大學物理實驗C《液晶電光效應(yīng)實驗研究》論文道

1、普通物理實驗 c 課程論文題 目 液晶電光效應(yīng)實驗研究學 院 物理科學與技術(shù)學院專 業(yè) 物 理 師 范年 級 2010 級學 號 222010315210108姓 名指 導 教 師論 文 成 績答 辯 成 績 年 月 日 液晶電光效應(yīng)實驗研究 西南大學物理科學與技術(shù)學院摘要： 目前液晶在物理、化學、電子生命科學等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。如：光導液晶光閥、光調(diào)制器、液晶顯示器件、各種傳感器、微量毒氣監(jiān)測、夜視仿生等，其中液晶顯示器件、光導液晶光閥、光調(diào)制器、光路轉(zhuǎn)換開關(guān)等均是利用液晶的電光效應(yīng)的原理制成的。因此掌握電光效應(yīng)很有用。本實驗通過 fdlcei 型液晶電光效應(yīng)實驗儀測定了液晶樣品的電光曲

2、線，并根據(jù)電光曲線求出了樣品的電光效應(yīng)的主要參數(shù)。并通過自配數(shù)字存儲示波器觀測了液晶樣品的響應(yīng)時間。關(guān)鍵詞： 液晶 ； 光電效應(yīng)； 在過去的十多年內(nèi)，信息技術(shù)的空前發(fā)展宣告了第三次工業(yè)革命的來臨。網(wǎng)絡(luò)時代的出現(xiàn)，移動電話及電子貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，所有這些新技術(shù)革命的諸多方面已經(jīng)造就了一個信息時代的21世紀。信息的捕捉、控制、儲存、傳輸和顯示已同人類知識的增長和生活質(zhì)量的改善密切地聯(lián)系在一起。在這樣的信息社會時代，信息材料，尤其是信息顯示材料及器件顯得尤為重要。目前市場上的顯示器件主要有陰極射線管crt、等離子顯示屏pdp、液晶顯示器lcd和發(fā)光二極管led等。它們都有著不同程度的缺陷，如陰極射線管

3、crt體積大，不能實現(xiàn)平面顯示；等離子顯示屏pdp功耗大；發(fā)光二極管led難以實現(xiàn)藍色顯示，分辨率低；剛走出實驗室的oled技術(shù)目前還不是很成熟，穩(wěn)定性及壽命急待解決。而液晶顯示器lcd隨著技術(shù)的進步，工藝的完善以及成本的降低，受到越來越多的青睞。而液晶顯示器件就是利用了液晶的電光效應(yīng)制成的。此外，光導液晶光閥、光調(diào)制器、光路轉(zhuǎn)換開關(guān)等也均是利用液晶光電效應(yīng)的原理制成的。因此，掌握液晶電光效應(yīng)無論從實用角度還是從物理實驗教學角度都是很有意義的?！?】實驗?zāi)康?. 測定液晶樣品的電光曲線；2. 根據(jù)電光曲線，求出樣品的閥值電壓 uth，飽和電壓 ur，對比度 dr，陡度等電光 效應(yīng)的主要參數(shù)；3

4、. 用自配數(shù)字存儲示波器觀測液晶樣品的電光響應(yīng)時間；實驗原理1.（液晶） 液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流動性、粘度、形變等機械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。液晶分子在形狀、介電常數(shù)、折射率及電導率上具有各向異性。因此，液晶具有電光效應(yīng)，即對液晶施加電場，隨著液晶分子取向結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，它的光學特性也隨之變化。液晶顯示器的種類有很多，利用液晶的電光效應(yīng)而實現(xiàn)顯示的有扭曲向列相液晶、超扭曲向列相液晶、高扭曲向列相液晶等。扭曲向列相液晶，也稱為tn型液晶，是應(yīng)用范圍最廣、價格較便宜的液晶顯示器。我們常用的電子表、計算器、游戲機等的顯示屏大都是tn型液晶。液晶與液體、晶

5、體之間的區(qū)別是：液體是各向同性的，分子取向無序；液晶分子取向有序，但位置無序，而晶體二者均有序。 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)、折射率及電導率上具有各向異性特性的物質(zhì)，如果對這樣的物質(zhì)施加電場，隨著液晶分子取向結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，它的光學特性也隨之變化，這就是通常說的液晶的電光效應(yīng)。 、扭曲向列相型（tn） 液晶的電光效應(yīng)種類繁多，主要有動態(tài)散射型（ds） 、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)用較廣的如

6、tft型主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔電子產(chǎn)品；stn型主要用于手機屏幕等中檔電子產(chǎn)品；tn型主要用于電子表、計算器、儀器儀表、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型液晶顯示器件原理較簡單，是stn、tft等顯示方式的基礎(chǔ)。本實驗所使用的液晶樣品即為位tn型。2.1 tn型液晶盒結(jié)構(gòu) tn型液晶顯示器是一個由上下兩片導電玻璃制成的液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四周密封。液晶盒厚一般為幾個微米，其中上下玻璃片內(nèi)側(cè)鍍有顯示電極，以使外部電信號通過電極加到液晶上。上下玻璃基板內(nèi)側(cè)覆蓋著一薄層高分子有機物定向?qū)?，?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。

7、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了90°。所以稱為扭曲向列型。 液晶盒玻璃片的兩個外側(cè)分別貼有偏振片，這兩個偏振片的偏光軸互相平行常黑型或相互正交常白型，且于液晶盒表面定向方向相互平行或垂直?！?】 tn型液晶盒結(jié)構(gòu)圖2.2 扭曲向列型電光效應(yīng) 無外電場作用時，由于可見光波長遠小于向列相液晶的扭曲螺距，因此當線偏振光垂直玻璃表面入射時，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)90度，即出射光仍為線偏振且偏振方向平行于液晶盒下表面分子軸方向射出（見圖1（a）不通電部分，圖中液晶盒上下表面各附

8、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，仍為線偏振光且方向也垂直于下表面液晶分子軸；當入射線偏振光與液晶盒上表面分子取向不為平行或垂直情況時，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。 對液晶盒施加電壓，當電壓達到一定數(shù)值時，液晶分子長軸開始沿電場方向傾斜，電壓繼續(xù)增加到另一數(shù)值時，除附著在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子長軸都按電場方向進行重新排列（見1圖b中通電部分），此時tn型液晶盒在無外電場作用時的90度旋光性隨之消失。 【3】 若將液晶盒放在兩片平行偏振片之間

9、，其偏振方向與上表面液晶分子取向相同。不加電壓時，入射光通過起偏器形成的線偏振光，經(jīng)過液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉(zhuǎn) 90°，不能通過檢偏器；施加電壓后，透過檢偏器的光強與施加在液晶盒上電壓大小的關(guān)系見圖 3；其中縱坐標為透光強度，橫坐標為外加電壓。最大透光強度的 10所對應(yīng)的外加電壓值稱為閾值電壓（uth），標志了液晶電光效應(yīng)有可觀察反應(yīng)的開始（或稱起輝），閾值電壓小，是電光效應(yīng)好的一個重要指標。最大透光強度的 90對應(yīng)的外加電壓值稱為飽和電壓（ur），標志了獲得最大對比度所需的外加電壓數(shù)值，us 小則易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對顯示壽命有利。對比度 drimax/i

10、min，其中 ，imin 為最小亮度。陡度ur/uth 即飽和電壓imax 為最大觀察（接收）亮度（照度）與閾值壓之比。 i/w u/v2.3 tn-lcd 結(jié)構(gòu)及顯示原理 tn 型液晶顯示器件結(jié)構(gòu)如下圖，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。自然光入射后，經(jīng)過偏振片形成與上表面分子取向相同的線偏振光，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長軸旋轉(zhuǎn) 90°，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，光不能透過顯示器（為黑態(tài)），通電時，90

11、°旋光性消失，光可通過顯示器（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，如下圖所示結(jié)構(gòu)。tn-lcd 可用于顯示數(shù)字、簡單字符及圖案等，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。 tn 型液晶顯示器件結(jié)構(gòu)參考圖 【4】實驗儀器 fd-lce-1 液晶電光效應(yīng)實驗儀實驗裝置示意圖 如圖1所示，液晶電光效應(yīng)實驗儀主要由控制主機部分和導軌部分組成。 、液晶樣品、起偏器、 導軌部分從左到右依次為檢偏器及光電探測器（連接在一起）半導體激光器。各部件都與滑塊連接，可在導軌上移動。 主機部分包括方波發(fā)生器、方波有效值電壓表、光功率計。技術(shù)指標：1 半導體激光器：3v

12、 dc 電源；輸出650nm 紅光2 方波電壓： 0-10v 左右（有效值）連續(xù)可調(diào)；頻率500hz 左右3 光功率計：量程有0-200uw 和0-2mw 兩檔4 光具座：長50.0cm實驗步驟1 光學導軌上依次為：半導體激光器起偏器液晶盒檢偏器（帶光電探測器）。打開半導體激光器，調(diào)節(jié)各元件高度，使激光依次穿過起偏器、液晶盒、檢偏器，打在光電探測器的通光孔上。2 接通主機電源，拔下電壓表輸出導線，將光功率計調(diào)零，選用 0-2mw 檔。用話筒線連接光功率計盒光電轉(zhuǎn)換盒，此時光功率計顯示的數(shù)值為透過檢偏器的光強大小，旋轉(zhuǎn)起偏器至 。旋轉(zhuǎn)檢偏器，觀察 ，使其偏振方向與液晶片表面分子取向平行（或垂直）

13、光功率計數(shù)值變化，若最大值小于 ，?尚氳繼寮餛鰨棺畬笸干涔馇看笥?。最后旋轉(zhuǎn)檢偏器至透射光強值達到最小。3 連接電壓表輸出導線，將電壓表調(diào)至零點，用紅黑導線連接主機和液晶盒，從0開始逐漸增大電壓，觀察光功率計讀數(shù)變化，電壓調(diào)至最大值后歸零。4 從0開始逐漸增加電壓，0-2.5v 每隔0.2v 或0.3v 記一次電壓及透射光強值，2.5v后每隔0.1v 左右記一次數(shù)據(jù)，6.5v 后再每隔0.2v 或0.3v 記一次數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵點附近多測幾組數(shù)據(jù)5 選做自配數(shù)字存儲示波器，可測試液晶樣品的電光響應(yīng)曲線，求得樣品的響應(yīng)時間。注意事項1、 拆裝時只壓液晶盒邊緣，切忌擠壓液晶盒中部；保持液晶盒表面清潔，

14、不能有劃痕應(yīng)防止液晶盒受潮，防止受陽光直射。2、 驅(qū)動電壓不能為直流。3、 切勿直視激光器。實驗室據(jù)記錄與處理1. 數(shù)據(jù)記錄u/v i/uw u/v i/uw u/v i/uw u/v i/uw u/v i/uw0.00 9.9 0.24 10.0 0.40 9.9 0.62 9.9 0.81 9.91.00 9.9 1.20 9.9 1.41 10.0 1.60 10.0 1.78 10.11.90 10.1 2.01 10.1 2.24 10.2 2.44 10.2 2.52 10.22.61 10.2 2.71 10.2 2.82 10.3 2.91 10.3 3.03 191.13.0

15、5 192.1 3.07 193.3 3.09 194.6 3.12 196.2 3.18 199.63.34 204.0 3.41 208.0 3.49 212.0 3.53 215.0 3.96 270.24.17 310.3 4.29 320.0 4.58 354.1 4.70 363.0 4.83 377.05.15 395.0 5.36 402.0 5.48 412.0 5.64 416.0 5.87 423.05.99 425.0 6.18 426.1 6.25 427.0 6.44 428.5 6.63 429.02. 數(shù)據(jù)處理1. 做電光曲線圖 電光曲線圖 500.0 450.

16、0 400.0 350.0 300.0 250.0 i/uw 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 -50.0 u/v2. 求出樣品的閾值電壓 uth、飽和電壓 ur、對比度 dr 及陡度。 i max 429 w ，對應(yīng)的電壓為 6.63v， 10 i max 42.9w ，此時對應(yīng)的電壓為閾值電壓 uth，即 uth2.97v； 90 i max 386.1w ，此時對應(yīng)的電壓為飽和電壓 ur，即 ur4.99v。 對比度： dr imax/imin 429w/9.9w 43.3 陡度：ur/u

17、th4.99v/2.97v1.68應(yīng)用前景1 如果兩偏振片正交放置，則無電場時呈透明態(tài)，而加電場達到閾值電壓后呈不透明狀態(tài)根據(jù)液晶的這種光電效應(yīng)特性，如果把液晶快門用于焊接面罩，將cds等光敏電阻組裝入液晶快門內(nèi)，平時是透明態(tài)，一旦檢出焊接時的電弧光就瞬時給液晶盒施加電壓，降低液晶盒的光透射性能，保護眼睛免受焊接電弧光的刺激另外，根據(jù)這個原理可制作液晶窗簾，作為電動窗簾使用2 用液晶制成的透鏡具有焦距可變、薄、輕、消耗功率少等優(yōu)點液晶電光效應(yīng)種類繁多，根據(jù)不同的原理可設(shè)計不同種類的光學器件，其應(yīng)用前景極為廣泛【5】實驗結(jié)論 當電壓在 22.97v由于電壓小于閥值電壓，所以透射光強沒有明顯改變；當電壓增加到 2.97v 時，