液晶物性实验报告
摘要
本实验主要是对液晶的基本物理性质进行探究。在实验中测量了透过液晶盒的光强随入射光偏振方向与液晶分子主方向间角度的变化，了解了双折射效应的机制；观察液晶盒的旋光效应，测量出液晶盒的扭曲角为120度；分别测量了液晶在常黑模式和常白模式下响应时间；观察了液晶的衍射现象；并在常黑模式下设计测量了对应升压和降压过程的电光响应曲线。 关键词
液晶物性、电光效应、响应时间、液晶衍射 引言
19世纪末奥地利植物学家莱尼兹尔在测定有机化合物熔点时发现了液晶。到了20世纪20年代随着更多液晶材料的发现及技术的发展，人们对液晶进行了系统深入的研究，并将液晶分类。30年代到50年代人们对液晶的各向异性、液晶材料的电光效应等进行深入的研究。到了60年代液晶步入了使用研究阶段。自1968年海尔曼等人研制出世界上第一台液晶显示器以来，在四十年的时间里，液晶显示器以由最初在手表、计算器等“小、中型”显示器发展到各种办公自动化设备、高清晰的大容量平板显示器领域。
本实验通过对液晶盒的扭曲角，电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观察分析，了解液晶在外电场的作用下的变化，以及引起的液晶盒光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法。 实验原理
液晶态与普通的物质三态不同，不是所有的物质都具有这种性质。那些有较大的分子且分子的形状是杆状的物质容易形成液晶。对由杆状分子形成的液晶，根据分子排列的平移和取向的有序性可以分成三类：近晶相，向列相，胆缁相。
近晶相：分子排成层，层内分子平行排列，既有取向有序性又有重心平移周期性。 向列相：液晶分子保持平行排列状态，但分子重心混乱无序。
胆缁相：分子排列成层，层内分子取向有序，但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。 1、液晶的介电各向异性
当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同表示为?、??。当一个任意取向的分子被外电场极化时，由于?、??的区别，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。如果考虑到液晶内各个分子之间的相互作用以及分子与基片表面的作用，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
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?的不同，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。 3、液晶的旋光性
由于液晶盒的上下基片的取向成一定的角度，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???(?)d，?(?)为旋光率。 4、液晶的电光效应
液晶在外电场的作用下，分子取向将发生改变，光通过液晶盒的偏振状态也将发生变化，此时若检偏器的透光位置不变，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。其中透过率最大与最小的比称为对比度C，即
C?Tmax/Tmin
C越大画面越生动明亮，所以其大小直接影响到液晶显示器的显示质量。 在电光响应曲线中有3个重要参量：
1）、阈值电压，即透过率为90%所对应的电压 2）、饱和电压，即透过率为10%所对应的电压 3）、阈值锐度，即饱和电压与阈值电压之比 5、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：透过率有最大值升到最大值的10%时所需的时间 6、液晶衍射
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：
dsin??k? 其中：d为光栅常数，? 为衍射角，k=0,?1,?2…为衍射级次。
实验内容: 1、实验仪器：
半导体激光器、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是实验原理图，激光经过欺骗器后成为线偏振光，偏振光经过扭曲向列相液晶后振动方向发生变化，检偏器用来鉴别液晶出射光的偏振态。激光电源和激光功率计被集成在一个盒子中。液晶驱动电源同时具有三个功能：（1）为液晶提供峰值为12V的交流电压；（2）为光电二极管提供12V的偏置电压；（3）将光电二极管接收到的信号输出值示波器。
图1 实验原理图
2、实验步骤：
（1）液晶表面锚泊方向的测量、液晶的旋光现象以及双折射现象 实验中调节光路起偏器使入射到液晶表面的光强最大，调节检偏器，测量放入液晶时的线偏度 L。 当不加驱动电压时，在 0-360°范围内旋转液晶，并旋转检偏器，找到系统消光的位置，研究最小 输出光强随液晶角度的变化规律。分析实验数据，可求出液晶盒的扭曲角。
（2）测量响应时间 将光电池替换为响应时间较短的光电二级管，将液晶驱动电源调为 12V 左右，并置于间隙状态。 改变间歇频率和驱动频率，旋转液晶盒和检偏器,观察和记录驱动信号和液晶响应信号的变化。设置3个间歇频率，测量在这3个不同的间歇频率下的上升沿时间和下降沿时间。 （3）液晶的衍射现象 取下液晶盒，缓慢增加和减小液晶的调制电压，仔细观察液晶盒表面的变化。将液晶盒置于光路 中。取下检偏器。在白屏上观察液晶光栅的衍射现象，读出六级条纹间距。计算光栅常数。
（4）测量电光响应曲线 在“常黑模式”和“长白模式下”下考虑液晶的衍射现象，利用功率输出仪器输出 0—10v 的三角 波电压作为驱动电压。利用示波器记录电光响应曲线。根据图像分别测量升压和降压过程中液晶的电 光响应曲线。
数据处理与实验结果分析
1、液晶盒表面锚泊方向的测量、液晶的旋光现象以及双折射现象 表1、放入液晶前后光强度
放入液晶前
最大光强/mW 最小光强/mW 线偏度 1.86 0.001 1860 放入液晶后
1.229 0.007 175.57
由表1可知经起偏器的出射光线偏度较高，因而可近似看做线偏振光。
放入液晶后线偏振度明显降低，说明线偏振光经过液晶盒发生双折射现象，使得偏振态发生变化，通常变为椭圆偏振光。
表2 出射光强度与液晶转角数据记录
液晶转角/° 155 110 63 33 333 288 245 196 试验中发现，旋转液晶盒后调整检偏器寻找此时的最小输出光强，检偏器的位置几乎不发生变化，说明由旋光性引起扭曲角的大小与线偏振光的偏振方向无关，而试验中检偏器位置发生的较小变化是由于不同的偏振方向线偏振光经过液晶盒时引起的双折射现象不同，由双折射现象引起了旋光角度的变化。
经过液晶盒的最小输出光强随液晶转角成周期性变化，大约每90度出现一个极大值与一个极小值,相邻极大值与极小值之间液晶盒的转角约为45度。根据长轴和短轴的比值计算线偏度：在极小值处线偏度平均值L=620。比较接近理论值无穷大。所以，输出极大值处对应出射光为线偏度最小的椭圆偏振光，极小值时对应出射的为线偏振光。
出现这一现象的原因是，当光以平行或垂直于分子轴的偏振方向入射，则随着分子的扭曲，将以平行或垂直于出射面分子轴的偏振方向射出。当以其他线偏振光方向入射时，则根据双折射效应带来的附加相位差来决定以椭圆、圆或先偏振光出射。这一操作其实就是通过观察出射光偏振状态随入射光偏振方向与分子轴方向夹角的变化来了解液晶双折射效应的机制。
最大光强/mW 1.282 1.101 1.228 1.125 1.257 1.090 1.195 1.146 最小光强/mW 0.002 0.073 0.002 0.050 0.002 0.074 0.002 0.079 线偏度 641 15.08219178 614 22.5 628.5 14.72972973 597.5 14.50632911
图2 输出光强随液晶转角的变化规律
测得不加液晶时光强达到最小时检偏器角度为155度，加液晶后，调节检偏器和液晶盒，出射光强达到最小时检偏器的角度为35度，由此可知扭曲角为120度。 2.测量响应时间
（1）常白模式下，示波器上显示如图3所示：
图3 常白模式液晶响应信号波形
实验测得
驱动频率ms
间隔频率ms Ton Toff 0.00253 0.01846 0.00326 0.00355 0.00185 0.01682 0.00293 0.0031
0.00208 0.01339 0.00284 0.00285
（2）驱动及液晶响应信号随频率的变化规律：
当驱动频率不变时，随着间歇频率的增大，驱动信号的开关周期明显减小，脉冲周期不变；液晶响应信号的波形也随着周期的减小而变窄，但测得的响应时间变化不大。
当间歇频率不变时，随着驱动频率的增大，驱动信号的开关周期略为变小，脉冲周期显
液晶物性实验报告
