用光导波方法确定扭曲向列相液晶盒指向矢剖面.docx

1、第26卷第1期2011年2月液晶与显示ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplaysVol.26,No.1Feb.,2011文章编号：1007-2780(2011)01-0013-06用光导波方法确定扭曲向列相液晶盒指向矢剖面叶文江技，王欣七李志广】，张志东。陈国鹰2(1.河北工业大学理学院，天津300401.E-mail：wcnjiang_yehebut.edacm2.河北工业大学信息工程学院，天津300401)摘要：利用光导波方法,对不同电压下由棱镜、折射率匹刮液及扭曲向列相液晶盒构成的全漏导模进行，实验研究，得到了不同外角所对应的全漏导模的反射光强度实

2、验数据，并由斯涅尔折射定律转化为反射率随内角变化的数据.由此得到实验曲线。通过与多层光学理论给出的理论曲线进行比较，发现两者之间有一个很好的吻合.确定了扭曲向列相液晶盒在不同电压下的指向矢剖面。关键词：光导波方法;扭曲向列相;指向矢剖面;全漏导模；多层光学理论中图分类号：O753+.2文献标识码：ADOI：10.3788/YJYXS20112601.0013DeterminationofDirectorProfileinTwistedNematicCellBasedonOpticalGuidedWaveMethodYEWen-jiang1*2,WANGXin1,LIZhi-guang1,ZHA

3、NGZhi-dong1,CHENGuo-ying2(I,SchoolofSciencesHebeiUniversityofTechnology9Tianjin3004019China9E-mailiuienjiang_ye2.SchoolofInformationEngineeringHebeiUniversityofTechnology9Tianjin300401China)Abstract：Usingtheoptica)guidedwavemethodthefullleakywaveguidemodeassembledbyprismmatchingfluidofrefractivityan

4、dtwistednematicliquidcrystalcellisstudiedunderdifferentvoltages.Someexperimentaldataofreflectedlightcorrespondingtodifferentexternalanglesthroughthefullleakyguidedmodeoftwistednematicliquidcrystalareobtained.FromSnelllaw,someexperimentalcurvesbetweenthereflectivityandtheinternalanglearealsoobtained.

5、Bycomparingtheseexperimentalcurveswiththetheoreticalcurvesobtainedfrommulti-layeropticstheory,withagreatlygoodaccordance,thedirectorprofileoftwistednematicliquidcrystalcellfordifferentvoltagesisdetermined.Keywords：opticalguidedwavemethod；twistednematic；directorprofile；fullleakywaveguidemode；multi-la

6、yeropticstheory收稿日期：201605-20；修订日期：2010P629基金项目：河北省自然科学基金(No.A2010000004)；国家自然科学基金(No.60878047)；河北省高校重点学科资助项目作者简介：叶文江(1976-),男，河北石家庄人.硕士，主要从事液晶物理和液晶器件物理研究.1引言扭曲向列相(TwistedNematic,TN)液晶显示是液晶显示领域发展较早、生产技术较完善,并且到目前为止在一些中低档产品中一直延续使用的显示模式。TN-LCDZ主要是由上下两片导电玻璃制成的液晶盒及玻璃外侧偏振片构成。液晶盒内充有液晶，厚度一般为几个微米。上下玻璃基板内侧覆盖着

7、一薄层高分子有机物取向层,经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃基板表面，沿定向处理的方向排列。上下玻璃基板表面的定向方向是相互垂直的,使液晶分子在上下玻璃片之间扭曲90。液晶盒玻璃基板外侧分别贴有偏振片，其偏光轴互相平行（常黑型）或相互正交（常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。当外加电压小于其阈值电压时，液晶分子在液晶盒内的排列基本保持不变，线偏振光进入液晶盒会发生90旋光，常黑型和常白型显示保持初始的状态；当外加电压超过阈值电压，液晶分子开始向电场方向倾斜,常黑型显示开始有光透过，而常白型显示光透过率将下降;继续升高电压,超过饱和电压，液晶分子将完全沿电场方向排列，此时90

8、旋光现象消失，常黑型显示变为亮态，常白型显示变为黑态。TN-LCD的电光效应取决于外加电压下液晶指向矢的排列。因此，如果液晶指向矢分布（指向矢剖面）确定，通过液晶盒的光也是一定的。通常情况下,液晶指向矢剖面可以通过牛顿法、松弛法、有限元法、差分迭代法等数值方法由计算机模拟得到，然后通过对实际液晶盒电光曲线的测斌最终确定指向矢剖面。但是，由于液晶本身具有光学各向异性,线偏振光经过液晶层后，其偏振状态将会发生改变通过检偏片后的透射光强度将会降低。这种方法只能大致给出指向矢剖面形状，存在相当大的误差，不能够精确描绘指向矢剖面的细微变化。将光导波的方法应用到液晶测试领域可以解决这一难题,而且精度相当高

9、。液晶光导波方法KE是通过实验测得的液晶导模（全波导模式、半漏波导模式、全漏波导模式）反射光和透射光强度与基于Berreman4X4矩阵的多层光学理论得到的理论曲线进行比较，进而确定液晶指向矢剖面。反射光和透射光均包含偏振保存和偏振转换信号，并旦随入射到液晶层的光线的入射角（内角）及液晶指向矢剖面的变化而改变。在文献12中.我们基于透镜扩束系统，应用棱镜耦合技术对平行排列向列相液晶层的全漏导模特性进行了研究，理论给出的液晶导模反射率变化和实验观测的现象有一个很好的吻合;但是，经过透镜扩束后的光入射到液晶层的角度变化范围是大致估计的，而且没有将液晶全漏导模反射光强度随角度变化的数据记录下来。鉴于

10、前期工作的不足，本文应用全漏波导技术E】，记录了不同角度所对应的扭曲型向列相液4虽全漏导模的反射光强度实验数据，并与多层光学理论给出的理论曲线进行比较，确定了扭曲型向列相液晶盒指向矢剖面。2原理当-平面光波从波导层上界面出发向下行进到波导层下界面时,在下界面全反射后返回到上界面,在上界面乂发生全反射后与原先从上界面出发的光波叠加在一起。要使叠加的光波相互加强,这两个光波的相位差应等于2兀的整数倍。考虑上波导层（折射率为腐）与覆盖层和衬底层交界面处的相移一2幻和一2知，波导层内光线相互加强的条件为町20MrCOS/?2土2%=2zwk（1）其中为平面光波的入射角，虹=膈扑为自由空间的波长，为整数

11、。因此，若使光波维持在波导层内传播并旦满足光线相互加强条件，角B只能取有限个离散值。扭曲向列相液晶层可以看作是波导层，光在其间传播将会形成导模。考虑一种简单的悄况：整个液晶层为均匀取向的单轴向列相液晶层，光在液晶层中的传播可以通过单轴晶体折射率椭球来描述3，如图1所示。液晶层被半无限覆盖层和衬底层（各向同性介质）包围，它们的折射率分别为&和。液晶分子长轴方向（指向矢）即为液晶层的光轴方向，平行和垂直指向矢的折射率分别为e和。，并且假设扁，即正性液晶。一般情况下，液晶层指向矢用与工轴的夹角。和与工。9平面所成的3角来表示。一经过折射率椭球中心。点的光线以F角（入射阮线与z轴之间的夹角）入射到液晶

12、层上，其过中心的波面与椭球相交得到一个椭圆，此椭圆的两个半轴给出了光在液晶层中传播的折射率。图1各向异性单轴晶体折射率椭球及光的传播Fig.1Refractiveindexellipsoidoftheuniaxialanisotropiccrystalandthepropagationoflight由于液晶本身具有光学各向异性，一般来说,波导本征模将不再是纯粹的TE（s光）或TM（p光）波,这种复杂的本征模解需要电磁场理论方法求解。为简单起见，我们选几种特殊的情况进行分析：.（1）光轴沿z轴方向，TE导模只依赖于,而TM本征模依赖于和“并且它的低阶模（对应于大B角）主要依赖于。对于这种简单的情

13、况,TM本征模的有效折射率随模的阶数而改变。如果此时光轴倾斜且仍保持在z平面，大体上将不会有什么变化,TE本征模仍将依赖于。，而TM本征模将依赖于花。和的不同组合。（2）光轴沿z轴方向，TM低阶模将依赖于而高阶模更多依赖于扁;所有的TE模仍将依赖于扁。这意味若当光轴沿z轴方向时,TE模和TM模将有相同的动量极大值。当光轴沿rz平面内的其他任何倾斜方向时，TM模的动量最大值较TE模的大。（3）光轴沿轴方向，TE模由他决定，而TM模由*决定。以上3种情况，尽管光在液晶层中传播的传播常数有可能改变，但其本征模都是纯粹的TE模或TM模。然而，只要光轴稍一偏离y轴任意角度到z-y平面或yz平面或两者都有

14、,即光轴在坐标系中任意一个位置，如图1所示,本征模将不再是纯粹的TE或TM模,有偏振转换信号产生闾。下面的分析有助于进一步了解偏振转换的概念。给出下列兀何关系：cos欧=coscos/?singsinsin甲。一。(2)(3)/茶sin勺+泌cos?欧coMsin/?+siMcos/?sin9(4)cos/2=（cosOco邻一sinsin/%inQ）2其中，。是入射光线与液晶指向矢之间的夹角；e是非常光的折射率;。表示入射光线过中心的波面与椭球相交所得椭圆短轴方向偏离、轴的角度,它可以衡量偏振转换信号的强弱。当0=0或O=7t/2时,入射到液晶层上的线偏振光（p光或S光）无偏振转换信号，这与

15、上面提到的3种情况相对应：（1）少=刁2,光轴位于入射面zoz内；（2）。=0,光轴沿z轴方向；（3）=0且0=江/2,光轴沿_y轴方向。因此,对于这种系统的研究，需要用一个探测器在一个较宽的角度范围内精确地测员角度相关的反射光强度。3实验实验装置如图2所示。所需实验设备包括:He-Ne激光器（632.8nm）、透光孔（2个）、偏振片（4片）、1/4波片（632.8nm）、斩波器、平板玻璃、衰减器（2个K0-20转台、探测器（3个）、锁相放大器（3个）。具体实验步骤如下：（1）调节激光光束准直。将透光孔1和2并排放在光学平台水平导轨上，调节其高度使激光能够透过两个小孔，然后移动透光孔2至转台附

16、近，调节激光器，使激光束能同时通过两个小孔直射在转台上的棱镜侧面。（2）调圆偏振光。将偏振片1置于导轨上，旋转偏振片的方向，利用探测器追踪透射光强度，使其达到最大;然后，将偏振片2如图所示摆放在导轨上，同样的方法调节偏振片2,使激光光束通过两个偏振片达到消光的效果，此时两个偏振片偏振方向互相垂直;最后，将1/4波片摆放在两个偏振片之间.旋转其方向，使透射光同样达到消光的效果，此时再将1/4波片转动45,这样穿过1/4波片的光即为圆偏振光。如果光线过强，可使用衰减器将光线的强度降低。（3）确定p光和s光。根据布儒斯特定律，当P偏振光以布儒斯特角入射到棱镜表面时，反射光的强度为0,这样，首先以布儒

17、斯特角大小转动转台，然后调节偏振片2,使得探测器探测到的反射光能量达到最小（接近零），此时通过偏振片2的光即为P光，将其转动k/2得到s光。p光和s光的透振方向确定后，旋转反射光和透射光探测器前方的偏振片，由探测器示数的大小可以确定探测器检测到的反射光和透射光的p偏振和s偏振方向。在调解过程中，使用先粗调后细调的方法，直到测得通过探测器的光能最最小。（4）制作液晶导模。首先将棱镜和液晶盒用酒精或丙酮擦拭干净，其中一块棱镜的小底面固定在支架上，在另一底面滴一滴折射率匹配液，将液晶盒轻轻放在上面，慢慢滑动液晶盒避免其间存有气泡;然后在液晶盒的上基板再滴一滴折射率匹配液，将另一块棱镜置于上面,滑动棱

18、镜使两个接触面之间无气泡;最后将两块棱镜及液晶盒固定。（5）给液晶盒加交流电压。利用交流电源输出频率为1kHz有效值不同的电压。将电源输出导线分别与液晶盒两端引出的导线连接，调节电压输出值为0,1,2V。（6）数据采集。利用计算机控制转台以固定步长（例如0.05）转动,在固定的间隔时间内（例如1s）采集相应的数据，包括参考光强度和反射光强度，建立参考光和反射光随外角变化的数据文件。（7）数据转换。由斯涅尔折射定律可以将计算机采集得到的参考光和反射光随外角变化的数据文件转换为反射率随内角（光经过棱镜、折射率匹配液、玻璃基板、ITO涂层、PI取向层入射到液晶层的入射角）变化的数据文件。（8）数值计

19、算理论数据。基于Bcrreman4X4矩阵的多层光学理论和液晶弹性理论得到扭曲型向列相液品全漏导模反射率随内角变化的数据文件,即理论数据。（9）做图。利用实验数据和理论数据，通过Origin软件在同一个界面做图，得到反射率随内角变化的实验曲线和理论曲线。液晶盒、液晶及液晶导模的一些参数包括:液晶盒上下玻璃基板、折射率匹配液及棱镜的折射率均为1.52；ITO涂层的介电常数为e=2.。和j=1.96；PI取向层的介电常数为e=l.3+i0.7和j=1.6+i0.7；ITO和PI两介质层的厚度均为50nm；液晶盒上下玻璃基板表面处理预倾角为1,预扭曲角分别为45和135,并且两基板在彳顷斜和扭曲方向

20、上均为强锚泊；液晶盒厚度为6“m,灌注的液晶为5CB,其材料参数如表1所示。表1液晶材料参数Table1MaterialparametersofliquidcrystalKn/pNKzz/pNK33/pNe/eLn,%5CB5.855.07.81881.7281.5344结果及分析实验中，我们只记录了不同电压下p偏振光入射到液晶全漏导模后，反射光P偏振成分强度随外角变化的实验数据。通过数据转换，得到不图3不同电压下液晶全漏导模反射率R*随内角变化的理论与实验比较Fig.3Comparisonbetweenthetheoreticalresultsandtheexperimentalresult

21、sonthereflectivityofthefullleakyguidedmodeinliquidcrystalwithdifferentappliedvoltages同电压下液晶全漏导模反射率七随内角变化的实验数据,与基于Berreman4X4矩阵的多层光学理论得到的数据进行了比较，如图3所示。从图中可以看出，对应3种不同的电压，液晶全漏导模反射率Rw给出了不同的变化,这些变化直接与液晶盒内指向矢变化相关。液晶弹性理论给出外加电压下扭曲型向列相液晶盒的阈值电压表达式为&=K瘁2福（5）30/、/、代入上面的参数可知，此液品盒的阈值电压约为901?123456图4不同电压下扭曲向列相液晶盒中

22、液晶指向矢剖面Fig.4Directorprofileintwistednematicliquidcrystalcellwithdifferentappliedvoltages-0.75-Vo当施加1V电压时，液晶分子已经开始倾斜，线偏振光（P光）入射到液晶层后，反射光中P偏振成分将发生变化;施加2V电压时，液晶分子的倾斜程度发生改变,此时反射光中P偏振成分又会呈现出另外一种变化。对应3种不同的电压，理论和实验曲线基本吻合，由此可以说明理论计算得到的液晶指向矢剖面即为液晶盒中实际的液晶指向矢剖面。这样，扭曲型向列相液晶盒指向矢剖面也就由光导波方法确定了，具体的指向矢剖面（对应不同的电压）如图4

23、所示。除此之外，入射到液晶全漏导模的线偏振光还可以是s光。由于液晶介质的光学各向异性,反射光和透射光中会同时存在偏振保存和偏振转换信号，将这些信号与理论模拟的结果进行比较同样可以得到液晶指向矢剖面。对于不同的液晶盒，这些信号的灵敏度也会有区别。因此.可以适当地选择入射光及反射或透射光的偏振状态进行探测来确定液晶盒指向矢剖面。5结论.利用光导波方法对扭曲向列相液晶盒进行了研究，详细介绍了液晶全漏波导技术的实验操作步骤。线偏振光（P光）入射到由棱镜、折射率匹配液及扭曲型向列相液晶盒构成的全漏导模结构上，记录不同电压下反射光P偏振成分随角度变化的实验数据，并与基于Berreman4X4矩阵的多层光学

24、理论得到的曲线进行比较，发现二者有非常好的吻合，由此确定了不同电压下扭曲向列相液晶盒的指向矢剖面。致谢:实验中得到了杨傅于教授的大力支持和帮助，在此表示由衷的感谢！参考文献：C12SchadtM,HelfrichW.Voltage-dependentopticalactivityofatwistednematicliquidcrystalJ.Appl.Phys.Lett.,1971.18(4):127-128.2YangDK.WuST.FundamentalsofLiquidCrystalDevicesM.Chichester：JohnWiley&SonsLtd.,2006：200-202.3

25、,BlinovLM,ChigrinovVG.ElectroopticEffectsinLiquidCrystalMaterialsNewYork：Springer-Verlag1994：154-171.4DealingHJ.DeformationpatternoftwistednematicliquidcrystallayersinanelectricfieldJ3.Mol.Cyst.Liq.Cryst.,1974,27(1)：81-93.5DickmannS,EschierJ.CossalferO,MlynskiDA.SimulationofLCDsincludingclasticaniso

26、tropyandinhomogeneousfieldsCJl.SID93Digest,1993:638-641.6 邵喜斌，黄锡瑕.有限元法求解液晶层中的指向失的分布J.液晶与显示，2001,16(3):163-169.7 王谦，何赛灵.液晶指向矢分布的模拟和比较研究口.物理学报，2001,50(5)：926-932.8 廖延彪.偏振光学M.北京：科学出版社,2003:94-100.9 余守宪.光信息科学与技术系列丛书：导波光学物理基础M.北京：北方交通大学出版社，2002：1-3.10 YangFZ,SambleJR.GuidedModeStudiesofLiquidCrystalNanot

27、echnologyandNICEDevicesLondon,UK：TaloyandFrancisLtd.,2003：271-280.YangFZSambleJR,BradberryGW.GuidedModesandRelatedOpticalTechniquesinLiquidCrystalAlignmentStudiesM/TheOpticsofThermotropicLiquidCrystals,London,UK：TaloyandFrancisLtd.,1998：85-95.11 李志广，叶文江，郭婷婷，等.平行排列向列相液晶的导波研究J.液晶与显示，2009,24(6):818-822.12 YangFZ,SambleJR.Opticalfullyleakymodecharacterizationofastandardliquid-crystalcellJ.J.Opt.Soc.Am.B,1999.16(3)：488-497.光机电信息征稿启事本刊由中国光学学会：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所主办，科学出版社出版。本刊征集光学和应用光学、光电子学和激光、微纳科技、材料科学、电磁学和电子学、机械、信息