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 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。