胆甾相液晶的光学性质

•一、胆甾相液晶的光学性质

胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。

（1）选择性反射

有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。

一级反射光的波长为：

λ=2nPsinφ

其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为

入射波与液晶表面的夹角。

（2）旋光效应

在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。

（3）圆二色性

圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。

二、胆甾相液晶的电光效应

液晶的电光效应很多，由于本文主要研究胆甾相液晶，所以下面仅介绍几种常见的胆甾相电光效应。

（1）退螺旋效应

对于介电各向异性>0的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。

（2）方格栅效应

当对液晶施加电场时，所施加的电场还未达到退螺旋效应的阈值之前，会出现另一种形式的畸变，即胆甾相的层面出现周期起伏，且在两个相互垂直的方向上叠加出现，从而可以观察到方格栅图案，这种效应一般在螺距比较大时出现。（3）记忆效应

记忆效应也被称为存储效应（Storage effect），胆甾相液晶的记忆效应最早由Heilmeier和Goldmacher发现。当对某些处于平面织构的胆甾相液晶施加一个低频电场时，液晶会发生动态散射，处于焦锥织构，呈现牛奶一样的乳白色，关掉电场乳白色将继续保持一段时间，几天甚至几年；对处于焦锥织构的液晶再施加一个高频电场，液晶会立刻变成透明，处于平面织构，关掉电场，透明状态也将继续保持,这也称为双稳态。

三、胆甾相液晶的织构

胆甾液晶表现出的各种性质取决于给它所施加的电压和表面取向层。当把胆甾液晶装在液晶盒内，一般来说会呈现平面织构、焦锥态织构和场致向列相三种状态。平面织构和焦锥态织构，它们具有螺旋结构，并且都能在零场的条件下存在。如在液晶上加上足够高的电压：

其中：V是所加电压，Vc是阈值电压，h是样品厚度，K2是扭曲弹性系数，P0是胆甾相的螺距。液晶将变化到场致向列相织构，螺旋结构就不存在了。

（1）平面织构

平面态（planar state 或planar texture）是在液晶盒中，螺旋轴方向平均而言垂直于基板表面，而液晶分子的指向失踪是垂直于螺旋轴，平行于基板表面，

2）焦锥织构

焦锥态（focal conic state）同平面态一样，也有其固有的扭曲螺旋距，但是在液晶盒中，液晶分子处于一种多畴（Polydomain）状态，在每一个畴内，螺旋结构仍然存在，但不同畴的螺旋轴在空间的取向杂乱无章。不同畴的螺旋轴具有不同的指向便形成了焦锥织构，这种织构由于折射率在畴边界上的不连续变化而表现出强烈的光散射，。焦锥织构还有一种螺旋轴平行于玻璃基板的特殊排列的情况，这种织构在偏光显微镜下看起来像指纹，因此命名为指纹织构，其结构图如图。我们可以看到从偏光显微镜下所观察到的液晶盒中的焦锥织构和指纹织构的实际形貌

3）场致向列相织构

场致向列相（field-induced nematic state 或homeotropic texture）只有在液晶盒处在外电场中才能看见，这种状态是没有扭转，螺旋轴被解旋，而液晶分子的指向是都垂直于基板表面，