液晶物性文档格式.docx

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1.液晶的基本物理性质

1）液晶的介电各向异性——电场对液晶分子的取向作用

液晶的各项异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。

当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同。

当一个任意取向的分子被外电场极化时，各方向上的极化率不同，造成分子感生电极矩的方向和外电场的方向不同，从而使分子发生转动。

旋转将引起类似于弹性恢复力造成的反方向力矩，使得分子在转动一个角度后不再转动。

因此产生电场对液晶分子的取向作用。

2）液晶的光学各向异性——双折射效应

光在液晶中传播会产生寻常光（o光）与非寻常光（e光），表现出光学的各项异性。

所以液晶的光学性质也要通过两个主折射率n'

'

、n⊥描述。

由于n'

和n⊥不同，o光与e光在液晶中传播时产生相位差，使得出射光的偏振态发生变化。

这就是液晶的双折射效应。

2.液晶的光电效应

1）旋光性

由于液晶盒的上下基片的去向成一定的角度，两者间的液晶分子取向将均匀扭曲。

通常振动面的旋光角度θ与旋光物质的厚度d成正比，即为旋光率。

2）液晶响应时间

当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原排列方式所需的时间即为响应时间。

我们用上升沿时间和下降沿时间来衡量液晶对外界驱动信号的响应速度。

上升沿时间：

透过率由最小值升到最大值的90%时所需的时间

下降沿时间：

透过率有最大值降到最大值的10%时所需的时间

3）电光响应时间

由于液晶的电光相应，在外电场的作用下，则系统透光强度将发生变化，透过率与外加电压的关系曲线称为电光响应曲线，它决定着液晶显示的特性。

在电光响应曲线中有3个重要参量，在“常白模式”下：

（1）、阈值电压Vth，即透过率为90%所对应的电压

（2）、饱和电压Vs，即透过率为10%所对应的电压

（3）、阈值锐度β，即饱和电压与阈值电压之比，β=Vs/Vth

“常黑模式”下则相反。

4）液晶光栅

当外加电压在一定范围时，液晶盒中的液晶取向会产生有规则的形变，使得折射率周期性变化。

由于这种周期性变化的尺度与激光的波长相近，因此可以观察到衍射条纹的出现。

液晶盒内形成折射率位相光栅，即液晶光栅。

液晶相位光栅满足一般的光栅方程：

dsinθ=kλ

其中：

d为光栅常数，θ为衍射角，k=0，±

1，±

2…为衍射级次。

实验仪器

半导体激光器（650nm）示波器液晶盒液晶驱动电源激光器电源激光功率计光电池光电二极管探头偏振片（2个）光学导轨白屏

图1.实验原理图

数据处理及实验结果分析

1．测量液晶表面的扭曲方向，观察液晶中的旋光现象和双折射现象

1）a光强随转角的变化

表1.光强随转角的变化图

转角

5

15

25

35

45

55

65

75

85

光强/mW

0.006

0.011

0.030

0.061

0.090

0.088

0.065

0.042

0.018

95

105

115

125

135

145

155

165

175

0.009

0.016

0.041

0.063

0.079

0.076

0.062

0.039

185

195

205

215

225

235

245

255

265

0.008

0.015

0.036

0.082

0.093

0.078

0.047

0.021

275

285

295

305

315

325

335

345

355

0.007

0.012

0.089

0.084

0.052

下面做出对应的图像

图2.光强随转角的变化图

可见，在转一圈的范围内，光照强度经历了4次极大值和4次极小值，所以变化的周期为90度。

这正是液晶双折射效应的体现，每隔45度会出现一次极值。

b测量到的极值角与光强极值

表2.极值角及对应光强极值表

极值角

8

50

140

186

233

317

0.005

0.091

0.081

0.100

0.099

c线偏振度的测量

表3.光强极值点的线偏振度表

极值转角

光强极大值/mW

2.33

2.20

2.24

2.04

2.25

0.35

2.13

极大值对应角度

193

194

光强极小值/mW

0.077

0.075

极小值对应角度

97

98

99

线偏振度

388.3

24.7

248.9

26.5

321.4

28.4

335.7

2）测量液晶的扭曲角

表4.测量扭曲角的记录表

不放入液晶

放入液晶

0.068

280

扭曲角的补角

73

74

三次测量求平均值，扭曲角为106度。

2.测量响应时间

（一）常白模式

图3.常白模式下的电光响应曲线

11.80ms

7.000ms

驱动频率：

2500Hz0.4ms

间歇频率：

40.58Hz24.40ms

响应时间为12.5ms

（二）常黑模式

图4.常黑模式下的电光响应曲线

7.600ms

10.00ms

响应时间为17.60ms

3）观察液晶衍射

（1）液晶由浑浊变清亮

（2）观察两个方向上出现衍射斑的临界电压

表5.液晶衍射出现与消失随电压变化表

电压变化方向

衍射斑出现

衍射斑消失

临界电压/V

从小到大

5.44

9.01

从大到小

7.46

4.20

这两个过程中都会有衍射斑的出现，但是衍射斑出现的电压范围不一致，另外衍射斑的形状也有不同。

（3）测量光栅常数

由公式，令k=1，我们可得

4）测量电光响应曲线

下图为常白模式下的电光响应曲线

图5.常白模式下的锯齿形电压对应的电光响应曲线

a升压过程

阀值电压：

5.80V

饱和电压：

9.4V

阀值锐度：

1.62

B降压过程

6.60V

10.0V

1.52

下图为示波器x-y模式下的电光响应曲线

图6.常白模式下锯齿形电压对应的X-Y模式下的电光响应曲线

实验结论

本实验中我们对液晶盒扭曲角、电光响应曲线、响应时间进行了测量，我们了解了液晶的双折射效应、旋光性以及液晶的电光效应，掌握了液晶响应时间的两种测量方式，常白模式以及常黑模式，观察到了液晶衍射的衍射斑，并设计了常白模式下的测量上升和下降过程电光响应曲线的测量方法。

参考文献

《新概念物理-光学》赵凯华

《近代物理实验补充讲义》北京师范大学物理实验教学中心