液晶的物理性质

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1、液晶物性王舒涵201311141005日期：2015年10月8日指导教师：熊昌民【摘要】本实验利用液晶盒、激光器、偏振片等器具，主要对液晶的介电各向异性、光学各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。实验中，测得了液晶盒的光扭曲角为118°；并得到了间隙频率增大，液晶响应时间减小的结论；还观察分析了液晶“光栅”并测得常数。【关键词】液晶物性，扭曲角，线偏度，响应时间，液晶衍射，光电响应曲线一、引言：1988年，奥地利植物学家莱尼茨尔在测定有机化合物熔点时，发现胆甾醇苯酸酯晶体加热到145.5°C（熔点）会熔融成浑浊的液体，继续加热到178.5°C（清

2、亮点），混浊的液体会突然变成各向同性的清亮的液体。在熔点到清亮点的温度范围内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了德国物理学家莱曼。经过系统研究，莱曼发现许多有机化合物都可以出现中介相，物质在中介相具有强烈的各向异性物理特征，同时又象普通液体那样具有流动性。因此这种中介相被称为液晶相，那些可以出现液晶相的物质被称为液晶。在实验中，我们将对液晶盒的扭曲角、电光响应曲线和响应时间进行测量，同时观察和分析液晶的衍射现象，了解液晶在外电场作用下的变化规律。二、实验原理：1、液晶相与液晶态：可以出现液晶相的物质被称为液晶。通常，只有那些具有较

3、大的分子、分子形状是杆状（或碟形，分子的轴宽比在4:1~8:1）的物质，才更容易具有液晶态。不是所有物质都具有液晶态。由杆形分子形成的液晶，其液晶相可根据分子排列的平移和取向有序性分为三类：近晶相、向列相和胆甾相。如图1，向列相液晶分子保持平行排列状态，但分子重心混乱无序；胆甾相实际是向列相的特殊形式，分子排列成层，层内分子取向有序，不同层分子取向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构；近晶相分子排列成层，层内分子平行排列，既有取向有序性也有分子重心平移性。本实验采用的液晶是向列相液晶。图1液晶分子的三种不同排列方式2、液晶的基本物理性质：（1）介电各向

4、异性——电场对液晶分子的取向作用（2）光学各向异性——双折射效应nnnnn其取值在0.05~0.45之间。eo//，3、液晶的电光效应：液晶在外电场的作用下分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电对光的调制现象。因为液晶盒具有介电各向异性，因此外加电场能使液晶分子的排列发生变化，进行光调制。（1）旋光性通常使用的液晶材料被封装在两个镀有透明导电薄膜的玻璃基片之间，玻璃的表面经过特殊处理，液晶分子的排列将受到表面的影响，这种装置称为液晶盒，液晶盒表面液晶分子的取向称为锚泊方向。如果上下两个基片的取向成一定角度，两个基片

5、间液晶分子取向将均匀扭曲。在扭曲向列液晶盒（twistednematic-TN）中，从液晶盒的一个表面到另一个表面，液晶分子的排列方向刚好旋转了90°。常用的还有所谓高扭曲向列液晶盒（HTN）和超扭曲向列液晶盒（STN），对应的旋转角分别为110°~130°和180°~270°之间。TN、HTN和STN液晶盒都具有很强的旋光性。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偏振方向入射，则随着分子轴的扭曲，将以平行分子轴的偏振方向出射，若光以垂直于分子轴的偏振方向入射，则随着分子轴的扭曲，将以垂直分子轴的偏振方向出射。当以其他线偏

6、振光的方向入射时，则根据双折射效应的附加相位差，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d其中，为旋光本领，又叫旋光率，与入射光的波长有关。以线偏振白光垂直入射液晶，透过液晶后，不同波长的光的偏振方向旋转的角度不同，这种色散现象称为旋光色散。TN模式的最重要特点就是液晶盒的设置满足摩根条件（液晶分子的扭曲螺距和其双折射率的乘积远大于入射光波长的一半），这样光在通过该液晶层时，其偏振面发生的旋转就与波长无关。或者说，当满足摩根条件时，不同波长的入射光经过液晶层后各自偏振面

7、产生的旋转角度是一样的，旋光率在可见范围内几乎不变，所有通过TN型液晶后都旋转90度。但HTN和STN液晶盒旋光本领在可见光范围内变化较大，可以看到明显的眩光色散。22旋光本领：-22p081-p2p2000p其中，是长轴方向和短轴方向的介电常数之差，0是液晶的螺距，是光在真空中的波长，0是液晶的平均介电常数。在可见光范围内，1-2p20的变0-2化很小，因此可以认为液晶的旋光度正比于。（2）电光效应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变化，如果液晶盒后检

8、偏器的透光位置不变，系统透过的光强将发生变化，透过率与外加电压的关系曲线称为电光