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1、液晶物性实验日期：2021.9.16 指导老师：【摘要】 本次实验研究了液晶的各项物理性质，其中包括液晶的光学各向异性以及电光效应。实验首先利用光电池和功率计观察并探究了某液晶盒的双折射效应以及旋光性；而后利用示波器测量了液晶的电光响应曲线和电光响应时间；最后，在给液晶盒施加了一定电压的情况下利用白屏观察了液晶的衍射现象。关键词：液晶，双折射效应，旋光性，电光效应121. 引言1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在测定有机化合物熔点时，发现了CB能够处于一种不同于各向同性液体的中介相。而后，经过系统研究，莱曼发现许多有机物都可以出现中介相，物质在中介相中具有强烈的各向异性物理特征。这种中介相被称
2、为液晶相，能够出现液晶相的物质被称为液晶。随着更多的液晶材料的发现以及液晶合成材料技术的发展，人们开始对液晶材料进行了系统而深入的研究。液晶的基本理论，电、光、磁学的各向异性，液晶材料的光电效应等各个领域都得到了发展。并且，液晶材料的研究还逐步走出了单纯的实验室研究，进入了实用研究的阶段。直至今日，液晶已逐步应用于人们生活中的各个领域1。本次实验研究了液晶的光学各向异性以及液晶的电光效应；测量了液晶盒的扭曲角、电光响应曲线和电光响应时间；了解了在外电场的作用下，液晶盒光学性质的变化；以及对液晶光栅进行了观察和分析。2. 实验原理2.1 液晶的光学各向异性2.1.1 双折射效应由于液晶分子结构的
3、各向异性，光在液晶中传播时，不同振动方向的光的传播速度可能不同，表现出光学各向异性。同时，由于液晶的双折射效应，出射光的偏振光状态与偏振光方向相较于入射光会发生改变。如图1所示，电场强度为的线偏振光入射液晶（位于0zd处），液晶的长轴方向按n排列，入射的线偏振光振动方向与n的夹角为，液晶内部平行于液晶长轴方向的折射率为，垂直于液晶长轴方向的折射率为。图1 线偏振光入射液晶示意图1入射偏振光在0zd的范围内的xy方向上的电矢量强度可表示为: (1)其中，是光的角频率，c为光速。可以看到xy方向的电矢量强度的相位差有所改变，相位差决定了出射光的偏振状态。2.1.2 液晶盒与旋光性本次实验使用了向列
4、相液晶，通常液晶材料会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其表面的影响，这种装置被称为液晶盒。液晶盒表面的液晶分子的取向叫做锚泊方向。如果上下两个玻璃基片的取向成一定角度，两个基片间的液晶分子取向将会均匀地扭曲。若线偏振光以平行于分子轴的偏振方向入射具有旋光性的液晶盒，则随着分子轴的扭曲，将以平行于出射面分子轴的偏振方向射出；若线偏振光以垂直于分子轴的偏振方向入射，则以垂直于出射面分子轴的偏振方向射出；若线偏振光以其他偏振方向入射，则平行于分子轴和垂直于分子轴的分量按以上的条件变化，并且根据双折射效应带来的附加位移差，以椭圆，圆，线偏振光等形
5、式射出。2.2 液晶的介电各向异性平行于液晶分子取向与垂直于液晶分子取向的介电常数不同，分别为和。当施加电场之后，分子的极化率与电场的方向具有密切的关系，如果电场方向与液晶分子取向既不平行，也不垂直，分子的感生电极矩的方向与外电场的方向就会不同，从而导致分子的转动。若，在外电场的作用下，液晶分子将趋于延电场排列；反之，液晶分子将趋于垂直于电场方向排列。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，液晶分子在电场的作用下旋转时会产生类似于弹性恢复力的反方向力矩。2.3 液晶的电光效应液晶的电光效应是指液晶在外电场的作用下分子的排列方式发生改变，从而引起液晶盒的光学性质也随之改变的一
6、种电对光的调制现象。2.3.1 电光响应曲线在外电场的作用下，液晶分子取向发生改变，光通过液晶盒后的偏振状态也会发生改变。本次实验在液晶盒后放置一检偏器，让一束线偏振光入射液晶盒，调整检偏器角度使透射光强最大/最小（分别对应于常黑模式和常白模式），而后保持检偏器角度不变，给偏振片施加电场，系统整体的透光强度将会发生改变，透过率与外加电压的关系曲线成为电光响应曲线。由电光响应曲线，还可以定义三个参量，如图2所示：图2 电光响应曲线示例1常白模式中：（1） 阈值电压：透过率为90%时所对应的电压。（2） 饱和电压：透过率为10%时对应的电压。（3） 阈值锐度：饱和电压和阈值电压之比。（本实验）常黑
7、模式中：（1） 阈值电压：透过率为10%时所对应的电压。（2）饱和电压：透过率为90%时对应的电压。（3）阈值锐度：饱和电压和阈值电压之比。2.3.2 电光响应曲线当施加在液晶上的电压改变时，液晶改变原排列方式所需要的时间就是响应时间。可以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：电场从低电平变化到高电平时到透过率升到最大值90%时所需的时间。下降沿时间：电场从高电平变化到低电平时到透过率降到最大值10%时所需的时间。在测量液晶响应时间时，由于直流电驱动容易使液晶寿命下降，故驱动信号处于高电平时，使用高频的脉冲信号取代直流信号，高频的脉冲信号的作用效果可以近似于直
8、流信号。2.3.3 液晶衍射当施加到液晶盒上的低频电压高于某一阈值时，带电杂质的运动将会引起液晶分子的环流，这些环流小区域导致整个液晶盒中的液晶取向有规则形变，形成折射率的周期变化，使得通过液晶盒的光聚焦在明暗交替的带上，这个明暗交替的条纹叫做威廉姆斯畴，它构成了一个衍射光栅。液晶位相光栅满足光栅方程： (2)其中，a是光栅常数；是衍射角；k为衍射级次。3. 实验内容3.1 实验器材半导体激光器（650nm），激光器电源，示波器，液晶盒，函数信号发生器（测量电光响应曲线时使用），液晶驱动电源（测量电光响应时间，观察衍射现象时使用），光电池，激光功率计，光电二极管探头，偏振片，白屏，导轨。3.2
9、 实验内容3.2.1 调整并测量实验所用的线偏振光（1）调节光路，使激光器发出的激光进入光电池的功率最大，然后放入起偏器，转动起偏器，使光电池功率达到最大。调整完成后，调整好的线偏振光在整个实验中保持不动。（2）在光电池前放入检偏器，测量调整好的线偏振光的线偏振度。3.2.2 观测液晶中的旋光现象和双折射现象（1）调节检偏器使系统处于消光状态，再在检偏器和起偏器之间加入液晶盒。转动检偏器寻找消光状态，如果无法找到，转动液晶盒后继续转动检偏器，直至再次找到消光状态。记录两次出现消光状态时检偏器转过的角度。（2）保持（1）中第二次消光后的检偏器方向不变化，在0360范围内旋转液晶盒，观察液晶盒锚泊
10、方向与入射光线偏振方向成不同夹角时最小输出光强的变化规律，并记录光强每一次达到极值时的数值和对应的液晶盒转角。（3）测量（2）中各极值处的线偏振度，并做出线偏振度随液晶盒转角的对数极坐标轴。3.2.3 测量电光响应曲线（1）将光电池换成光电二极管，光电二极管响应更快。（2）液晶盒的驱动电压由函数发生器驱动。参数设置为：波形：三角波；占空比：关；幅度：12V左右；直流电平：调整至整体最低电压为0，最高电压不能饱和。（3）设置驱动电压频率为1Hz，在“常黑模式”下，利用示波器x-y模式观察电光响应曲线，利用V-t模式测量电光响应曲线的阈值电压，饱和电压和阈值锐度。（4）改变驱动电压频率，或者更改为
11、“常白模式”，观察液晶盒的电光响应曲线。3.2.4 测量电光响应时间（1）液晶盒改为使用“液晶驱动电源”驱动，驱动电压设置为12V；工作状态为间隙；液晶的工作模式为常黑模式。（2）调节液晶驱动电压的间歇频率和驱动频率，观察驱动信号和液晶响应信号的变化，并选择合适的间歇频率和驱动频率，测量上升沿时间和下降沿时间。间歇频率表示反映了一次低电平和高电平轮替的频率，驱动频率反映了替代高电平的高频驱动信号的频率。3.2.5 观察液晶衍射现象（1）液晶驱动电源的工作方式改为连续，将光电二极管换成白屏，观察白屏上的现象。缓慢上升液晶盒驱动电压，记录衍射光斑出现和消失时对应的驱动电压，再缓慢下降液晶盒驱动电压
12、，记录衍射光斑出现和消失的驱动电压。（2）估算光栅常数。4. 实验数据处理和分析与实验结果4.1 线偏振光的线偏振度根据计算线偏度的公式：L0=ImaxImin (3)和为偏振光通过不同角度偏振片后的最大光强和最小光强。结合附录1中的实验数据并考虑测量时的零点误差，计算得到实验所用的入射偏振光的线偏度L0=ImaxImin=2.48mV0.90V2755.604.2 液晶盒的双折射效应和旋光性4.2.1 液晶盒的旋光性调节检偏器使系统出现第一次消光时，检偏器的角度为69，加入液晶盒之后，调节检偏器和液晶盒，再一次出现消光时，检偏器对应角度为191。第二次消光时，入射光的偏振方向与液晶盒前表面的
13、锚泊方向平行或者垂直，对应的检偏器的方向与液晶盒的后锚泊方向垂直或者平行。第一次消光1第二次消光2检偏器角度（）97203并且，通过将两次消光时的检偏器对应角度相减，并且结合实验前已知的液晶盒的扭曲角在100140范围内,故=1-2或=-1-2可得液晶盒的扭曲角：=203-97=1064.2.2 液晶盒的双折射效应转动液晶盒得到不同角度处的最小输出光强，取最小输出光强的极值，记录对应液晶盒转动角度下的各个参数，如附录1所示，并通过： (4)计算各液晶盒转角对应的出射光的线偏度，综合这些数据制出表1。表1 最小输出光强极值下对应的液晶旋转角度，最大输出光强和线偏振度功率计零点误差：200W档位零
14、点：0.8W2mW档位零点：0.007mW20mW档位零点：0.01mWImin(W)液晶角度()液晶旋转角度()Imax(mW)线偏振度0.9092.502.002222.00 66.00137.5451.9629.70 0.80182.5902.012512.50 62.00227.51351.8730.16 0.90272.51801.982512.50 77.00317.52251.9925.84 0.802.52702.042550.00 69.0047.53151.9828.70 根据表1所示数据做出线偏振度随液晶盒转角的对数极坐标图，图3。（）图3 线偏振度随液晶盒转角的对数极坐
15、标系随着液晶旋转角度的变化，线偏振入射光的偏振方向与液晶盒的锚泊方向的夹角也不断变化，入射光的电矢量强度E分解在平行于锚泊方向和垂直于锚泊方向的分量分别为和，光通过液晶时发生旋光效应，随之对应的出射光的电矢量强度的分量强度也为和，而最小输出光强取决于出射光的电矢量强度的短轴分量，因此最小输出光会随着液晶旋转角度而变化。同时，光通过液晶盒的过程中，由于液晶双折射效应效应的影响，电矢量强度分解后不同分量的相位差随着液晶盒转动而变化，导致出射光的偏振特性发生变化，因此线偏振度会发生变化。并且，当入射光偏振方向平行或垂直于液晶盒前锚泊方向，双折射效应将会消失，出射光仍为线偏振光。4.3 液晶的电光效应
16、4.3.1 电光响应曲线在“常黑模式”下，在不同频率的驱动信号下观察液晶的电光响应曲线（透过率外加电压），驱动信号的具体设置见实验内容部分。透过率可由出射光强反映，以下图49反映的曲线实际为出射光强与驱动电压的关系。图4 驱动信号频率为0.082Hz时的电光响应曲线图5 驱动信号频率为1.000Hz时的电光响应曲线图6 驱动信号频率为7.333Hz时的电光响应曲线图7 驱动信号频率为20.04Hz时的电光响应曲线图8 驱动信号频率为836.8Hz时的电光响应曲线首先观察驱动信号频率为1.000Hz时的电光响应曲线，可以看到电压上升时和电压下降时的电光响应曲线并不重合，其中，变化速度较快（右边）
17、的曲线为电压上升时的电光响应曲线，另一条曲线为电压下降时的电光响应曲线。当驱动信号频率逐渐减小时，电压上升和电压下降时的两条电光响应曲线将会逐渐靠近，当驱动信号的频率低于一定值的时候，电压下降时的电光响应曲线中会出现一个峰值。当驱动信号频率逐渐升高时，电压上升和电压下降时的两条电光响应曲线将会逐渐远离，但是当频率过高时，驱动信号对液晶产生的效果可以近似等价于直流定值驱动信号。如图10所示本次实验在示波器V-t模式下测量了驱动信号频率为1.000Hz的情况下电压上升时的电光响应曲线的阈值电压，饱和电压。图9 示波器V-t模式下的驱动信号和光强变化并通过公式计算阈值锐度： (5)由附录2，可得：阈
18、值电压=7.20V饱和电压=8.10V阈值锐度=VsVth=1.1254.3.2 电光响应时间在“常黑模式”下，调节间歇频率和驱动频率，直至系统透过的光强随着电压在高电平和低电平之间的变化也近似在两个稳态之间改变。选取合适的间歇频率与驱动频率，对上升沿时间和下降沿时间进行测量：Ton=2.40msToff=14.40ms4.3.3 液晶衍射现象利用显微镜观察液晶衍射现象，将施加到液晶盒上的连续电压从0逐渐升高，观察白屏上的现象，可以看到电压约为6.68V时开始出现衍射条纹，继续增加电压，在电压值为9.18V处开始消失。将施加到液晶盒上的连续电压从12V逐渐降低到0，在电压约为8.52V时开始出
19、现衍射条纹，继续增加电压，在电压值为3.81V处开始消失。条纹出现时刻电压条纹消失时刻电压电压增大6.68V9.18V电压减小8.52V3.81V4.3.4 估算液晶衍射的光栅常数将液晶放回光路，取下检偏器，放入白板光屏，调节驱动电压至6.36V，可观察到明显的衍射光斑。已知液晶衍射满足光栅公式选取第一级衍射条纹计算光栅常数，并由近似条件sintanhL，（h为衍射条纹与条纹中心的距离，L为液晶盒与光屛的距离）。波长=650nm，测得h=3.4cm,L=31.3cm。得光栅常数a=hL5.9410-6m。5. 实验结论与反思本次实验研究了液晶的光学各向异性，其中包括液晶的旋光性和双折射效应；研
20、究了液晶的电光效应，测量了电光响应曲线，响应时间，观察了液晶在电场下的衍射现象。（1）在探究液晶盒的双折射效应的实验中发现，只有当液晶盒前表面的锚泊方向平行或者垂直于入射光的偏振方向，也就是仅有旋光效应发生，没有双折射效应发生时，出射光才仍然是线偏振光，因此只有满足这样的关系才能够得到第二次消光2。（2）在探究液晶盒的双折射效应的实验中需要找到最小输出光强的极值，通过缓慢调整液晶方向，并观察功率计示数找出了极值，并在极值处收集了相关数据。但方法可以进一步改进，可以先通过观察并结合理论，得出极值大致出现的间距（为45）。在测量电光响应时间的过程中发现，间歇频率越低，响应信号越容易达到稳定的最小值，这是因为间歇频率越低，处于低电平的时间越长，液晶越容易恢复到原来的状态；而驱动频率越高，响应信号在最大值处越稳定，这是因为驱动频率如果很大，驱动信号的信号就接近于常值信号，处于该状态下的液晶分子就更加稳定。使用实验记录本时要注意，错误留下笔迹的同时要将原因附上，以便回忆实验操作中出现的问题。6. 参考文献1 北京师范大学物理实验教学中心.近代物理实验讲义2 廖红波,王婷,何琛娟,王海燕.液晶盒双折射效应的测量与应用J.大学物理,2016,35(08):44-47.附录1附录2