液晶电光效应探究

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1、中国海洋大学学报2013年5月中国海洋大学学报2013年5月液晶电光效应实验摘要：本文在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，得到液晶的阈值电压和关断电压；测量驱动电压周期变化时液晶光开关的时间响应曲线，得到液晶的上升时间和下降时间。实验表明，透射率随外加电压的升高而降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。阀值电压：1.13V、关断电压：1.67V，在较小范围内有略有变化。关键词：液晶；电光特性；时间响应曲线；阀值电压；关断电压中国海洋大学学报2013年5月引言：图1.液晶光开关的工作原理入射的自然光偏

2、振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应光波导已被电场拉伸液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。光通过液晶时，产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。测量液晶光开关的电光特性曲线，得到液晶的阈值电压和关断电压；测量驱动电压周期变化时液晶光开关的时间响应曲线，得到液

3、晶的上升时间和下降时间。实验原理：液晶光开关的工作原理：液晶的种类很多，仅以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃＝10-10米），直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8中国海洋大学学报2013年5月微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列

4、，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿＋45度方向排列，整个扭曲了90度。如图1左图所示。理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2

5、的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场

6、的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的特性随温度的改变而有一定变化。液晶光开关的电光特性：图2液晶光开关的电光特性图2为光线垂直液晶面入射时本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与外加电压的关系。由图2可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最

7、低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。阈值电压：透过率为90％时的驱动电压；关断电压：透过率为10％时的驱动电压。中国海洋大学学报2013年5月液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。TN型液晶最多允许16路驱动，故常用于数码显示。在电脑，电视等需要高分辨率的显示器件中，常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数。液晶光开关的时间响应特性：加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排

8、序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个如图3上图所示的周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。如图3下