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1、液晶物性【摘要】本实验主要观察了液晶盒的旋光现象、双折射现象、衍射现象和电光效应。先在不加电压的情况下，观测液晶盒的旋光性和双折射现象。在对液晶盒加电压观察响应时间和响应曲线，最后观察液晶盒的衍射现象并计算光栅常数。通过对液晶这些现象的观察，了解液晶在电场作用下的变化，及液晶盒的性质。关键词：液晶、双折射、旋光性、电光效应、衍射一、 引言1888年，奥地利布拉格德国大学的植物生理学家莱尼茨尔在测定有机化合物熔点时，观察到胆甾醇苯酸酯（简称CB）在热熔时的特殊性质。它在145.5（熔点）时熔化成浑浊的液体，温度升到178.5（清亮点）后，浑浊的液体会突然变成各向同性的清亮的液体。在熔点和清亮点之
2、间的温度范围内，CB处于不同于各向同性液体的中介相。莱尼茨尔将这一现象告诉德国物理学家莱曼。经过系统研究，莱曼发现物质在中介相具有强烈的各向异性物理特征，同时又具有普通流体那样的流动性。因此这种中介相被称为液晶相，可以出现液晶相的物质被称为液晶。本实验主要观察了液晶盒的旋光现象、双折射现象、衍射现象和电光效应。先在不加电压的情况下，观测液晶盒的旋光性和双折射现象。二、 实验原理1. 液晶形态与组成结构 液晶态不是所有物质都具有的，只有分子量较大、分子成杆状（轴宽比在4：18:1)的物质比较容易具有液晶态。液晶可根据分子排列的平移和取向分为三大类：近晶相、向列相、胆甾相。图1 液晶分子的三种不同
3、排列方式2. 液晶的介电各向异性液晶的各向异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。若用、分别表示液晶平行、垂直于分子取向的介电常数，介电各向异性可用表示，可正可负，称正性液晶，称负性液晶。在外电场作用下，正性液晶沿场方向排列，负性液晶垂直于场方向排列。电场对液晶分子的取向作用由极化各向异性决定。液晶分子没有固定的电极矩，但可以被外电场极化。由于各向异性，分子的极化率不同，分别用和表示。当一个任意取向的分子被外电场极化时，由于和和的区别，造成分子感生电极矩的方向与外电场方向不同，从而使分子发生转动。图2 电场对液晶分子的取向图2中，E为外电场，为分子的长轴方向，两者夹角为。把E分解成沿方向和与
4、垂直的方向的两个分量，则这两个方向上的感生电极矩分别为 （公式1） 电厂E作用在和上的力矩和在方向上是相反的，按图示情形，使分子逆时针转动，使分子顺时针转动，它们的大小分别为 （公式2）当，电场使液晶分子的长轴趋于电场方向排列；当，电场使液晶分子的长轴趋于垂直电场方向排列。3. 液晶的光学各向异性 由于液晶分子结构的各向异性，光在液晶中传播会发生双折射现象，产生寻常光（o光）和非寻常光（e光），表现出光学各向异性。图3 液晶引起的偏振光状态变化 由于液晶的双折射效应，可以使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生变化。如图3所示，在ozd的区域内，液晶长轴按n方向排列，偏振光振动方向与n成角，入射偏
5、振光在x，y方向上的电矢量强度可表示为 （公式3） 其中为电场强度，为光的角频率，。可见液晶液晶引入的光程差为，通过液晶的光最后以所决定的偏振状态 ，（圆，椭圆或线偏振）出射。4. 旋光性图4 扭曲向列相液晶盒 在液晶分子扭曲排列的螺距大大超过光的波长的情况下，若光以平行于分子轴的方向入射，则随着分子轴的扭曲，将以平行于出射面分子轴的偏振方向射出，若光以垂直于分子轴的偏振方向入射，则以垂直于出射面分子轴的偏振方向射出，当以其他线偏振光的方向入射时，则根据双折射效应带来的附加位相差，以椭圆、圆或直线等形式出射。通常一束线偏振光通过旋光物质后，其振动面的旋转角度与旋光物质的厚度d成正比，即 （公式
6、4） 其中，为旋光本领，又叫旋光率，与入射光的波长有关5. 电光效应 电光响应曲线：液晶在外电场作用下，分子取向将发生改变，光通过液晶盒时偏振状态也将发生改变，如果液晶盒后检偏器透光位置不变，系统透光强度将发生改变，透过率与外加电压的关系曲线称为电光响应曲线。透过率最大值和最小值之比称为对比度或者反差。电光响应曲线的三个常用参量：阈值电压：将透过率为90%时所对应的电压称为阈值电压饱和电压：将透过率为10%时所对应时的电压称为饱和电压阈值锐度：饱和电压和阈值电压之比。6. 液晶的响应时间响应时间：当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原排列方式所需要的时间就是响应时间。上升沿时间：透过率由最小值
7、升到最大值的90%时所需要的时间下降沿时间：透过率由最大值降到最大值的10%时所需要的时间7. 液晶衍射 当施加在液晶盒上的低频电压高于某一阈值，带电杂质的运动引起液晶分子的环流，这些小环流小区域导致整个液晶盒中液晶取向的有规则形变，形成折射率的变化，使得通过样品的光聚焦在明暗交替的带上，所称威廉畴。液晶位相光栅满足一般的光栅方程： （公式5） a是光栅常数，是衍射角，k=0，为衍射级次三、 实验内容实验仪器：半导体激光器（650mm），示波器，液晶盒，液晶驱动激光电源，激光器电源，激光功率器，光电池，光电二极管探头，偏振片（2个），光学导轨，白屏。图6 实验光路图实验步骤： 1. 测量液晶表
8、面的锚泊方向，观测液晶中的旋光现象和双折射现象（1） 测量液晶盒的扭曲角（2） 表征液晶的双折射现象2. 测量响应时间改变间歇频率和驱动频率，测量液晶上升沿时间和下降沿时间。3. 测量液晶响应曲线测量升压和降压过程中的电光响应曲线，求出阈值电压、饱和电压、阈值锐度，并对结果进行分析。4. 观察液晶的衍射现象（1） 观察液晶的衍射现象，记录衍射条纹出现和消失时对应的电压。（2） 估算液晶的光栅常数。四、 实验结果分析及讨论1. 扭曲角无液晶盒消光位置：246有液晶盒对应消光位置：137扭曲角：1092. 液晶分子的各向异性无液晶盒时的线偏度：P=2077.8图7 有液晶盒时光强与液晶盒旋转角度的
9、关系检偏器转过90时，记录极值光强的变化，并计算线偏度。分析：有液晶盒时，每隔45出现一次光强极值。 检偏器转过90后，线偏度最大值相对之前没有液晶盒时略有减小但相距不大，原因是放入液晶盒后，接收到的光强减弱，线偏度减小。加入液晶盒时线偏度最小值和无液晶盒时相比差距很大，现象明显，并且当光强较强时，光强的变化相对光强比较小，光强测量存在2%误差，光强强时的误差与光强变化比较接近，所以现象不明显。当测量存在误差时所以用消光位置的进行测量。 因为液晶具有双折射效应，当光以平行或垂直于分子轴的偏振方向入射，则随着分子的扭曲，将以平行或垂直于出射面分子轴的偏振方向射出。当以其他线偏振光方向入射时，则根
10、据双折射效应带来的附加相位差来决定以椭圆、圆或先偏振光出射。同时，因为e光光强较强，减弱的光强相对于e光光强不明显，所以我们在消光位置测得的光强随液晶转动的角度具有较好的周期性，而在消光位置的垂直方向却较难发现相同的规律。3. 电光响应时间测量响应时间时示波器图形：图8 电光响应时间测量表1：电光响应时间测量序号123456789间歇频率（）56.0056.0056.0038.4038.4038.4035.2035.2035.20驱动频率（）2.4004.0005.2002.4004.0005.20023.204.0005.200上升沿时间（）16.0017.2018.4013.6010.00
11、8.80011.6012.8011.60下降沿时间（）15.6014.4013.6014.4013.2010.0013.6013.6010.80分析：当间歇频率和驱动频率变化时，液晶的上升沿时间和下降沿时间并没有随着发生明显的变化。由此推测，液晶的响应时间是液晶盒本身的性质，不随间歇频率和驱动频率改变而变化，是固定的常数。4. 电光响应曲线 图9 x-y液晶响应曲线 图10 x-t液晶响应曲线图11 电压上升时的电光响应曲线 图12 电压下降时的电光响应曲线分析：电压上升时：阈值电压，电压下降时：阈值电压，饱和电压，阈值锐度5. 液晶衍射图13 液晶衍射表2：液晶衍射过程电压与衍射的关系衍射出
12、现时的电压（V）衍射消失时的电压（V)电压上升过程8.8711.59电压下降过程9.153.90分析：当施加在液晶盒上的低频电压高于某一阈值时，带电杂质的运动将会引起液晶分子的环流，这些环流小区域导致整个液晶盒中液晶取向的有规则形变，液晶内部的折射率也将发生周期性变化。随着电压升高，环流结构发生变化，液晶盒中液晶取向也将逐步改变，使得衍射图样也发生改变，当电压达到另一个阈值时，液晶分子取向将完全沿电场方向，环流消失，衍射图样也就随之消失。由此，液晶衍射是不可逆过程。光栅常数：a=6.048五、 实验结论与建议结论：液晶具有双折射效应。实验室用液晶盒的扭曲角约为109。有液晶盒时，液晶盒转动每隔45出现一次光强极值。液晶盒的上升沿时间比下降沿时间要小，且液晶响应时间与间歇频率与驱动频率变化无关，是液晶本身的过程。液晶响应曲线电压上升时：阈值电压，饱和电压电压下降时：阈值电压，饱和电压，阈值锐度。液晶的衍射现象比较明显，液晶衍射是不可逆过程。光栅常数：a=6.048建议：本实验光强测量时，应在黑暗状态下进行仪器调零。六、 参考资料1近代物理实验补充讲义.北京. 北京师范大学物理学系实验教学中心
