液晶物性实验报告

1、液晶物性实验报告【摘要】本实验主要是对液晶的各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。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测和分析，测得液晶盒的扭曲角为108°，液晶的线偏振度周期约为90°，测得可通过增大间歇频率，减小液晶的响应时间，还用白光光源观察了衍射特性，测得光栅常数。【关键词】液晶 光学特性 旋光度 光电效应 衍射 各向异性1、 引言 19世纪末奥地利植物学家莱尼兹尔在测定有机化合物熔点时发现了液晶。液晶（Liquid Crystal简称LC）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄

2、型的显示技术上。近十年来液晶科学获得了许多重要的发展，使得液晶得到极为广泛的应用，为当代新兴的液晶工业体系奠定了基础，同时亦促进了液晶的基础理论研究。本实验主要是对液晶的各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。2、 实验原理（一）、液晶的基础物理性质1、液晶的介电各向异性液晶的各项异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同。当一个任意取向的分子被外电场极化时，各方向上的极化率不同，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。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

3、分子的取向作用。2、 杆形液晶分子的排列方式：由杆形分子形成的液晶，其液晶相可根据分子排列的平移和取向有序性分为三类：近晶相、向列相和胆甾相。 图1 液晶分子的三种不同排列方式3、液晶的光学各向异性光在液晶中传播会产生寻常光（o光）与非寻常光（e光），表现出光学的各项异性。所以液晶的光学性质也要通过两个主折射率n_''、 n_描述。由于n_''和n_不同，o光与e光在液晶中传播时产生相位差，使得出射光的偏振态发生变化。这就是液晶的双折射效应。（二）、液晶的光电效应1、旋光性由于液晶盒的上下基片的去向成一定的角度，两者间的液晶分子取向将均匀扭曲。通常振动面的旋光角

4、度与旋光物质的厚度d成正比，即为旋光率。2、液晶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的时间即为响应时间。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。上升沿时间：透过率由最小值升到最大值的90%时所需的时间下降沿时间：透过率有最大值降到最大值的10%时所需的时间3、电光响应时间图2 电光响应时间由于液晶的电光相应，在外电场的作用下，则系统透光强度将发生变化，透过率与外加电压的关系曲线称为电光响应曲线，它决定着液晶显示的特性。在电光响应曲线中有3个重要参量，在“常白模式”下： 1）、阈值电压Vth，即透过率为90%所对应的电压 2）、饱和电压Vs，即透过率

5、为10%所对应的电压 3）、阈值锐度，即饱和电压与阈值电压之比，=Vs/Vth “常黑模式”下则相反。（三）、液晶光栅 当外加电压在一定范围时，液晶盒中的液晶取向会产生有规则的形变，使得折射率周期性变化。由于这种周期性变化的尺度与激光的波长相近，因此可以观察到衍射条纹的出现。液晶盒内形成折射率位相光栅，即液晶光栅。液晶相位光栅满足一般的光栅方程：dsin=k 其中：d为光栅常数， 为衍射角，k= 0，±1 ，±2为衍射级次。 （四）、液晶响应时间 当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原来排列方式所需要的时间就是响应时间。形象地说，响应时间作为一个性能参数，实际上就是液晶由全

6、亮变为全暗、再由全暗变成全亮的反应时间。分别用上升沿时间（透过率由最小值升到最大值的90%时所需的时间）和下降沿时间（透过率由最大值降到最大值的10%时所需的时间）来衡量液晶对外界驱动信号的响应速度。 在测量液晶响应时间时，一般采用如图5所示的驱动信号。当驱动信号处于高电平时（开态），液晶处于暗态；当驱动信号处于低电平时（关态），液晶处于亮态。当驱动信号处于高电平时，叠加一个高频脉冲信号，这样可以避免由于直流电驱动带来的液晶寿命下降的问题。图3 液晶响应时间3、 实验仪器半导体激光器（650nm）、示波器、液晶盒、液晶驱动电源、激光器电源、激光功率计、光电池、光电二极管、偏振片（2个）、光学导

7、轨、白屏等器材。 图4 液晶物性测量实验原理图 4、 实验内容1、 调整并测量线偏振光 通过记录光强的最大值和最小值，计算偏振度P。2、 观测液晶的旋光现象和双折射现象 （1）旋光现象：先调节检偏器使系统处于消光状态，再放入液晶盒，反复调整使系统再次处于消光状态。记先后两次消光时检偏器的角度为，由此计算液晶盒的扭曲角。 （2）双折射现象：保持上一步二次消光时的检偏器方向，在0°-360°范围内旋转液晶盒，记录下光强每一次达到极大值和极小值时的数值和相应的液晶盒角度，将检偏器转动90°，再次测量以上各极值处的光强，计算线相应的偏度，并分析变化规律。3、 测量响应时间

8、 用光电二极管，液晶盒由液晶驱动电源驱动，液晶驱动电源电压置“间歇”，调整电压约为12V，旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置，用示波器观察液晶的驱动信号和响应信号，调节驱动频率（脉冲频率）至某一定值，改变间隙频率（开关频率），观察驱动信号好液晶信号的变化。设计3个间歇频率，测量在这3个不同频率下的上升沿时间和下降沿时间。4、 测量光电响应曲线 “常白”（或常黑）模式下，记录示波器上液晶盒上所加的电压以及最终的输出光强在同一时间的示数，利用测得的电光响应曲线求出阈值电压、饱和电压、阈值锐度，并对结果进行分析。5、 液晶衍射现象的观测 调节电压缓慢从0增至12V左右，观察液晶的衍射现象

9、，记录下衍射条纹出现和消失时对应的调制电压值。同样，缓慢降低调制电压，观察液晶的衍射现象，记录下衍射条纹出现和消失时对应的调制电压值。分析两过程中衍射现象。使观察到3级衍射条纹，利用公式估算液晶“光栅”的周期。五、实验结果及数据分析1、 测量线偏振度其他仪器正确调整后，旋转检偏器测得最大光强，最小光强，则线偏振度。2、观测液晶的旋光现象和双折射现象 （1）旋光现象：按照实验步骤，一次消光时，检偏器的角度，二次消光时，检偏器的角度，因为已知液晶盒扭曲角在100°130°之间，所以液晶的扭曲角即为108°。 （2）双折射现象：表1为记录的I1为每次达到极大值或极小值时

10、的光强，为其对应的液晶盒转角，I2为将检偏器转动90°之后处对应的光强，以及计算所得的偏振度 将与I1作极坐标图： 图5 与I1极坐标图分析： 由于检偏器转过90°后，所测得光强极不稳定，误差很大，故所得偏振度误差也大。于是我们选用极大或极小值时的光强与液晶盒的转角做极坐标图，也可以看出液晶的线偏振度的周期变化，由图2所示，液晶的线偏振度存在周期性，周期约为90°，相邻最大值与最小值相差约为45°。这是由双折射引起的，激光摄入液晶盒后分为了两束偏振方向互相垂直的e光和o光，当e光或o光的振动方向与检偏器方向相同时，光强为极大值，当e光和o光方向与检偏器方

11、向成45°时，光强为极小值，故相邻极大值与极大值、相邻极小值与极小值间相隔约90°，相邻极大值与极小值间间隔约45°。由此可验证液晶的光学各向异性。 3、 测量响应时间驱动频率为156.3Hz，间歇频率为20.33Hz时，示波器测得的液晶信号如图3所示： 图6 间歇频率20.33Hz图6的方波个数较少，驱动信号频率较高，对应得到的响应信号曲线比较“尖”，不够平，响应时间不够充足。间歇频率改为17.61Hz时，示波器测得液晶信号如图4所示： 图7 间歇频率17.61Hz图7与图6对比，驱动信号频率降低，对应响应曲线相对较平，但仍然“尖”。间歇频率改为15.92Hz时

12、，示波器测得液晶信号如图5所示： 图8 间歇频率15.92Hz图8中间歇频率最低，也是3个图中相对最平缓的。在三个不同间隙频率下测量的上升沿时间和下降沿时间如表1 表1：上升沿时间和下降沿时间间歇频率（Hz）（ms）（ms）20.335.612.417.615.815.415.926.416.0 分析：通过测量过程中液晶响应时间图像以及记录的数据分析可得，当驱动频率一定时，随着间歇频率减小，上升沿和下降沿时间变长，并且下降沿时间大于上升沿时间。因此，液晶应用于显示器件时，间歇频率越小，拖尾现象越明显，我们可以通过增大间歇频率，减小减小上升沿时间和下降沿时间。当间歇频率增大到一定程度时，即液晶信

13、号曲线平滑，不“尖”时，响应时间不再变化，因为液晶响应时间只与液晶分子有关。4、测量光电响应曲线在“常白”模式下观测并记录数据，根据数据作出图10： 图9 响应曲线Y-t 图 图10 响应曲线x-y图阈值电压V饱和电压V阈值锐度降压5.68.21.46升压5.66.61.17 表2 降压和升压的三个参数 分析：由图可知，在“常白”模式下，液晶透过率随着外加电压的增大而减小；在降压过程中的锐度大于升压锐度，说明在降压过程中的液晶更加适合用于做显示屏；在X-Y图像中出现了滞后现象，这是由于液晶的流动性使得其无法及时回复原来位置产生的。5、液晶衍射现象的观测在黑暗条件下观察白屏，调节液晶盒上的调制电

14、压，从0逐渐增大的过程中，开始出现网状条纹，继续增大，变成弧形条纹，最后成长条状。从12v往下降的过程中，也逐渐出现了清晰的衍射图样。 表3 升降压时条纹出现的电压升压过程V降压过程V条纹出现条纹消失条纹出现条纹消失4.898.666.062.81 由表3可知，这两个过程中都有衍射图样的出现，但是出现时的电压不同。当衍射条纹为线状时，测量第3级衍射条纹到中心的距离：d=5.3cm；液晶到屏的距离为：L=15.2cm已知，由知测得。分析：不同电压使液晶结构发生不同变化，故会产生不同的衍射图样；升压和降压两个过程中液晶的起始状态不同，故两个过程中出现和消失衍射图形的电压不同，衍射图像也不同，是不可逆的。6、 实验小结及建议本实验主要是对液晶的各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。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测和分析，根据液晶的旋光现象，两次消光测得液晶盒的扭曲角为108°，通过观