时候往往会将液晶材料夹在两个玻璃基片之间，并对四周进行密封。为了我们的使用目的，将会对基片的内表面进行适当的处理，以便影响液晶分子的排列。这里介绍相关的三个处理步骤。1、涂覆取向膜，在基片表面形成一种膜。2、摩擦取向，用棉花或绒布按一个方向摩擦取向膜。3、涂覆接触剂。经过这三个步骤后，就可以控制紧靠基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我们使上下两个基片的取向成一定角度，则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。如图4的情况(取向成90度)。

即每一层内的分子取向基本一致，且平行于层面。相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。从而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。这种排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。

扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。

由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。

为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶合。当我们在液晶合的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图5中的排列形式。

图4 图5

这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。

以上的分析只是对液晶合在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。

而对于这两个状态之间的中间状态。我们还没有一个清晰的认识，其实在这个中间状态，有着极其丰富多彩的光学现象。在实验中我们将会一一观察和分析。

液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般来说液晶的响

应速度是比较低的。我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度

情况。定义如下

驱动信号

90% T1 T2

10%

响应

实验内容

1、扭转角的侧量。

2、对比度c=Tmin/Tmax的测量。动态范围DR=10logc(dB)。

3、上升时间T1与下降时间T2的测量。

4、通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸。

5、观察测量衍射斑的偏振状态。

实验步骤

一液晶扭曲角的测量

按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶合、偏振片（检偏器）、功率计探头的顺序，在导

轨摆好光路。连接各种设备之间的导线。

半导体激光器起偏器

检偏器功率计探头

液晶合

导轨滑块

光学实验导轨

1、打开激光器，仔细调整各个光学元件的高度和激光器的方向，尽量使激光从光学元件的中心穿过，进入功率计探头。

2、旋转起偏器，使通过起偏器的激光最强。

3、打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续状态。驱动电压调整到12V。

4、旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度）。

5、关闭液晶驱动电源，此时系统通光情况将发生变化，再次调整检偏器位置，找到系统通光功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度）。

步骤5与6之间的角度位置差，就是该液晶合在该波长下的扭曲角。

二对比度

1、重复上一实验的1、

2、

3、4步，记下最小功率值。为Tmin。

2、关闭液晶驱动电源，记下此时的系统输出功率。为Tmax。

3、对比度C=Tmin/Tmax，动态范围DR=10logc(dB)。

三上升沿时间T1 与下降沿时间T2的测量

1、重复实验一的1、

2、

3、4步。

2、旋转检偏器和液晶合，找到系统输出功率较小的位置。

3、用光探头换下功率计探头，连接好12V电源线（红为+，黑为-，红对红，黑对黑）。

将示波器的CH1通道用信号线与液晶驱动信号相连，CH1做触发。CH2通道上的示波器表笔与光电二极管探头相连（地线与12V的地相连，挂钩挂在探头线路扳的挂环上）。

4、打开示波器电源，功能置于双综显示，CH1触发。

5、观察示波器上的CH1通道波形。了解液晶驱动电源的工作条件。

6、将功能按键置于间歇状态，调整间歇频率旋钮，观察系统输出光的变化情况，和示波器上波形的情况，体会液晶电源的工作原理。

7、根据定义，在示波器上测量上升沿时间和下降沿时间。

四通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸

1、取下实验一中的检偏器和功率计探头。

2、打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续，将驱动电压置于6V左右，等待几分钟，用白屏观察液晶合后光斑的变化情况。应可观察到类似光栅衍射的现象。

3、仔细调整驱动电压和液晶合角度，使衍射效果最佳。

4、用尺子量出衍射角，用光栅公式求出这个液晶“光栅”的光栅常数。

五观察测量衍射斑的偏振状态。

1、重复实验4的1、

2、3步。

2、紧靠液晶合放置检偏器。

3、用白屏观察检偏器后衍射斑。

4、旋转检偏器，观察各衍射斑的变化情况，指出其变化规律。

六液晶的电光效应曲线。

1、重复实验一中的1、

2、

3、4步。

2、旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置。

3、缓慢调节驱动电压旋钮，使驱动电压降低，记录下电压与光功率的关系。

可每0.5V记录一次通光功率，注意：液晶的变化会非常缓慢，每次调整完电压后，要等光功率基本稳定后，再做记录。

4、电压调到最低后，可反向再做一次该实验。即使电压从低向高缓慢变化，记录下相关数据。比较两次实验数据、曲线的不同。

实验数据

1）光功率最大时，检偏器角度1＝97° ；光功率最小时，检偏器角度2＝39°；扭转角

2）驱动电压为12V时光功率最大值T max＝1.53mv；光功率最小值T min＝0.09mv；对比度C=T min/ T max=0.09/1.53=0.058

3)液晶的旋光效应曲线

实验数据表 电压V/mv 电功率T/2mw 电压V/mv 电功率T/2mw 电压V/mv 电功率T/2mw 电压V/mv 电功率T/2mw 电压V/mv 电功率

T/2mw

2.58

0.11 6.72 0.17 7.88 0.46 10.26 1.36 12.32 1.7 2.93

0.11 6.79 0.17 8.16 0.5 10.79 1.58 12.37 1.7 3.29

0.11 7.12 0.2 8.66 0.56 11.09 1.63 12.5 1.7 4.01

0.11 7.43 0.25 8.88 0.8 11.38 1.65 12.6 1.7

5.3

0.11 7.5 0.27 9.28 0.97 11.53 1.66 5.46

0.11 7.62 0.3 9.57 0.97 11.96 1.68 6.23

0.13 7.85 0.34 9.79 1.24 12.03 1.68

旋光效应曲线 0

0.5

1

1.5

2

2.58

3.29

5.3

6.23

6.72

7.12

7.5

7.85

8.16

8.88

9.57

10.3

11.1

11.512

12.4

12.6

4)主条纹与相邻次条纹之间的距离d＝4.502cm；液晶盒与接受光板之间的距离l＝85.71cm－54.90cm=29.81cm;

误差分析：

1）各个光学仪器的主轴不在一条直线上可能导致功率接受器的读数有误差；

2）激光在投射过程中存在衰减可能导致光功率测量值不准；

3）在实验过程中，驱动电压不稳定，可能存在电压还没有完全稳定就读数的情况；

4）在测量主条纹与相邻次条纹之间的距离难以准确找到主条纹中心，可能存在一定误差值。

总结与提高

在做类似的光学实验的时候，一定要注意把各个光学仪器的光轴调整到一条直线上，要使激光器发射的激光能彻底被功率计探头接受到，否则会导致测得的数据不精确，调节检偏器和起偏器上的角度时要缓慢调节，等到光功率仪器的读数稳定之后再读数。

在使用液晶驱动电源和功率计时一定要先调零，以保证读数的准确；其次要根据数据的大小来选择仪器的量程，量程太小可能导致读数变化太频繁，量程太大，数据改变不明显；再者，一定要保证在读数稳定之后再读数，在实验过程中可能出现随着电压的增大，功率计的示数反而减小的情况，那是因为功率计和液晶驱动电源都还没有稳定。

误差分为系统源误差和随机误差，系统误差很难避免，我们能做是减小随机误差。在这个实验中我们可以采取多次测量检偏器和液晶盒的角度来减少随机误差，多次测量可以让数据接近真值，以4～6次为最佳；在用功率计读数时，在示数偏小的情况下，可以选择小量程来测量，这样也可以减少读数上的误差，调节电压的过程一定要力求缓慢，因为仪器存在反应时间，太快的话仪器可能来不及反应。

改进意见及创新见解

在对液晶有了以上了解后，在老师的指导下对该实验装置有了一定了解，该装置主要由激光发射器、液晶盒、激光接收器、光功率计、稳压电源等部分组成。激光产生的单色性极强的光束通过液晶盒射到激光接收器上，通过光功率计测出透射光功率，与入射光功率进行比较，可以得到很多液晶的物理信息，例如阈值电压、关断电压、上升时间、下降时间、视角特性等一系列参数。激光输出功率的稳定性对该装置的灵敏度有较大影响，而激

光束出光功率的稳定性与其供电稳压电源有很大关系，因此供电稳压电源要足够稳定，可以通过三端稳压器件和数字稳压芯片达到要求。光功率计的接收器可以用高灵敏度的光敏元件。

接下来我在网上和图书馆查了一些相关资料，了解了现在普遍应用的液晶实验装置的结构，并分析了它们的优缺点，最终采用了一体化的装置结构，这样不仅是系统的稳定性有所提高，同时还大大降低了操作的复杂性，不论是用于分析还是用于学生实验都很方便和精确。下图是该装置的结构图：

上图为侧视图下图为俯视图

激光发射器可以利用半导体激光发射二极管，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，输出功率也可满足。液晶转盘可以是激光与液晶盒法线成任意角，液晶开关矩阵可以更直观的使学生了解液晶的显示原理，该装置比一般导轨装置体积小、重量轻、装盘可经特别设计（可细调）；用框架结构固定液晶样品，牢固美观，采用接线柱方式给样品通电，方

便安全；所用装置配件均为光学通用配件（含常用光功率计），除可做液晶电光效

应实验外，还可用于光偏振等光学实验或用于测定半导体激光器工作电流与

出射光强的关系。

参考文献

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2.史萌，吴福全，赵爽等．扭曲向列相液晶在复合消色差延迟器件中的应用 [J]．激光技术，2006，30 (3)：280．

3.谢毓章．液晶物理学 [M]．北京：科学出版社，1988．82．

4. ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合实验仪使用说明书

5.张旭涛曾显峰主编.单片机原理及应用 [M]．北京理工大学出版社，2009.