液晶电光特性讲义

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1、液晶的电光特性实验实验目的：研究一束线偏振光通过液晶合后，其偏振态的变化规律，以及在交流电场作用下的变化情况，观察、测量工作电压与透射光的强度、偏振态和光斑形状的关系，确定液晶合的扭曲角。了解液晶的工作原理和特性。对液晶施加间歇驱动电压，用示波器观察液晶盒的响应情况，测量液晶响应的上升时间和下降时间。实验原理：液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质(材料)，它是在1888年奥地利植物学家发现的。目前人们发现、合成的液晶材料已近十万种之多，有使用价值的也有4-5千种。随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发

2、展，人们对它的研究也进入了一个空前的状态。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为O．1nm量级，并按一定规律排列。根据排列的方式不同，液晶一般被分为三大类l、近晶相液晶，结构大致如图1。这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平行，且垂直与层面。2、向列相液晶，结构如图2。这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同，光学性质上有点像

3、单轴晶体。3、胆甾相液晶，结构大致如图3。分子也是分层排列，每一层内的分子长轴方向基本相同并平行于分层面，但相邻的两层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度，总体来看长轴方向呈现一种螺旋结构。以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征，当我们对这些液晶施加外界影响时，它们的状态将会发生改变，从而表现出不同的物理光学特性。下面我们以最常见的向列相液晶为例，分析了解它在外界人为影响下的一些特性和特点。将液晶材料夹在两个内表面进行适当处理的玻璃基片之间，并对四周进行密封，称其为液晶合。对玻璃基片的处理分三个步骤：l、涂覆取向膜：在基片表面形成

4、一种膜。2、摩擦取向：用棉花或绒布按一个方向摩擦取向膜。3、涂覆接触剂。经处理后的基片就可以控制紧靠基片的液晶分子，使其分子长轴方向平行于基片并按摩擦方向排列。使上下两个基片的取向成一定角度，则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。如图4的情况(取向成90度)。即每一层内的分子取向基本一致，且平行于层面。相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。从而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。扭曲向列排列的液晶会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度（扭曲角）等于两基片之间的取向夹角。由于液晶分

5、子的结构特性，其极化率及电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时，其总体的电学和光学特性如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果对液晶物质施加电场，就能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，这就是液晶的的电光效应。在两个玻璃基片的内侧镀一层透明电极。当在这两个电极之间加适当电压时液晶分子可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向与外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中

6、液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图5中的排列形式。这时液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。以上的分析只是对液晶合在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。对于这两个状态之间的中间状态。目前还没有一个清晰的认识，其实在这个中间状态，有着极其丰富多彩的光学现象。实验中将会观察和分析。液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般来说液晶的响应速度是比较低的。我们用上升沿时间和下降沿时间

7、来衡量液晶对外界驱动信号的响应速度。定义如下图6实验设备：800mm光学实验导轨l根；二维可调半导体激光器1台；偏振片2个；液晶合l个；液晶驱动电源1台；示波器1个；光功率指示计1台；白屏1个；光电二极管探头l个；导轨滑块5个；钢板尺l个。实验数据：1，液晶扭曲角的测量340°-215°=125°2，对比度的测量C=Tmin/TmaxC=0.6uw/0.68mw=0.001db3,上升沿时间T1与下降沿时间T2的测量T1=3.5msT2=2.5ms4，液晶的电光效应曲线测量次数12345678910U（电压）12111098765

8、43I（光功率）0.6uw1.1uw3.0uw7.9uw19.0uw30.5uw0.2mw0.6mw0.67mw0.71mw