液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、液晶電光效應(yīng)特性研究早在上世紀(jì)70 年代，液晶已作為物質(zhì)存在的第四態(tài)開(kāi)始寫入各國(guó)學(xué)生的教科書。至今已成為由物理學(xué)家、 化學(xué)家、生物學(xué)家、 工程技術(shù)人員和醫(yī)藥工作者共同關(guān)心與研究的領(lǐng)域，在物理、化學(xué)、電子、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。如：光導(dǎo)液晶光閥、光調(diào)制器、液晶顯示器件、 各種傳感器、 微量毒氣監(jiān)測(cè)、 夜視仿生等， 尤其液晶顯示器件早已廣為人知，獨(dú)占了電子表、手機(jī)、筆記本電腦等領(lǐng)域。其中液晶顯示器件、光導(dǎo)液晶光閥、光調(diào)制器、光路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等均是利用液晶電光效應(yīng)的原理制成的。 因此，掌握液晶電光效應(yīng)從實(shí)用角度或物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度都是很有意義的?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 測(cè)定液晶樣品的電光曲線；2. 根

2、據(jù)電光曲線，求出樣品的閾值電壓 Uth 飽和電壓 Ur、對(duì)比度 Dr、陡度 等電光效應(yīng)的主要參數(shù)；3. 了解最簡(jiǎn)單的液晶顯示器件 (TN LCD) 的顯示原理；4. 自配數(shù)字存儲(chǔ)示波器可測(cè)定液晶樣品的電光響應(yīng)曲線，求得液晶樣品的響應(yīng)時(shí)間。【實(shí)驗(yàn)儀器】FD-LCE-1 型液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)原理】1液晶液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流動(dòng)性、粘度、 形變等機(jī)械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。液晶與液體、晶體之間的區(qū)別是：液體是各向同性的，分子取向無(wú)序；液晶分子有取向序，但無(wú)位置序；晶體則既有取向序又有位置序。就形成液晶方式而言，液晶可分為熱致液晶和溶致液晶。熱致液

3、晶又可分為近晶相、向列相和膽甾相。其中向列相液晶是液晶顯示器件的主要材料。2液晶電光效應(yīng)液晶分子是在形狀、 介電常數(shù)、 折射率及電導(dǎo)率上具有各向異性特性的物質(zhì)， 如果對(duì)這樣的物質(zhì)施加電場(chǎng) (電流 ) ，隨著液晶分子取向結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，它的光學(xué)特性也隨之變化，這就是通常說(shuō)的液晶的電光效應(yīng)。液晶的電光效應(yīng)種類繁多，主要有動(dòng)態(tài)散射型(DS) 、扭曲向列相型 (TN) 、超扭曲向列相型(STN) 、有源矩陣液晶顯示(TFT) 、電控雙折射 (ECB) 等。其中應(yīng)用較廣的有：TFT 型 主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔產(chǎn)品；STN 型 主要用于手機(jī)屏幕等中檔產(chǎn)品；TN 型主要用于電子表、計(jì)算器、儀器儀表

4、、家用電器等中低檔產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最普遍的液晶顯示器件。TN 型液晶顯示器件顯示原理較簡(jiǎn)單，是 STN 、TFT 等顯示方式的基礎(chǔ)。本儀器所使用的液晶樣品即為TN 型。3 TN 型液晶盒結(jié)構(gòu)TN 式液晶盒結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖 1 TN 型液晶盒結(jié)構(gòu)圖在涂覆透明電極的兩枚玻璃基板之間， 夾有正介電各向異性的向列相液晶薄層， 四周用密封材料 (一般為環(huán)氧樹脂 )密封。玻璃基板內(nèi)側(cè)覆蓋著一層定向?qū)?，通常是一薄層高分子有機(jī)物， 經(jīng)定向摩擦處理， 可使棒狀液晶分子平行于玻璃表面， 沿定向處理的方向排列。 上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的， 這樣， 盒內(nèi)液晶分子的取向逐漸扭曲， 從上玻璃片到下玻璃片扭曲

5、了 90o，所以稱為扭曲向列型。4扭曲向列型電光效應(yīng)無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)， 由于可見(jiàn)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于向列相液晶的扭曲螺距， 當(dāng)線偏振光垂直入射時(shí)，若偏振方向與液晶盒上表面分子取向相同，則線偏振光將隨液晶分子軸方向逐漸旋轉(zhuǎn)o(見(jiàn)圖 2(a)中不通電部分，其中液晶盒上下表面各90 ，平行于液晶盒下表面分子軸方向射出附一片偏振片，其偏振方向與液晶盒表面分子取向相同，因此光可通過(guò)偏振片射出)；若入射線偏振光偏振方向垂直于上表面分子軸方向，出射時(shí)，線偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子軸；當(dāng)以其他線偏振光方向入射時(shí)，則根據(jù)平行分量和垂直分量的相位差，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。對(duì)液晶盒施加電壓，當(dāng)達(dá)到某一數(shù)

6、值時(shí)，液晶分子長(zhǎng)軸開(kāi)始沿電場(chǎng)方向傾斜，電壓繼續(xù)增加到另一數(shù)值時(shí)， 除附著在液晶盒上下表面的液晶分子外， 所有液晶分子長(zhǎng)軸都按電場(chǎng)方向進(jìn)行重排列 (見(jiàn)圖 2 中通電部分 )， TN 型液晶盒 90o 旋光性隨之消失。圖 2 TN 型液晶顯示器件顯示原理示意圖若將液晶盒放在兩片平行偏振片之間，其偏振方向與上表面液晶分子取向相同。不加電壓時(shí)，入射光通過(guò)起偏器形成的線偏振光，經(jīng)過(guò)液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉(zhuǎn)90o ，不能通過(guò)檢偏器； 施加電壓后， 透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)與施加在液晶盒上電壓大小的關(guān)系見(jiàn)圖3；其中縱坐標(biāo)為透光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為外加電壓。最大透光強(qiáng)度的10%所對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為閾值電壓 (Ut

7、h)，標(biāo)志了液晶電光效應(yīng)有可觀察反應(yīng)的開(kāi)始(或稱起輝 )，閾值電壓小，是電光效應(yīng)好的一個(gè)重要指標(biāo)。最大透光強(qiáng)度的90%對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為飽和電壓(Ur)，標(biāo)志了獲得最大對(duì)比度所需的外加電壓數(shù)值，Ur 小則易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對(duì)顯示壽命有利。對(duì)比度D r=I max /I min，其中 I max 為最大觀察 (接收 )亮度 (照度 )， I min 為最小亮度。陡度 =Ur/U th 即飽和電壓與閾值電壓之比。6 TN LCD 結(jié)構(gòu)及顯示原理TN 型液晶顯示器件結(jié)構(gòu)參考圖2，液晶盒上下玻璃片的外側(cè)均貼有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向總是與上表面分子取向相同。自然光入

8、射后， 經(jīng)過(guò)偏振片形成與上表面分子取向相同的線偏振先，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)90o，以平行于下表面分子取向的線偏振光射出液晶盒。若下表面所附偏振片偏振方向與下表面分子取向垂直 (即與上表面平行)，則為黑底白字的常黑型，不通電時(shí)，光不能透過(guò)顯示器(為黑態(tài) )，通電時(shí)， 90o 旋光性消失，光可通過(guò)顯示器(為白態(tài) )；若偏振片與下表面分子取向相同，則為白底黑字的常白型，如圖2 所示結(jié)構(gòu)。 TN-LCD 可用于顯示數(shù)字、簡(jiǎn)單字符及圖案等，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案?！緦?shí)驗(yàn)儀器介紹】FD-LCE I 型液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 儀器導(dǎo)軌、滑塊、

9、轉(zhuǎn)盤等均采用高強(qiáng)度鋁合金制作，立桿材料為不銹鋼。具有體積小、重量輕、不會(huì)生銹等優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)盤經(jīng)特別設(shè)計(jì)，可細(xì)調(diào)。導(dǎo)軌采用燕尾型結(jié)構(gòu)，移動(dòng)時(shí)直線定位好，固定時(shí)牢固可靠 ;(2)用框架型結(jié)構(gòu)固定液晶樣品，牢固美觀；采用接線柱方式給樣品通電，方便安全;(3)所用裝置配件均為光學(xué)通用配件(含常用光功率計(jì))，除可做液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)外，還可用于光偏振等光學(xué)實(shí)驗(yàn)或用于測(cè)定半導(dǎo)體激光器工作電流與出射光強(qiáng)的關(guān)系;如圖 4 所示，液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀主要由控制主機(jī)、導(dǎo)軌、半導(dǎo)體激光器、液晶樣品盒( 包括起偏器及液晶樣品 )、檢偏器、可調(diào)光闌及光電探測(cè)器組成。1.激光器2.液晶樣品盒3.檢偏器4.可調(diào)光闌5.光電探測(cè)器圖

10、 4液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀裝置圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1光學(xué)導(dǎo)軌上依次為：半導(dǎo)體激光器-液晶樣品盒 -檢偏器 -光電探測(cè)器 (帶可調(diào)光闌 )。其中液晶樣品盒帶接線柱的一面面向激光器。 液晶樣品盒包括液晶樣品及起偏器， 起偏器附在液晶片的一面 (帶接線柱的一面 )，其偏振方向與所附表面的液晶分子取向相同。打開(kāi)半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)各元件高度，使激光依次穿過(guò)液晶盒、檢偏器，打在光電探測(cè)器的光闌上。2接通主機(jī)電源， 將光功率計(jì)調(diào)零，用話筒線連接光功率計(jì)和光電探測(cè)器旋轉(zhuǎn)檢偏器，可觀察到光功率計(jì)數(shù)值大小變化，若最大透射光強(qiáng)小于200W，可旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體激光器機(jī)身，使最大透射光強(qiáng)大于200W 最后旋轉(zhuǎn)檢偏器至透射光強(qiáng)值達(dá)

11、到最小。3將電壓表調(diào)至零點(diǎn)，用紅黑導(dǎo)線連接主機(jī)和液晶盒，從0 開(kāi)始逐漸增大電壓，觀察光功率計(jì)讀數(shù)變化，電壓調(diào)至最大值后歸零。4從 0 開(kāi)始逐漸增加電壓，后每隔 0.1v 左右記一次數(shù)據(jù)，0 25V 每隔 0.2V 或 0.3V 記一次電壓及透射光強(qiáng)值，2.5v6.5V 后再每隔0 2 或 0.3V 記一次數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵點(diǎn)附近宜多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。5作電光曲線圖，縱坐標(biāo)為透射光強(qiáng)值，橫坐標(biāo)為外加電壓值。6根據(jù)作好的電光曲線，求出樣品的閾值電壓 Uth( 最大透光強(qiáng)度的電壓值 )、飽和電壓 Ur( 最大透光強(qiáng)度的 90%對(duì)應(yīng)的外加電壓值 )、對(duì)比度陡度 (=U r/U th)。10%所對(duì)應(yīng)的外加 Dr(D

12、r= I max/I min) 及7演示黑底白字的常黑型TN-LCD 。拔掉液晶盒上的插頭，光功率計(jì)顯示為最小，即黑態(tài)；將電壓調(diào)至 6 至 7V 左右，連通液晶盒，光功率計(jì)顯示最大數(shù)值，即白態(tài)。注：可自配數(shù)字或字符型液晶片演示，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。8自配數(shù)字存儲(chǔ)示波器，可測(cè)試液晶樣品的電光響應(yīng)曲線，求得樣品的響應(yīng)時(shí)間。【數(shù)據(jù)記錄及處理】測(cè)量點(diǎn)123456U/VI/ W根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)作電光曲線圖并計(jì)算結(jié)果。【注意事項(xiàng) 】1拆裝時(shí)只壓液晶盒邊緣，切忌擠壓液晶盒中部；保持液晶盒表面清潔，不能有劃痕；應(yīng)防止液晶盒受潮，防止受陽(yáng)光直射。2驅(qū)動(dòng)電壓不能為直流。3切勿直視激光

13、器。4液晶樣品受溫度等環(huán)境因素的影響較大，如 TN 型液晶的閨值電壓在 20± 20范圍內(nèi)漂移達(dá) 15到 35，因此每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定出入為正常情況。也可比較不同溫度下液晶樣品的電光曲線圖。【思考題】1如何實(shí)現(xiàn)常黑型、常亮型液晶顯示。2實(shí)驗(yàn)中液晶樣品盒采用單面附著偏振片，能否完成實(shí)驗(yàn)？如果能，應(yīng)將附著偏振片的一面朝向哪邊？出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開(kāi)張圣聽(tīng)，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟

14、罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)櫍孕惺缇?，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所?！澳?”，是以眾議舉寵為督：親賢臣， 遠(yuǎn)小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠(yuǎn)賢臣， 此后漢所以傾頹也。 先帝在時(shí)，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。 侍中、尚書、 長(zhǎng)史、 參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，