液晶电光特性 液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质(材料), 它是在1888 年由奥地利植物学家 Reinitzer 首先发现的。 在我们的日常生活中, 适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。 目前人们发现、 合成的液晶材料已近十万种之多, 有使用价值的也有 4-5 千种。 随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发展, 以及市场的巨大需求, 人们对它的研究也进入了一个空前的状态。 本实验希望通过一些基本的观察和研究, 对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解, 并利用现有的物理知识进行初步的分析和解释。 实验目的 1. 掌握液晶的工作原理, 测量其在特定波长下的扭曲角。 2. 观察液晶光开关的时间响应曲线, 得到液晶的上升时间和下降时间。 3. 观察液晶的衍射现象, 得到液晶的结构尺寸。 基本原理 大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。 这些有机化合物分子多为细长的棒状结构, 长度为数 nm, 粗细约为 0.1nm 量级, 并按一定规律排列。 根据排列的方式不同, 液晶一般被分为三大类 1) 近晶相液晶, 结构大致如图 1。 图 1 图 2 图 3 这种液晶的结构特点是: 分子分层排列, 每一层内的分子长轴相互平衡。 且垂直或倾斜于层面。 2、 向列相液晶, 结构如图 2。 这种液晶的结构特点是: 分子的位置比较杂乱, 不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。 3、 胆甾相液晶, 结构大致如图 3。分子也是分屏排列, 每一层内的分子长轴方向基本相同。 并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一种螺旋结构。 以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征, 当我们对这些液晶施加外界影响时, 他们的状态将会发生改变, 从而表现出不同的物理光学特性。 下面我们以最常用的向列液晶为例, 分析了解它在外界人为作用下的一些特性和特点。 我们在使用液晶的时候往往会将液晶材料夹在两个玻璃基片之间, 并对四周进行密封。 为了我们的使用目的, 将会对基片的内表面进行适当的处理, 以便影响液晶分子的排列。 这里介绍相关的三个处理步骤。 1、 涂覆取向膜, 在基片表面形成一种膜。 2、 摩擦取向, 用棉花或绒布按一个方向摩擦取向膜。 3、 涂覆接触剂。 经过这三个步骤后, 就可以控制紧靠基片的液晶分子, 使其平行于基片并按摩擦方向排列。 如果我们使上下两个基片的取向成一定角度, 则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。 如图 4 的情况(取向成 90 度)。 即每一层内的分子取向基本一致, 且平行于层面。 相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。 从 而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。 这种排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是: 扭曲向列的扭曲角是人为可控的, 且“螺距” 与两个基片的间距和扭曲角有关。 而天然胆甾相液晶的螺距一般不足 1um, 不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用, 他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转, 类似于物质的旋光效应。 在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点, 当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、 折射率也将呈现出各向异性的特点。 如果我们对液晶物质施加电场, 就可能改变分子排列的规律。 从而使液晶材料的光学特性发生改变, 1963年有人发现了这种现象。 这就是液晶的电光效应。 为了 对液晶施加电场, 我们在两个玻璃基片的内侧镀了 一层透明电极。 我们将这个由基片电极、 取向膜、 液晶和密封结构组成的结构叫做液晶合。 当我们在液晶合的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。 根据液晶分子的结构特点。 我们假定液晶分子没有固定的电极。 但可被外电场极化形成一种感生电极矩。 这个感生电极矩也会有一个自己的方向, 当这个方向以外电场的方向不同时, 外电场就会使液晶分子发生转动, 直到各种互相作用力达到平衡。 液晶分子在外电场作用下的变化, 也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。 当外电场足够强时, 两电极之间的液晶分子将会变成如图 5 中的排列形式。 图 4 图 5 这时, 液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。 通过检偏器, 我们可以清晰地观察到偏振态的变化。 大多数液晶器件都是这样工作的。 以上的分析只是对液晶合在“开关” 两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。 而对于这两个状态之间的中间状态。 我们还没有一个清晰的认识, 其实在这个中间状态, 有着极其丰富多彩的光学现象。 在实验中我们将会一一观察和分析。 液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。 一般来说液晶的响应速度是比较低的。 我们用上升沿时间和下降沿时间来衡量液晶对外界驱动信号的响应速度情况。定义如下, 上升时间: 透过率由 10%升到 90%所需时间; 下降时间: 透过率由 90%降到 10%所需时间。 驱动信号 90% T1 T2 10% 响应 图 6 液晶驱动电压和时间相应图 实验仪器 半导体激光器、 液晶盒、 起偏器、 检偏器、 光功率指示计、 光电二极管探头、 示波器 实验内容与步骤 1. 液晶扭曲角的测量 1) 按照激光器、 起偏器、 液晶盒、 偏振片、 功率计探头的顺序, 在导轨摆好光路。 连接各种设备之间的导线。 半导 体激光器起偏 器液晶 合检偏器功 率计探头导轨滑 块光学 实验导轨 2) 打开激光器, 仔细调整各个光学元件的高度和激光器的方向, 尽量使激光从光学元件的中心穿过, 进入功率计探头。 3) 旋转起偏器, 使通过起偏器的激光最强。 4) 打开液晶驱动电源, 将功能按键置于连续状态。 驱动电压调整到 12V。 5) 旋转检偏器和液晶盒, 找到系统输出功率最小的位置, 记下此时检偏器的位置(角度)。 6) 关闭液晶驱动电源, 此时系统通光情况将发生变化, 再次调整检偏器位置, 找到系统通光功率最小的位置, 记下此时检偏器的位置(角度)。 7) 步骤 5 与 6 之间的角度位置差, 就是该液晶合在该波长下的扭曲角。 2. 上升沿时间 T1 与下降沿时间 T2的测量。 1) 重复实验一的 1、 2、 3、 4 步。 2) 旋转检偏器和液晶合, 找到系统输出功率较小的位置。 3) 用光探头换下功率计探头, 连接好 12V 电源线(红为+, 黑为-, 红对红, 黑对黑)。 4) 将示波器的 CH1 通道用信号线与液晶驱动信号相连, CH1 做触发。 CH2 通道上的示波器表笔与 光电二极管探头相连(地线与 12V 的地相连, 挂钩挂在探头线路扳的挂环上)。 5) 打开示波器电源, 功能置于双综显示, CH1 触发。 6) 观察示波器上的 CH1 通道波形。 了解液晶驱动电源的工作条件。 7) 将功能按键置于间歇状态, 调整间歇频率旋钮, 观察系统输出光的变化情况, 和示波器上波形的情况, 体会液晶电源的工作原理。 8) 根据定义, 在示波器上测量上升沿时间和下降沿时间。 估计液晶的响应速度。 3. 通过测量衍射角, 得到液晶的结构尺寸 1) 取下实验一中的检偏器和功率计探头。 2) 打开液晶驱动电源, 将功能按键置于连续, 将驱动电压置于 6V 左右, 等待几分钟, 用白屏观察液晶合后光斑的变化情况。 应可观察到类似光栅衍射的现象。 3) 仔细调整驱动电压和液晶合角度, 使衍射效果最佳。 4) 用尺子测量长度得到衍射角, 用光栅公式 2dsinθ=kλ, 求出这个液晶“光栅” 的光栅常数。 4. 观察衍射斑的偏振状态。 1) 重复实验 3 的 1、 2、 3 步。 2) 紧靠液晶合放置检偏器。 3) 用白屏观察检偏器后衍射斑。 4) 旋转检偏器, 观察各衍射斑的变化情况, 指出其变化规律。 附录 液晶电光特性实验仪操作说明 主机箱面板功能: 主机箱“液晶驱动电源” 主要功能为液晶合的工作电压、 间歇频率、 驱动频率的调节, 以及液晶合的工作状态等。 各面板元器件作用与功能如下: 液晶实验主机前面板 1、 表头: 3位半数字表头, 用于指示液晶合工作电压的大小, 可通过驱动电压旋钮进行调节。 2、 间歇/连续按钮: 液晶合的工作状态, 开或关。 3、 间歇频率旋钮: 4、 驱动频率旋钮: 5、 驱动电压旋钮: 液晶盒工作电压旋钮, 调整范围(2—12V)。 液晶实验主机后面板 1、 电源开关按钮, 主机的电源开关(220VAC)。 2、 示波器插座: 通过导线与示波器 1 通道相连。 3、 液晶合插座: 与液晶合相连。 4、“+” 插座: 通过红色导线与光电二极管探头相连。 5、“—” 插座: 通过黑色导线与光电二极管探头相连。 6、 电源插座: 通过 220V 电源线与接线板相连。