實(shí)驗(yàn)13 液晶的電光特性實(shí)驗(yàn)

1、液晶的電光特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)說明書北 京 方 式 科 技 有 限 責(zé) 任 公 司 液晶是一種即具有液體的流動(dòng)性又具有類似于晶體的各向異性的特殊物質(zhì)（材料），它是在1888年內(nèi)奧地利植物學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)的。在我們的日常生活中，適當(dāng)濃度的肥皂水溶液就是一種液晶。目前人們發(fā)現(xiàn)、合成的液晶材料已近十萬種之多，有使用價(jià)值的也有4-5千種。隨著液晶在平板顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用和不斷發(fā)展，以及市場的巨大需求。人們對(duì)它的研究也進(jìn)入了一個(gè)空前的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)希望通過一些基本的觀察和研究，對(duì)液晶材料的光學(xué)性質(zhì)及物理結(jié)構(gòu)有一個(gè)基本了解。并利用現(xiàn)有的物理知識(shí)進(jìn)入初步的分析和解釋。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)測量液晶扭曲角，對(duì)比度c=Tmin/T

2、max，動(dòng)態(tài)范圍DR=10logc(dB)，上升沿時(shí)間T1 與下降沿時(shí)間T22、通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結(jié)構(gòu)尺寸3、觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)實(shí)驗(yàn)原理大多數(shù)液晶材料都是由有機(jī)化合物構(gòu)成的。這些有機(jī)化合物分子多為細(xì)長的棒狀結(jié)構(gòu)，長度為數(shù)nm，粗細(xì)約為0.1nm量級(jí)，并按一定規(guī)律排列。根據(jù)排列的方式不同，液晶一般被分為三大類1）近晶相液晶，結(jié)構(gòu)大致如圖1， 圖1 圖2 圖3這種液晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：分子分層排列，每一層內(nèi)的分子長軸相互平衡。且垂直或傾斜于層面。2、向列相液晶，結(jié)構(gòu)如圖2。這種液晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：分子的位置比較雜亂，不再分層排列。但各分子的長軸方向仍大致相同,光學(xué)性質(zhì)上有點(diǎn)像單

3、軸晶體。3、膽甾相液晶，結(jié)構(gòu)大致如圖3。分子也是分屏排列，每一層內(nèi)的分子長軸方向基本相同。并平行于分層面,但相鄰的兩個(gè)層中分子長軸的方向逐漸轉(zhuǎn)過一個(gè)角度,總體來看分子長軸方向呈現(xiàn)一種螺旋結(jié)構(gòu)。以上的液晶特點(diǎn)大多是在自然條件下的狀態(tài)特征，當(dāng)我們對(duì)這些液晶施加外界影響時(shí)，他們的狀態(tài)將會(huì)發(fā)生改變，從而表現(xiàn)出不同的物理光學(xué)特性。下面我們以最常用的向列液晶為例，分析了解它在外界人為作用下的一些特性和特點(diǎn)。我們?cè)谑褂靡壕У臅r(shí)候往往會(huì)將液晶材料夾在兩個(gè)玻璃基片之間，并對(duì)四周進(jìn)行密封。為了我們的使用目的，將會(huì)對(duì)基片的內(nèi)表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，以便影響液晶分子的排列。這里介紹相關(guān)的三個(gè)處理步驟。1、涂覆取向膜，在基

4、片表面形成一種膜。2、摩擦取向，用棉花或絨布按一個(gè)方向摩擦取向膜。3、涂覆接觸劑。經(jīng)過這三個(gè)步驟后，就可以控制緊靠基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我們使上下兩個(gè)基片的取向成一定角度，則兩個(gè)基片間的液晶分子就會(huì)形成許多層。如圖4的情況(取向成90度)。即每一層內(nèi)的分子取向基本一致，且平行于層面。相鄰層分子的取向逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。從而形成一種被稱為扭曲向列的排列方式。這種排列方式和天然膽甾相液晶的主要區(qū)別是：扭曲向列的扭曲角是人為可控的，且“螺距”與兩個(gè)基片的間距和扭曲角有關(guān)。而天然膽甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人為控制。扭曲向列排列的液晶對(duì)入射光會(huì)有一個(gè)重要的作用，他會(huì)

5、使入射的線偏振光的偏振方向順著分子的扭曲方向旋轉(zhuǎn)，類似于物質(zhì)的旋光效應(yīng)。在一般條件下旋轉(zhuǎn)的角度(扭曲角)等于兩基片之間的取向夾角。由于液晶分子的結(jié)構(gòu)特性,其極化率和電導(dǎo)率等都具有各向異性的特點(diǎn)，當(dāng)大量液晶分子有規(guī)律的排列時(shí),其總體的電學(xué)和光學(xué)特性,如介電常數(shù)、折射率也將呈現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)。如果我們對(duì)液晶物質(zhì)施加電場，就可能改變分子排列的規(guī)律。從而使液晶材料的光學(xué)特性發(fā)生改變，1963年有人發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。這就是液晶的的電光效應(yīng)。為了對(duì)液晶施加電場，我們?cè)趦蓚€(gè)玻璃基片的內(nèi)側(cè)鍍了一層透明電極。我們將這個(gè)由基片電極、取向膜、液晶和密封結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)叫做液晶合。當(dāng)我們?cè)谝壕Ш系膬蓚€(gè)電極之間加上一個(gè)適

6、當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)我們來看一下液晶分子會(huì)發(fā)生什么變化。根據(jù)液晶分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。我們假定液晶分子沒有固定的電極。但可被外電場極化形成一種感生電極矩。這個(gè)感生電極矩也會(huì)有一個(gè)自己的方向，當(dāng)這個(gè)方向以外電場的方向不同時(shí)，外電場就會(huì)使液晶分子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直到各種互相作用力達(dá)到平衡。液晶分子在外電場作用下的變化，也將引起液晶合中液晶分子的總體排列規(guī)律發(fā)生變化。當(dāng)外電場足夠強(qiáng)時(shí)，兩電極之間的液晶分子將會(huì)變成如圖5中的排列形式。 圖4 圖5這時(shí)，液晶分子對(duì)偏振光的旋光作用將會(huì)減弱或消失。通過檢偏器，我們可以清晰地觀察到偏振態(tài)的變化。大多數(shù)液晶器件都是這樣工作的。以上的分析只是對(duì)液晶合在“開關(guān)”兩種極端狀態(tài)下的情況作了

7、一些初步的分析。而對(duì)于這兩個(gè)狀態(tài)之間的中間狀態(tài)。我們還沒有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，其實(shí)在這個(gè)中間狀態(tài)，有著極其豐富多彩的光學(xué)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中我們將會(huì)一一觀察和分析。液晶對(duì)變化的外界電場的響應(yīng)速度是液晶產(chǎn)品的一個(gè)十分重要的參數(shù)。一般來說液晶的響應(yīng)速度是比較低的。我們用上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間來衡液晶對(duì)外界驅(qū)動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)速度情況。定義如下驅(qū)動(dòng)信號(hào) 90%T1T2 10% 響應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一 液晶扭曲角的測量按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶合、偏振片（檢偏器）、功率計(jì)探頭的順序，在導(dǎo)軌擺好光路。連接各種設(shè)備之間的導(dǎo)線。1、打開激光器，仔細(xì)調(diào)整各個(gè)光學(xué)元件的高度和激光器的方向，盡量使激光從光學(xué)元件的中心 穿過，進(jìn)入

8、功率計(jì)探頭。2、旋轉(zhuǎn)起偏器，使通過起偏器的激光最強(qiáng)。3、打開液晶驅(qū)動(dòng)電源，將功能按鍵置于連續(xù)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整到12V。4、旋轉(zhuǎn)檢偏器和液晶盒，找到系統(tǒng)輸出功率最小的位置，記下此時(shí)檢偏器的位置（角度）。5、關(guān)閉液晶驅(qū)動(dòng)電源，此時(shí)系統(tǒng)通光情況將發(fā)生變化，再次調(diào)整檢偏器位置，找到系統(tǒng)通光功率最小的位置，記下此時(shí)檢偏器的位置（角度）。步驟5與6之間的角度位置差，就是該液晶合在該波長下的扭曲角。二 對(duì)比度1、重復(fù)上一實(shí)驗(yàn)的1、2、3、4步，記下最小功率值。為Tmin。2、關(guān)閉液晶驅(qū)動(dòng)電源，記下此時(shí)的系統(tǒng)輸出功率。為Tmax。3、對(duì)比度C=Tmin/Tmax，動(dòng)態(tài)范圍DR=10logc(dB)。三 上升

9、沿時(shí)間T1 與下降沿時(shí)間T2的測量1、重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的1、2、3、4步。2、旋轉(zhuǎn)檢偏器和液晶合，找到系統(tǒng)輸出功率較小的位置。3、用光探頭換下功率計(jì)探頭，連接好12V電源線（紅為+，黑為-，紅對(duì)紅，黑對(duì)黑）。將示波器的CH1通道用信號(hào)線與液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)相連，CH1做觸發(fā)。CH2通道上的示波器表筆與光電二極管探頭相連（地線與12V的地相連，掛鉤掛在探頭線路扳的掛環(huán)上）。4、打開示波器電源，功能置于雙綜顯示，CH1觸發(fā)。5、觀察示波器上的CH1通道波形。了解液晶驅(qū)動(dòng)電源的工作條件。6、將功能按鍵置于間歇狀態(tài)，調(diào)整間歇頻率旋鈕，觀察系統(tǒng)輸出光的變化情況，和示波器上波形的情況，體會(huì)液晶電源的工作原理。7、根據(jù)

10、定義，在示波器上測量上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間。四 通過測量衍射角推算出特定條件下，液晶的結(jié)構(gòu)尺寸1、取下實(shí)驗(yàn)一中的檢偏器和功率計(jì)探頭。2、打開液晶驅(qū)動(dòng)電源，將功能按鍵置于連續(xù)，將驅(qū)動(dòng)電壓置于6V左右，等待幾分鐘，用白屏觀察液晶合后光斑的變化情況。應(yīng)可觀察到類似光柵衍射的現(xiàn)象。3、仔細(xì)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓和液晶合角度，使衍射效果最佳。4、用尺子量出衍射角，用光柵公式求出這個(gè)液晶“光柵”的光柵常數(shù)。五 觀察測量衍射斑的偏振狀態(tài)。1、重復(fù)實(shí)驗(yàn)4的1、2、3步。2、緊靠液晶合放置檢偏器。3、用白屏觀察檢偏器后衍射斑。4、旋轉(zhuǎn)檢偏器，觀察各衍射斑的變化情況，指出其變化規(guī)律。主機(jī)箱面板功能： 主機(jī)箱“液晶驅(qū)動(dòng)電源”主要功能為液晶合的工作電壓、間歇頻率、驅(qū)動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)，以及液晶合的工作狀態(tài)等。各面板元器件作用與功能如下：液晶實(shí)驗(yàn)主機(jī)前面板1、表頭：3位半數(shù)字表頭，用于指示液晶合工作電壓的大小，可通過驅(qū)動(dòng)電壓旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、間歇/連續(xù)按鈕：液晶合的工作狀態(tài)，開或關(guān)。3、間歇頻率旋鈕：4、驅(qū)動(dòng)頻率旋鈕：5、驅(qū)動(dòng)電壓旋鈕