液晶物性實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)日期：2015年11月23日近代物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：熊昌民液晶物性試驗(yàn)姓名：李首卿 學(xué)號(hào)：201311141049【摘要】本實(shí)驗(yàn)對(duì)液晶旋光現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象的觀察以及電光響應(yīng)曲線、反應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，加深了我們對(duì)液晶的介電各向異性、光學(xué)各向異性以及旋光性這三大獨(dú)特性質(zhì)的理解，了解了液晶在外電場(chǎng)作用下的變化，及其引起的液晶盒的光學(xué)性質(zhì)的變化。關(guān)鍵詞： 液晶 介電各向異性 光學(xué)各向異性 旋光效應(yīng)一、 引言當(dāng)物質(zhì)處于液晶相的狀態(tài)下，它具有強(qiáng)烈的各向異性物理特征，同時(shí)又像普通流體那樣具有流動(dòng)性，這些可以出現(xiàn)液晶相的物質(zhì)被稱為液晶。從1888年奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾第一次發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)30年代到

2、50年代之間對(duì)液晶物性研究的鼎盛時(shí)期，到60年代后步入實(shí)用研究階段。不到八十年的時(shí)間，液晶已經(jīng)融入了我們生活的方方面面，它深刻地改變了人類的生活，對(duì)人類產(chǎn)生了巨大的影響。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、 液晶相：只有那些具有大分子且分子為桿狀或碟形的物質(zhì)才更容易具有液晶態(tài)。由桿形分子形成的液晶，其液晶相可根據(jù)分子排列的評(píng)議和取向有序性分為三大類：近晶相、向列相和膽甾相；2、 介電各向異性：它是液晶分子在電場(chǎng)中行為的主要參數(shù)。為液晶平行于分子取向的介電常數(shù)，為液晶垂直于分子取向的介電常數(shù)。介電各向異性可用=-表示，0為正性液晶，0則為負(fù)性液晶。正性代表液晶分子沿場(chǎng)的方向排列，負(fù)性則代表垂直于場(chǎng)。電場(chǎng)對(duì)液晶分子

3、的取向作用由極化各向異性決定。由于分子長(zhǎng)軸和分子短軸的極化率并不相同，外加電場(chǎng)后分子將發(fā)生旋轉(zhuǎn)直至電場(chǎng)方向與長(zhǎng)軸方向平行或與長(zhǎng)軸方向垂直為止。我們?cè)倏紤]到液晶內(nèi)各個(gè)分子之間的相互作用以及分子與基片表面的作用，上述旋轉(zhuǎn)將引起類似與彈性恢復(fù)力造成的反向力矩，使分子在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度之后不再轉(zhuǎn)動(dòng); 3、 光學(xué)各向異性：由于液晶分子結(jié)構(gòu)的各向異性，光在液晶中傳播會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生尋常光和非尋常光，表現(xiàn)出光學(xué)各向異性。也正是由于液晶的雙折射效應(yīng)，可以使入射光的偏振光狀態(tài)和偏振光方向發(fā)生變化。我們可以知道液晶引入的光程差為=n-nd/c，通過(guò)液晶的光最后以光程差決定它的偏振狀態(tài);4、 旋光性：在液晶分子扭曲

4、排列的螺距遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光的波長(zhǎng)情況下，若光以平行于入射面分子軸的偏振方向入射，則隨著分子軸的扭轉(zhuǎn)，它將以平行于出射面分子軸的偏振方向射出；若光以垂直于入射面分子軸的偏振方向入射，則以垂直于出射面分子軸的方向射出；當(dāng)光以其他線偏振光的方向入射時(shí)，則根據(jù)雙折射效應(yīng)帶來(lái)的附加相位差，將以橢圓、圓或直線等形式出射。液晶盒最重要的特點(diǎn)就是滿足摩根條件：液晶分子扭矩和雙折射率的乘積遠(yuǎn)大與入射光波長(zhǎng)的一半；5、 電光效應(yīng)：液晶在外電場(chǎng)的作用下，分子之間的取向?qū)l(fā)生變化，光通過(guò)液晶盒時(shí)偏振狀態(tài)也將發(fā)生變化，如果液晶盒后檢偏器的透光方向不發(fā)生變化，那么系統(tǒng)的透光強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生變化。透過(guò)率和外加電壓的關(guān)系曲線為電光響應(yīng)

5、曲線，決定了液晶顯示的特性。我們將透過(guò)率的最大值和最小值之比稱作對(duì)比度亦稱反差即 C=Tmax/Tmin (1)對(duì)比度越高，顯示的畫面就更加生動(dòng)，對(duì)比度影響液晶顯示質(zhì)量。為了更好地描述響應(yīng)曲線我們定義了以下三個(gè)常量1) 閾值電壓：將透過(guò)率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為閾值電壓；2) 飽和電壓：將透過(guò)率為10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為飽和電壓；3) 閾值銳度：飽和電壓和閾值電壓之比稱作閾值銳度；6、 響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)施加在液晶上的電壓改變時(shí)，液晶改變?cè)帕蟹绞剿枰臅r(shí)間就是響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是液晶一個(gè)性能參數(shù)，我們有以下兩個(gè)定義1) 上升沿時(shí)間：透過(guò)率由最小值升到最大值的90%時(shí)所需要的時(shí)間；2) 下降沿時(shí)

6、間：透過(guò)率由最大值降到最大值的10%時(shí)所需要的時(shí)間；7、 液晶衍射：施加在液晶和的低頻電壓高于某一閾值時(shí)，帶電雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起液晶分子的環(huán)流，這些環(huán)流小區(qū)域?qū)е抡麄€(gè)液晶盒中液晶取向規(guī)則的形變，形成折射率周期的變化，使得通過(guò)樣品的光聚焦在明暗交替的帶上，液晶相位光柵滿足一般的光柵方程asin=k k=0,1,2 (2)其中，a是光柵常數(shù)，是衍射角，k是衍射級(jí)次。三、 實(shí)驗(yàn)儀器半導(dǎo)體激光器、數(shù)字示波器、液晶盒、液晶驅(qū)動(dòng)電源、激光器電源、激光功率計(jì)、光電池、光電二極管探頭、起偏器、檢偏器、光學(xué)導(dǎo)軌、白屏。激光經(jīng)過(guò)起偏器后成為線偏振光，偏振光經(jīng)過(guò)液晶盒后震動(dòng)方向發(fā)生變化，檢偏器用來(lái)鑒別液晶出射光的偏振態(tài)。

7、白屏用于觀察液晶光柵的衍射情況。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 測(cè)量線偏振光1) 調(diào)節(jié)光路使激光經(jīng)過(guò)起偏器進(jìn)入探測(cè)器光電池。轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器使激光功率達(dá)到最強(qiáng)。調(diào)節(jié)完成后線偏振光在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中保持不變；2) 在光電池前放入檢偏器，測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用的線偏振光的線偏振度。2、 旋光效應(yīng)和雙折射現(xiàn)象的觀察1) 先調(diào)節(jié)檢偏器是系統(tǒng)處于消光狀態(tài)，再在起偏器和檢偏器之間放入液晶盒。不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器和液晶盒，使系統(tǒng)再次處于消光狀態(tài)，記錄兩次出現(xiàn)消光狀態(tài)檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度；2) 保持第二次消光時(shí)檢偏器的方位，每間隔30旋轉(zhuǎn)一次液晶盒，記錄光強(qiáng)每一次達(dá)到的極大值和極小值時(shí)數(shù)值。 3、 電光響應(yīng)曲線1) 將探測(cè)器換為響應(yīng)時(shí)間較快的光電二

8、極管，和數(shù)字示波器相連；2) 調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)設(shè)置如下：頻率為1Hz；功能為線性掃頻；波形為三角波；幅度約為12V。通過(guò)示波器觀察調(diào)整輸入波形，使三角波驅(qū)動(dòng)電壓最低點(diǎn)為0，最高點(diǎn)不飽和；3) 選擇“常白模式”，使用x-y方式觀測(cè)液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電光響應(yīng)曲線，調(diào)節(jié)液晶盒和檢偏器使圖形接近磁滯回線，測(cè)量閾值電壓、飽和電壓和閾值銳度；4) 調(diào)節(jié)三角波頻率，觀察響應(yīng)曲線的變化。4、 響應(yīng)時(shí)間1) 將液晶驅(qū)動(dòng)電源的工作方式設(shè)置為間歇工作方式，選擇液晶的工作模式為“常白模式”；2) 使用數(shù)字示波器觀察液晶的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)。旋轉(zhuǎn)調(diào)整液晶盒和檢偏器，改變間歇頻率和驅(qū)動(dòng)頻率，使液晶的響應(yīng)信號(hào)接近方波；3)

9、 測(cè)量上升沿和下降沿時(shí)間，記錄驅(qū)動(dòng)頻率和間歇頻率。5、 液晶衍射1) 將液晶驅(qū)動(dòng)電源的工作方式設(shè)置為連續(xù)工作方式，后面直接放入白屏；2) 緩慢改變驅(qū)動(dòng)電壓，觀察液晶的表面變化和衍射現(xiàn)象；記錄電壓上升和下降過(guò)程中，衍射斑出現(xiàn)和消失時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓；3) 測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)完成光柵常數(shù)的計(jì)算；4) 在顯微鏡下觀察液晶盒電壓升降過(guò)程中的形態(tài)變化。五、 數(shù)據(jù)分析1、 線偏振光線偏振度的測(cè)量旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)檢偏器，我們可以輕松地測(cè)量出Pmin=0.1W,Pmax=2.34mW，根據(jù)線偏振度的定義：最大光強(qiáng)與最小光強(qiáng)之比，我們可以求出線偏振度 I=PmaxPmin=23400 (3)可以看出通過(guò)起偏器產(chǎn)生的線偏振光比較

10、良好。2、 旋光效應(yīng)和雙折射現(xiàn)象的觀察1) 沒(méi)有放置液晶盒時(shí)檢偏器的消光角度為278，在起偏器和檢偏器中加入液晶盒后，不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器和液晶盒，此時(shí)檢偏器的消光角度是206.6，所以我們可以求出檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)了63.4。這個(gè)角度應(yīng)該和液晶盒前后表面錨泊方向的夾角相等或者互補(bǔ)，已知液晶盒扭曲角在100和140之間，我們可以求出此液晶盒的扭曲角為116.6。此步驟中，我們不僅需要調(diào)整檢偏器的角度，還需要不斷嘗試液晶盒的角度。這是因?yàn)槿肷涔饪梢越频乜醋骶€偏振光，若入射面的偏振方向和入射光的偏振方向不相同，則會(huì)有垂直于入射面的分量產(chǎn)生，導(dǎo)致不能完全消光。因此，第二次消光時(shí)激光偏振方向和液晶盒前表面錨泊

11、方向應(yīng)當(dāng)一致；2) 保持第二次消光時(shí)檢偏器的方位，每間隔30旋轉(zhuǎn)一次液晶盒表格 1 角度以及線偏振度角度/最小值/W最大值/mW線偏振度3230.402.00500035346.902.01432352.002.0038530.602.0434008345.202.064611348.802.00411430.402.06515017353.002.003820348.002.00422330.402.03507526346.002.024429346.602.0043從數(shù)據(jù)中我們可以得到旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中共有四次得到了較好的線偏振光，它們分別是入射光的線偏振方向同前表面的偏振方向平行或者垂直；

12、3、 電光響應(yīng)曲線1) 我們首先使用x-y方式觀測(cè)液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電光響應(yīng)曲線，可以不斷調(diào)節(jié)液晶盒和檢偏器使圖形接近磁滯回線，然后觀察x-t方式曲線。將數(shù)字示波器的顯視屏截圖（左圖），并將其數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用excel繪制曲線（右圖）圖 1 X-Y曲線圖圖 2 X-T曲線圖其中CH1是外加三角波電場(chǎng)電壓，CH2是出射光的光強(qiáng)。在X-Y方式顯示中，CH1不斷在0V到12V之間隨時(shí)間均勻遞增和遞減，若CH2沒(méi)有任何變化的話，曲線應(yīng)該是一條不斷重復(fù)的曲線。由于外加電場(chǎng)改變了液晶分子的取向，透光率發(fā)生變化，CH2的值隨時(shí)間的變化正如X-T曲線類似方波的樣子。將它的特性疊加在CH1通道的特性上我們便可以知道正

13、是圖1所表現(xiàn)出來(lái)的樣子。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和三個(gè)電壓常量的定義，利用示波器上的取點(diǎn)讀數(shù)功能我們便可以輕松測(cè)量出待測(cè)電壓的大小圖 3 測(cè)量電壓過(guò)程我們可以得到出射光的光強(qiáng)電壓最大值為4.88V，通過(guò)計(jì)算它的90%為4.392V，它的10%為0.488V。找到相應(yīng)電壓值對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)，再將時(shí)間對(duì)應(yīng)到外加電場(chǎng)函數(shù)上我們便可以得到此時(shí)外加電場(chǎng)的大小。閾值電壓為6.56V，飽和電壓為6.92V，閾值銳度為1.055。2) 分別將三角波頻率設(shè)為5Hz、10Hz、50Hz、100Hz、1000Hz（從左到右依次） 圖 4 不同外場(chǎng)頻率下的反應(yīng)曲線我們可以看到隨著頻率的細(xì)微增大，響應(yīng)曲線的平臺(tái)處會(huì)發(fā)生凹陷產(chǎn)生新的一

14、個(gè)周期（10Hz圖響應(yīng)曲線幅值的增大僅僅是由于對(duì)于標(biāo)尺的調(diào)節(jié)，可以從左下角的參數(shù)看出此時(shí)的標(biāo)尺為其他的一半）。接著增大，響應(yīng)曲線的峰值會(huì)逐漸降低并且頻率也會(huì)隨之增大，變成類似于正弦波的形狀。當(dāng)外加電場(chǎng)頻率足夠大時(shí)，響應(yīng)曲線趨向于一條直線，透光率不再發(fā)生變化。外加電場(chǎng)變化速度太快，液晶來(lái)不及反應(yīng)形成新的排列，相當(dāng)于加了一個(gè)外加電場(chǎng)有效值大小的電場(chǎng)，故不再透光；4、 響應(yīng)時(shí)間此實(shí)驗(yàn)步驟中，我們需要不斷調(diào)間歇頻率、驅(qū)動(dòng)頻率，旋轉(zhuǎn)液晶盒、檢偏器以使我們的響應(yīng)信號(hào)更好地接近方波，最終響應(yīng)曲線如下圖所示（左側(cè)為數(shù)字示波器顯示屏的截圖，右側(cè)為利用數(shù)據(jù)點(diǎn)excel繪制的曲線圖） 圖 5 響應(yīng)曲線同上一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)

15、容一樣，我們利用數(shù)字示波器自身的取點(diǎn)讀數(shù)功能，并根據(jù)響應(yīng)時(shí)間相關(guān)的定義，可以完成對(duì)液晶響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量。我們首先測(cè)得光強(qiáng)最大值為3.68V，可以算出其90%為3.312V，其10%為0.368V；接著便可以根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)得上升沿時(shí)間為6.5ms，下降沿時(shí)間為12.6ms，此時(shí)我們間歇頻率為13.97Hz，驅(qū)動(dòng)頻率為208.3Hz；5、 液晶衍射1) 此過(guò)程一定要注意緩慢，液晶隨電場(chǎng)的變化有一定的延遲時(shí)間，在電壓確定后，可能經(jīng)過(guò)2、3s的時(shí)間液晶才能完成相應(yīng)的反應(yīng)。耐心等待，我們可以得到下面的數(shù)據(jù)結(jié)果表格 2 衍射電壓區(qū)域出現(xiàn)消失上升4.40V 7.40V 下降5.54V 2.56V 2) 我們調(diào)

16、整電壓使衍射條紋清晰并且穩(wěn)定地存在，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量表格 3 衍射條紋數(shù)據(jù)0級(jí)1級(jí)2級(jí)3級(jí)距離00.92cm1.83cm2.71cm10.01cm根據(jù)以上數(shù)據(jù)并根據(jù)公式(2)我們可以輕松算出光柵常數(shù)為7360nm；3) 在顯微鏡下觀察液晶，隨著我們?cè)谝褱y(cè)得的液晶發(fā)生衍射的電壓區(qū)域內(nèi)不斷地來(lái)回改變電壓值大小，我們可以看到有一片透明的類似桿狀的物體在視野內(nèi)移動(dòng)，它們的排列便是形成液晶衍射的主要原因。六、 過(guò)程分析1、 驅(qū)動(dòng)頻率和間歇頻率：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們保持間歇頻率不變，增大和減少驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)液晶的響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有什么明顯的影響。因?yàn)轵?qū)動(dòng)頻率的作用就是疊加在高電平上防止由于直流電驅(qū)動(dòng)對(duì)液晶帶來(lái)影響；我們接

17、著保持驅(qū)動(dòng)頻率不變，增大和減少間歇頻率，可以發(fā)現(xiàn)，隨著間歇頻率的增大，液晶的上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間均減少，響應(yīng)時(shí)間變短；2、 液晶衍射：在不斷改變電壓的過(guò)程中，液晶會(huì)在某一個(gè)區(qū)域發(fā)生衍射。并且衍射條紋會(huì)隨著電壓的變化而發(fā)生變化。在此次試驗(yàn)中，我們可以發(fā)現(xiàn)液晶開(kāi)始出現(xiàn)衍射時(shí)的條紋是水平的點(diǎn)狀圖案。隨著電壓的增大，衍射條紋的對(duì)稱性逐漸提高，變成了類似于正六邊形衍射小孔產(chǎn)生的衍射條紋。接著變成了圓環(huán)的衍射條紋。最后經(jīng)歷了一個(gè)逆過(guò)程衍射條紋再一次消失。這個(gè)現(xiàn)象非常有意思，我們可以嘗試著從最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：在顯微鏡下觀察液晶變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中解釋這個(gè)現(xiàn)象。在顯微鏡下，我們看到了液晶內(nèi)部按一定規(guī)律排列的棒狀物體。在開(kāi)始出現(xiàn)衍射的時(shí)候，液晶內(nèi)的棒狀物體取向一致，整齊排列，此時(shí)的衍射條紋自然