液晶物理实验

  • 指导教师:乐永康
  • 技术顾问:徐克璹教授
  • 课题参与者:明亮、王哲雅(2010年9月起,设计性研究性物理实验),李争路(2009年9月起,课外实验),曹海元、陈宓(2009年3月到6月,近代物理实验I选做课题)

背景知识

液晶(Liquid Crystal)是一种高分子材料,因为其特殊的物理、化学、光学特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。

人们熟悉的物质状态(又称相)为气、液、固,较为生疏的是等离子和液晶(Liquid Crystal,简称LC)。液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质。液晶的定义,现在以放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相,在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们的特殊光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值。

1888年,奥地利叫莱尼茨尔的科学家,合成了一种奇怪的有机化合物,它有两个熔点。把它的固态晶体加热到145℃时,便熔成液体,只不过是浑浊的,而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175℃时,它似乎再次熔化,变成清澈透明的液体。后来,德国物理学家列曼把处于“中间地带”的浑浊液体叫做晶体。它好比是既不象马,又不象驴的骡子,所以有人称它为有机界的骡子.液晶自被发现后,人们并不知道它有何用途,直到1968年,人们才把它作为电子工业上的的材料.

液晶显示材料最常见的用途是电子表和计算器的显示板,为什么会显示数字呢?原来这种液态光电显示材料,利用液晶的电光效应把电信号转换成字符、图像等可见信号。液晶在正常情况下,其分子排列很有秩序,显得清澈透明,一旦加上直流电场后,分子的排列被打乱,一部分液晶变得不透明,颜色加深,因而能显示数字和图象。

液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。

一些有机化合物和高分子聚合物,在一定温度或浓度的溶液中,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,这就是液晶。液晶光电效应受温度条件控制的液晶称为热致液晶;溶致液晶则受控于浓度条件。显示用液晶一般是低分子热致液晶。

根据液晶会变色的特点,人们利用它来指示温度、报警毒气等。例如,液晶能随着温度的变化,使颜色从红变绿、蓝。这样可以指示出某个实验中的温度。液晶遇上氯化氢、氢氰酸之类的有毒气体,也会变色。在化工厂,人们把液晶片挂在墙上,一旦有微量毒气逸出,液晶变色了,就提醒人们赶紧去检查、补漏。

液晶种类很多,通常按液晶分子的中心桥键和环的特征进行分类。目前已合成了1万多种液晶材料,其中常用的液晶显示材料有上千种,主要有联苯液晶、苯基环己烷液晶及酯类液晶等。液晶显示材料具有明显的优点:驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器,便于携带等。由于这些优点。用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响,促进了微电子技术和光电信息技术的发展。

——摘自:百度百科-液晶

实验内容

  1. 电光特性研究
  2. 液晶空间光调制器
    • 光的振幅调制
    • 光的位相调制

参考资料

基础知识:

(一)液晶的分类及其特性和应用

向列型 胆甾型 近晶型
分子排列 分子位置无序,从全体来看,分子轴取向有序 分子轴成螺旋排列,扭曲的螺距为0.3微米左右,扭曲方向为左旋或右旋 在一个方向上保持位置有序,排列成层状
分类 根据介电各向异性可以分为P型和N型 根据不同的织构可以分为焦锥织构,平面织构,场致向列织构 按照层内原子排布可以分为A、B、C型
电光效应 动态散射 电控双折射 宾主效应 旋光效应 存贮效应 相变 宾主效应 相变
应用 显示器 显示器 温度计 显示器

(二)液晶光电效应用于显示的比较

动态散射 扭曲向列型 电控双折射
功耗
视角 中(约为30度)
彩色显示 不可
对比度 最高 比动态散射高
预计寿命
价格 最高

(三)胆甾型液晶的特性

(I)胆甾相液晶的特性

(1)选择性反射

有些胆甾相液晶在白光的照射下,会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。实验表明,这种反射遵守晶体衍射的布拉格(Bragg)公式。一级反射光的波长为:

λ=2nPsinφ

其中:λ为反射波的波长,P为胆甾相液晶的螺距,n为平均折射率,φ为入射波与液晶表面的夹角。 (II)胆甾相光电特性 下面介绍几种常见的胆甾相电光效应。

退螺旋效应

  对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时,会发现随着电场的增大,螺距也同时增大,当电场达到某一阈值时,螺距趋于无穷大,胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。

方格栅效应

  当对液晶施加电场时,所施加的电场还未达到退螺旋效应的阈值之前,会出现另一种形式的畸变,即胆甾相的层面出现周期起伏,且在两个相互垂直的方向上叠加出现,从而可以观察到方格栅图案,这种效应一般在螺距比较大时出现。

记忆效应   记忆效应也被称为存储效应(Storage effect),胆甾相液晶的记忆效应最早由Heilmeier和Goldmacher发现。当对某些处于平面织构的胆甾相液晶施加一个低频电场时,液晶会发生动态散射,处于焦锥织构,呈现牛奶一样的乳白色,关掉电场乳白色将继续保持一段时间,几天甚至几年;对处于焦锥织构的液晶再施加一个高频电场,液晶会立刻变成透明,处于平面织构,关掉电场,透明状态也将继续保持,这也称为双稳态。 平面织构

平面态(planar state 或 planar texture)

  在液晶盒中,螺旋轴方向平均而言垂直于基板表面,而液晶分子的指向失踪是垂直于螺旋轴,平行于基板表面,

焦锥织构

焦锥态(focal conic state)

  同平面态一样,也有其固有的扭曲螺旋距,但是在液晶盒中,液晶分子处于一种多畴(Polydomain)状态,在每一个畴内,螺旋结构仍然存在,但不同畴的螺旋轴在空间的取向杂乱无章。不同畴的螺旋轴具有不同的指向便形成了焦锥织构,这种织构由于折射率在畴边界上的不连续变化而表现出强烈的光散射,。焦锥织构还有一种螺旋轴平行于玻璃基板的特殊排列的情况,这种织构在偏光显微镜下看起来像指纹,因此命名为指纹织构,其结构图如图。我们可以看到从偏光显微镜下所观察到的液晶盒中的焦锥织构和指纹织构的实际形貌

场致向列相织构 场致向列相(field-induced nematic state 或 homotropic texture)

  只有在液晶盒处在外电场中才能看见,这种状态是没有扭转,螺旋轴被解旋,而液晶分子的指向是都垂直于基板表面

(四)液晶空间光调制器相位调制原理

在液晶空间光调制器中,平行排列的向列液晶层被夹在两片镀有透明导电层(ITO)的玻璃中。如图l所示的折射率椭球 ,光波穿过平行排列的向列液晶层,过球体中心垂直 传播方向的中心截面为一椭圆,椭圆长轴为非常光折射率n_e,短轴是寻常光折射率n_o,若中心截面与光轴z的夹角改变,n_o不变,n_e发生变化。定义液晶的双折射率为:delta n =n_e-n_o,在液晶两端施加电场,液晶分子发生偏转,不同的电场使 液晶分子偏转角度不同。液晶分子的有效折射率为:n_eff=n_o n_e/sqrt{n^2_o cos^2(phi(y))+n^2_e sin^2(phi(y))}, 其中phi(y))是液晶层Y处液晶分子偏转的角度。波长为lambda的入射光穿过液晶层后,光波的相位变化量为:Gamma={2pi}/{lambda} int{-2/d}{2/d}{[n_eff(phi(y))-n_o]dy},其中d为液晶层厚度,入射光波的相位改变,实现相位调制。 若入射光为线偏振光,且偏振方向与中心截面长轴平行时,液晶对光束是纯相位调制,且入射光的偏振态不变;当入射偏振方向与中心截面短轴一致时,液晶对光束无相位调制;当入射偏振方向介于二者之间,液晶对光束既有相位调制又有强度调制,出射光偏振态改变;当偏振方向和长轴成45^。时,液晶对入射光的强度调制最大。

(五) 扭转向列型的相位调控实验原理

波长633nm的激光经过扩束准直,形成直径约为2cm的平行光,由分光棱镜分为两束,通过TN液晶盒的一路称为调制光路,液晶盒两侧的偏振片P1和P2,用来控制调制模式;另一路称为参考光路,其中的偏振片P3用来调节参考光强和偏振态,使干涉条纹清晰。计算机1控制液晶屏上显示的图像,实验中首先得到了竖直的干涉条纹,为了方便测量,所加图像为三层的横条纹,上下两层为0灰度的背景,中间一层为可变化的0-255的灰度,由于相位的变化随灰度单调变化,因此中间层为255灰度时得到的就是最大相位变化量。

实验方法图像:

干涉条纹由CCD接收并由计算机2显示,根据干涉的光强分布,I=4I_{0}cos^2((Delta F)/2),其中Delta F为固定点上两束光的位相差,I_0为单束光在这一点的强度。由于调直光相位有变化,造成了干涉条纹的偏移,偏移量可以由下式算出,Delta F=(2 pi) L_x/L_0,其中条纹周期L_0和条纹的相对位移量L_x能够直接测量,可根据条纹的偏移来得到相位的变化。如图所示。

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实验 1 扭转向列型液晶电光特性测量

ideas:使用信号发生器,光电倍增管以及示波器,观察在加上电压脉冲后,液晶盒透光率的变化情况。理论上说,液晶盒的透光率会随着电压的加大而减小,因为织构的相变引起的偏振选择的变化。计划使用激光作为光源,如果光源半径太小,效果不够明显的话使用透镜进行扩束和集束。改变脉冲高度,频率和基准电压,观察液晶对于不同信号的响应程度。

电路图见: 扭转丝状液晶电光效应及电场响应的研究——引自《大学物理》第26卷第12期第48页

测量中需要测量的物理量:

阈值电压:透过率为90%的驱动电压

关闭电压:透过率为10%的驱动电压

上升时间:透过率由10%升到90%所需的时间

下降时间:透过率由90%降到10%所需的时间

延迟时间:液晶分子对于电场的响应时间。

实验 1.1 光电效应测试

(1)按照上图所示光路图搭好光路,使用 向列型 的液晶盒进行实验,所用信号发生器为与此液晶盒配套的信号发生器。该发生器输出周期为1.08ms的方波,脉冲幅度从0~9V。我们将激光位置固定在93.0cm,偏振片放在70.0cm,30.0cm处,液晶盒放在50cm处,探测器放在10cm处。测得当起偏器角度为229º时,光强最小值为8.4微瓦;当检偏器角度为149º时,光强最大为132.7。

将偏振片调到量度最低的状态,开始改变电压使用动态测量法测量,测得的光强值转化为透射率与电压进行作图。动态测量法就是在改变电压之后的瞬间读取测得的光强值。下面三张图为我们测得实验结果:

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使用动态测量法的原因是,除了电压变化,时间变化也会对测量结果造成影响,也正因为如此,我们同样条件下测得的数据并不完全相同。但是从上图中我们可以发现它们大致的图像轮廓却是一样的。这样的光电特性曲线定性上的解释可以认为是首先是电场造成了液晶的扭曲,从而可以使得透射率升高,但是当电场增大后,液晶分子相当于电偶极子,在电场中沿着电场方向排列,使得透射光强在到达顶峰之后迅速降下。电场再一次增大,液晶分子排列方向改变为垂直电场方向(猜想,需要理论验证),此时透射光强能够逐渐增大。

以上的理论分析只是一个初步猜测,需要模拟软件的模拟才能验证。而且该实验中读数的误差很多,需要想办法进行修改,但是大体的轮廓是不会有错的,我们重复了好几次都是这样的图像。

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向列型液晶在初始时将两块偏振片互相垂直,将液晶定向方向与两块偏振片均成45度角,初始时液晶处于白模式,在此状态下开始测量得到的结果。该图像出现震荡,因为双折射时的相位差在增加时正弦函数出现震荡变化。

(2)将TN型液晶两边各放上一块偏振片,偏振片互相垂直。在激光钱放上一块四分之一玻片,使得入射光为圆偏振光。改变电压,测量透射率。

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开始时液晶盒处于常白模式,此时入射光近似可以认为全部穿过液晶盒,在电压驱使下,液晶分子慢慢开始趋向电场方向排列,因此旋光性减弱,直到最后变为均匀介质,透射率为零。在2V左右时,透射率有一个跳变,到2.8V跳变回归正常。在加上电压测到九伏之后,关掉电压,也能够观测到透射率的突变(大于启始常白模式模式时的透过光强143.5微瓦),文献上也曾观察到。

(3)在TN型液晶两边加上8v(峰峰值)、1000Hz的方波驱动。记录透射率随时间的 变化:

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在开始时,由于电场作用,透射率降得很快,在一定时间后,由于液晶分子本身的弹性恢复力,透射率下降变缓,最后达到平衡态。

(4)透射率随频率变化关系(固定电压),在液晶盒两端加一个电压(方波信号),实验中固定液晶盒两端电压为4V,改变频率,测量光强。 在频率加到20khz时出现双稳态现象。即从100hz向上测量到20khz的结果与频率加到比较大时(大约90khz)在回到20kzh向下变化频率测量透射率,得到的结果会有较大的不同。如下图所示:

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黑色数据点代表频率从小变到大时测量的结果,红色数据点为频率从大变到小时的测量结果。启始时光强为164微瓦。

实验计划

1.已经完成向列型液晶的定向(初步),计划先测量沿面排列的向列型液晶与扭曲向列型液晶的电光特性测量,争取在本周完成。

2.使用CCD进行液晶的定向,提高定向精度。

3.开始研究相位调控的方法(重点研究),计划使用TN型液晶进行相位调控研究(3-4周)。

参考文献

讨论区

两位同学,已经开始工作了,很不错! — 乐永康 2009/03/20 16:28
曹海元同学最近学了很多啊!自己预期什么时候可以来介绍一下? — 乐永康 2009/03/25 01:47
第一次用Wiki很不顺手啊,没想到Wiki中的数学公式编辑和LATEX差不多啊^-^ —陈宓
已能编辑这样的公式,赞一个!我还没学会呢!汗! — 乐永康 2009/03/25 22:14
文中的“homeotropic texture”是否该为“homotropic texture”? — 乐永康 2009/03/25 22:16
请两位同学提供参考文献或者注明具体内容的出处!乐永康 2009/03/25 22:58
请两位同学提供一些有关“向列型”的介绍材料,可以是参考文献。
很好!你们下一次什么时候做实验,告诉我一声,需要对有关内容进行一次讨论。 — 乐永康 2009/04/07 23:35
两位同学,把几种不同液晶的性质,应用等相关的内容,列一个表格(直接在页面上编辑),放在这个页面上吧! 有个对比,更容易理解。— 乐永康 2009/04/15 09:15
 
exp/liq_crystal/start.txt · 最后更改: 2010/10/31 15:16 由 xiaole
 
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