液晶物性 实验报告

液晶物性
田卫芳
201411142023
（北京师范大学物理系 2014 级）
指导教师：王海燕
实验时间： 2016.10.13
摘要本实验主要观察了液晶的旋光现象、双折射现象、电光效应和衍射现象。

在不加驱动电压的情况下，观测液晶盒的旋光性和双折射效应，并在此基础上测定液晶盒的扭曲角；在对液晶盒增加外电场的情况下，选择常黑模式设计电路，测量升压和降压过程的电光响应曲线；观察液晶盒的衍射现象并估算液晶光栅的周期。

通过对液晶这些现象的观察，了解液晶在外电场作用下的变化，及液晶盒光学性质的变化。

关键词液晶盒，旋光性，双折射效应，电光效应，衍射光栅
1.引言
1888年，奥地利布拉格德国大学的植物生理学家莱尼茨尔在测定有机化合物熔点时，观察到胆甾醇苯酸酯（简称CB）在热熔时的特殊性质。

它在145.5℃（熔点）时熔化成浑浊的液体，温度升到178.5℃（清亮点）后，浑浊的液体会突然变成各向同性的清亮的液体。

在熔点和清亮点之间的温度范围内，CB处于不同于各向同性液体的中介相。

莱尼茨尔将这一现象告诉德国物理学家莱曼。

经过系统研究，莱曼发现物质在中介相具有强烈的各向异性物理特征，同时又具有普通流体那样的流动性。

因此这种中介相被称为液晶相，可以出现液晶相的物质被称为液晶。

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。

本实验学习重点是通过对液晶盒的扭曲角，电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观察分析，了解液晶在外电场的作用下的变化，以及引起的液晶盒光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法。

2. 实验原理
液晶态与普通的物质三态不同，不是所有的物质都具有这种性质。

那些有较大的分子且分子的形状是杆状的物质容易形成液晶。

对由杆状分子形成的液晶，根据分子排列的平移和取向的有序性可以分成三类：近晶相，向列相，胆甾相。

近晶相：分子排成层，层内分子平行排列，既有取向有序性又有重心平移周期性。

向列相：液晶分子保持平行排列状态，但分子重心混乱无序。

胆甾相：分子排列成层，层内分子取向有序，但不同层分子取向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。

图2-1 液晶分子三种不同排列方式
2.1液晶的基本物理性质 2.1.1液晶的介电各向异性
电场对液晶分子的取向作用由极化各向异性决定。

液晶分子没有固定的电极矩，但可以被外电场极化。

由于各向异性，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//α，⊥α。

当一个任意取向的分子被外电场极化时，由于//α和⊥α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。

如果考虑到液晶内各个分子之间的相互作用以及分子与基片表面的作用，旋转将引起类似于弹性恢复力造成的反方向
力矩，使得分子在转动一个角度后不再转动。

因此产生电场对液晶分子的取向作用。

2.1.2液晶的光学各向异性
由于液晶分子结构的各向异性，光在液晶中传播会发生双折射现象，产生寻常光（o 光）和非寻常光（e 光），表现出光学各向异性。

图2-1 液晶引起的偏振光状态变化
由于液晶的双折射效应，可以使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生变化。

如图3所示，在o<z<d 的区域内，液晶长轴按n 方向排列，偏振光振动方向与n 成θ角，入射偏振光在x ，y 方向上的电矢量强度可表示为
⎩⎨⎧==⊥）（）（z k -t cos sin z k -t cos cos 0y
//0x ωθωθE E E E
其中0E 为电场强度，ω为光的角频率，c /k ////ωη=，c /k ⊥⊥=ωη。

可见液晶液晶引入的光程差为c d n n d k /)()k ////ωδ⊥⊥-=-=（，通过液晶的光最后以δ所决定的偏振状态 （圆，椭圆或线偏振）出射。

2.2液晶盒的结构及其旋光性
图2-2-1 扭曲向列相液晶盒
在液晶分子扭曲排列的螺距0p 大大超过光的波长的情况下，若光以平行于
分子轴的方向入射，则随着分子轴的扭曲，将以平行于出射面分子轴的偏振方向射出，若光以垂直于分子轴的偏振方向入射，则以垂直于出射面分子轴的偏振方向射出，当以其他线偏振光的方向入射时，则根据双折射效应带来的附加位相差，以椭圆、圆或直线等形式出射。

通常一束线偏振光通过旋光物质后，其振动面的旋转角度θ与旋光物质的厚度d 成正比，即 d ）（λαθ= 其中，）（λα为旋光本领，又叫旋光率，与入射光的波长有关
2.3液晶的光电效应 2.
3.1电光响应曲线
液晶在外电场作用下，分子取向将发生改变，光通过液晶盒时偏振状态也将发生改变，如果液晶盒后检偏器透光位置不变，系统透光强度将发生改变，透过率与外加电压的关系曲线称为电光响应曲线。

透过率最大值和最小值之比称为对比度或者反差。

电光响应曲线的三个常用参量：
①阈值电压：将透过率为90%时所对应的电压称为阈值电压 ② 饱和电压：将透过率为10%时所对应时的电压称为饱和电压 ③ 阈值锐度：饱和电压和阈值电压之比。

2.3.2液晶的响应时间
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要的时间就是响应时间。

上升沿时间：透过率由最小值升到最大值的90%时所需要的时间 下降沿时间：透过率由最大值降到最大值的10%时所需要的时间
2.3.3液晶衍射
当施加在液晶盒上的低频电压高于某一阈值，带电杂质的运动引起液晶分子的环流，这些小环流小区域导致整个液晶盒中液晶取向的有规则形变，形成折射率的变化，使得通过样品的光聚焦在明暗交替的带上，所称威廉畴。

液晶位相光栅满足一般的光栅方程： λθk asin = a 是光栅常数，θ是衍射角，k=0，⋯⋯±±21，为衍射级次
3. 实验装置
实验仪器：半导体激光器（650mm ）、示波器、液晶盒、液晶驱动电源、激光器电源、激光功率计、光电池、光电二极管探头、偏振片2个、光学导轨、白屏。

下图为实验原理图，激光经过起偏器后成为线偏振光，偏振光经过扭曲向列相液晶后振动方向发生变化，检偏器用来鉴别液晶出射光的偏振态。

激光电源和激光功率计被集成在一个盒子中。

液晶驱动电源同时具有三个功能：（1）为液晶提供峰值为12V 的交流电压；（2）为光电二极管提供12V 的偏置电压；（3）将光电二极管接收到的信号输出值示波器。

图3-1 液晶物性测量实验原理图
4. 实验内容 4.1测量线偏振光
1、调节光路使激光经过起偏器进入探测器光电池。

转动起偏器使激光功率达到最强。

调节完成后线偏振光在整个实验中保持不变。

2、在光电池前放入检偏器，测量实验所用的线偏振光的线偏振度。

4.2 旋光效应和双折射现象的观察
1、先调节检偏器是系统处于消光状态，再在起偏器和检偏器之间放入液晶盒。

不断调节转动检偏器和液晶盒，使系统再次处于消光状态，记录两次出现消光状态检偏器转过的角度。

2、保持第二次消光时检偏器的方位，每间隔30°旋转一次液晶盒，记录光强每一次达到的极大值和极小值时数值。

4.3电光响应曲线
1、将探测器换为响应时间较快的光电二极管，和数字示波器相连。

2、调节函数发生器，参数设置如下：频率为1Hz；功能为线性扫频；波形为三角波。

幅度约为12V。

通过示波器观察调整输入波形，使三角波驱动电压最低点为0，最高点不饱和。

3、选择“常白模式”或“常黑模式”，使用x-y方式观测液晶驱动信号和电光响应曲线，调节液晶盒和检偏器使图形接近磁滞回线，测量阈值电压、饱和电压和阈值锐度；
4、调节三角波频率，观察响应曲线的变化。

4.4电光响应时间
1、将液晶驱动电源的工作方式设置为间歇工作方式，选择液晶的工作模式为“常白模式”或“常黑模式”。

2、使用数字示波器观察液晶的驱动信号和响应信号。

旋转调整液晶盒和检偏器，改变间歇频率和驱动频率，使液晶的响应信号接近方波。

3、测量上升沿和下降沿时间，记录驱动频率和间歇频率。

4.5液晶衍射
1、将液晶驱动电源的工作方式设置为连续工作方式，后面直接放入白屏。

2、衍射斑出现和消失时对应的驱动电压。

3、测量相关数据完成光栅常数的计算。

4、在显微镜下观察液晶盒电压升降过程中的形态变化。

5.实验结果与分析
5.1测量线偏度
，放入液晶盒为L。

未放入液晶盒对应的光的线偏度为L
表5-1 放入液晶盒前后的光强
分析：线偏度数值越大，则越接近于理想线偏振光，初始经过起偏器的出射光线的线偏度数值较大，可近似看作线偏振光。

而放入液晶盒之后的线偏度明显降低，则可以说明线偏振光经过液晶盒后发生双折射现象，使得偏振状态发生改变，通过液晶的光最后以 所决定的偏振状态（圆，椭圆或线偏振）出射。

5.2旋转液晶盒，观察旋光性
表5-2 光强度与液晶转角数据记录
图5-2 对数极坐标图
分析：经过液晶盒的最小输出光强随液晶转角近似成周期性变化，周期大致为90度,即液晶盒旋转90度会依次出现一个极大值和一个极小值，并且相邻极大值与极小值之间液晶盒的转角约为45度。

计算极值处的线偏度可知：在极小值处线偏度较大，可近似看作接近无穷大的线偏振光；而在极大值处线偏度较小，可近似看作椭圆（圆）偏振光。

出现这一现象的原因是，液晶的双折射效应可以使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生变化。

当光以平行或垂直于分子轴的偏振方向入射，则随着分子的扭曲，将以平行或垂直于出射面分子轴的偏振方向射出。

当以其他线偏振光方向入射时，则根据双折射效应带来的附加相位差来决定偏振状态（椭圆、圆或线偏振）出射。

在整个实验过程中通过观察出射光偏振状态随入射光偏振方向与分子轴方向夹角的变化，更加直观地了解液晶双折射效应的机制。

5.3扭曲角
未加液晶盒：消光时检偏器角度：148.5⁰
加入液晶盒：消光时检偏器角度：43.5⁰
则液晶盒扭曲角为105⁰，符合实验说明的100-140⁰范围内。

5.4电光响应曲线
选择“常黑模式”测量电光响应曲线如下图所示：
图5-4-1光电响应曲线（y-t模式）图5-4-2光电响应曲线（x-y模式）
图5-4-3 光电响应曲线（x-y 模式）
分析：观察由示波器导出的实验数据可知：阈值电压Vth=5.8V ，饱和电压Vs=7.4V ， 则阈值锐度β=Vs/Vth=1.276 > 1。

5.5衍射现象观测
缓慢调节电压，观察衍射现象
图5-5-1衍射现象 图5-5-2显微镜下的衍射光栅
反复调节电压，衍射条纹出现的电压范围大致为3.41-6.87V 。

计算光栅常数：
测得白屏距激光器的距离为34cm ，实验所用激光波长为650nm 。

已知公式λθk asin =
表5-5 计算光栅常数
则根据公式最后计算得光栅常数a=18637.80nm。

6.实验结论与反思
结论：实验中更清楚深刻地了解了液晶的双折射效应，测量到实验中用到的液晶盒的扭曲角约为105°；入射光通过液晶盒时，液晶盒转动大致每隔45°出现一次光强极值，呈现出周期性变化，这也是液晶盒双折射效应的体现；实验中观测了液晶响应曲线，根据导出的实验数据，得出阈值电压为5.8V，饱和电压为7.4V，则阈值锐度β为1.276；观察到比较明显的衍射现象，并且在显微镜下看到清晰的光栅，根据公式计算得光栅常数a=18637.80nm。

反思：加强对关键词的认识和理解，实验开始前应该能够熟悉使用示波器，多思考，多动手，此外在本次实验中，由于有响应时间的存在，所以在实验过程中调节旋转角或者电压时应缓慢进行。

参考文献
[1]北京师范大学物理实验教学中心. 近代物理实验讲义[Z]. 北京: 北京师范大学物理学系,2016.
[2]姚启钧. 光学[M]. 北京:高等教育出版社, 2002.。