北京邮电大学：《大学物理实验》课程实验讲义（物理电子学）液晶的物理特性实验_液晶物理特性

实验33液晶物理特性 在生活和工作中，很多人都和液晶有过接触，但真正了解它的人却不是很多。液晶是 一种具有特定分子结构的有机化合物凝聚体，既有液体的流动性，又有晶体的有序性。液 晶的各种奇特的性质，使之具有多种功能和应用，越来越引人关注。对液晶的研究，涉及 到物理、化学、生物等多门基础学科，并且可以在基础物理学和应用技术之间建立联系。 有关液晶的宏观特性、微观理论及在电子工业、航空、生物和医学等多领域的实际应用，都 有待于人们进一步去探讨、研究和开发。 [实验目的 1.初步掌握液晶的结构特点和物理性质： 2.通过观测液晶旋光色散、液晶光栅等液晶的电光特性现象，了解液晶的简单应用。 【实验原理 1.液晶 液晶与各向同性液体的主要区别在于它在结构上具有一定程度的有序性。由于液晶 分子一般呈细长棒状，分子长轴的有序排列将使液晶具有各向异性。分子长轴的方向相 当于液晶的光轴，与普通晶体材料的光轴类似。由于液晶是液体，其分子的排列方向易受 外界条件的影响，即液晶的光轴可以随外界条件改变，使得液晶与一般晶体相比，具有更 多的电光特性。 本实验使用的液晶材料被封装在两片涂有透明导电薄膜的玻璃中，玻璃的表面是经 过特殊处理的比如将玻璃表面沿某一方向擦一下，液晶分子将沿此方向很规则的排列， 液晶分子的排列将受表面的影响，这种装置称为液晶盒。图331显示了液晶沿经过特殊 处理的表面，按照一定规律排列的典型情况。 三二三三三三二- (a)平行表面排列 (b)垂直表面排列 (c)扭曲排列 图331液品的排列 2.旋光色散 扭曲排列液晶由于具有螺旋结构，因而具有很强的旋光特性，其旋光本领与波长有 193

实验33 液晶物理特性 在生活和工作中, 很多人都和液晶有过接触, 但真正了解它的人却不是很多。液晶是 一种具有特定分子结构的有机化合物凝聚体, 既有液体的流动性, 又有晶体的有序性。液 晶的各种奇特的性质, 使之具有多种功能和应用, 越来越引人关注。对液晶的研究, 涉及 到物理、化学、生物等多门基础学科, 并且可以在基础物理学和应用技术之间建立联系。 有关液晶的宏观特性、微观理论及在电子工业、航空、生物和医学等多领域的实际应用, 都 有待于人们进一步去探讨、研究和开发。 [ ᅲ偠Ⳃⱘ] 1 . 初步掌握液晶的结构特点和物理性质; 2 . 通过观测液晶旋光色散、液晶光栅等液晶的电光特性现象, 了解液晶的简单应用。 [ ᅲ偠ॳ⧚] 1 . ⎆᱊ 液晶与各向同性液体的主要区别在于它在结构上具有一定程度的有序性。由于液晶 分子一般呈细长棒状, 分子长轴的有序排列将使液晶具有各向异性。分子长轴的方向相 当于液晶的光轴, 与普通晶体材料的光轴类似。由于液晶是液体, 其分子的排列方向易受 外界条件的影响, 即液晶的光轴可以随外界条件改变, 使得液晶与一般晶体相比, 具有更 多的电光特性。 本实验使用的液晶材料被封装在两片涂有透明导电薄膜的玻璃中, 玻璃的表面是经 过特殊处理的( 比如将玻璃表面沿某一方向擦一下, 液晶分子将沿此方向很规则的排列) , 液晶分子的排列将受表面的影响, 这种装置称为液晶盒。图33-1 显示了液晶沿经过特殊 处理的表面, 按照一定规律排列的典型情况。 图33-1 液晶的排列 2 . ᮟܝ㡆ᬷ 扭曲排列液晶由于具有螺旋结构, 因而具有很强的旋光特性, 其旋光本领与波长有 193

关。如图332所示，以线偏振的白光垂直入射到液晶盒上，旋转检偏器，可以发现从检偏 器透射出的光呈现出不同的色彩。若在起 光 液品 观察屏 偏器前放不同波长的光源，可以看到，线偏 起偏器 检偏器 振光经过液晶后，仍然是线偏振光，且旋转 了一定的角度，而且不同颜色光所转的角度 图332实验光路图 也不同，这种色散现象称为旋光色散。 在外电场的作用下，液晶分子将改变其排列方式，从而导致液晶折射率的改变，这就 是液晶的电光效应。当电场足够强时，有的液晶分子将平行于电场方向排列，称为正性液 晶；有的则会垂直于电场方向排列，称为负性液晶。扭曲向列相液晶的旋光特性来源于它 的螺旋结构，如图333(a)所示，其旋光本领可由下式给出： 81 (33-1) 其中a是与材料有关的参数，a>0是正性液晶，a<0是负性液晶，po是液晶的螺距，入 是光在真空中的波长，。是液品的平均介电常数。在可见光范围内，1·无/)的变 化很小，因此可以认为液晶的旋光度正比于入2。 给液品加上垂直于表面的电压，逐步增加电压，刚开始时液晶无变化，当电压加到 Uc以上时，扭曲排列液品原有的旋光特性突然消失，透射光不再出现彩色，而且它的偏 振方向与入射光相同。这是由于液晶分子的排列受外电场的控制，几乎全部垂直于表面 排列，因而光垂直于表面通过液晶时表现为各向同性，不再出现色散现象，如图333(b) 所示。上述现象称为弗雷德里克兹转变。 (a)电压小于U (b)电压大于U 图333弗雷德里克兹转变 3.光开关 若我们在加电压前使图332中的起偏器和检偏器处于消光位置，当电压超过Uc时， 整个装置将由消光变为通光。利用液晶的这种电光特性，可做成光开关，也可用于显示 技术。 194

关。如图33-2 所示, 以线偏振的白光垂直入射到液晶盒上, 旋转检偏器, 可以发现从检偏 图33-2 实验光路图 器透射出的光呈现出不同的色彩。若在起 偏器前放不同波长的光源, 可以看到, 线偏 振光经过液晶后, 仍然是线偏振光, 且旋转 了一定的角度, 而且不同颜色光所转的角度 也不同, 这种色散现象称为旋光色散。 在外电场的作用下, 液晶分子将改变其排列方式, 从而导致液晶折射率的改变, 这就 是液晶的电光效应。当电场足够强时, 有的液晶分子将平行于电场方向排列, 称为正性液 晶; 有的则会垂直于电场方向排列, 称为负性液晶。扭曲向列相液晶的旋光特性来源于它 的螺旋结构, 如图33-3( a) 所示, 其旋光本领可由下式给出: d Ψ dz = - 2π p0 α 2 8 λ 2 p 2 0 1 - λ 2 p 2 0ε0 ( 33-1) 其中α是与材料有关的参数, α> 0 是正性液晶, α< 0 是负性液晶, p0 是液晶的螺距, λ 是光在真空中的波长,ε0 是液晶的平均介电常数。在可见光范围内,( 1 - λ 2 / p2 0ε0) 的变 化很小, 因此可以认为液晶的旋光度正比于 λ- 2 。 给液晶加上垂直于表面的电压, 逐步增加电压, 刚开始时液晶无变化, 当电压加到 UC 以上时, 扭曲排列液晶原有的旋光特性突然消失, 透射光不再出现彩色, 而且它的偏 振方向与入射光相同。这是由于液晶分子的排列受外电场的控制, 几乎全部垂直于表面 排列, 因而光垂直于表面通过液晶时表现为各向同性, 不再出现色散现象, 如图33- 3( b) 所示。上述现象称为弗雷德里克兹转变。 图33-3 弗雷德里克兹转变 3 . ܝᓔ݇ 若我们在加电压前使图33-2 中的起偏器和检偏器处于消光位置, 当电压超过 UC 时, 整个装置将由消光变为通光。利用液晶的这种电光特性, 可做成光开关, 也可用于显示 技术。 194

4.液晶光栅 将图332中的偏振器去掉，以出№澈光器为光源时会发现，当缓慢增加电压至U。 (UB<U。左右时，液晶将形成液晶光棚如图334所示，产生光橱衍射。若迅速增加 电压，可发现液晶会首先形成二维衍射图案，但这种图案并不稳定，经过一段时间以同几 分钟，液晶最终会形成稳定的衍射图案，如图335所示。这是由于液晶光栅的排列并不 是绝对规则的。由于杂质、缺陷以及外界条件不稳定的影响，液晶的生长不能绝对沿某 方向，而是在一定角度范围内都可以形成，相当于有多个沿不同方向排列的光栅，因此形 成如图335所示的衍射图案。液晶生长条件控制得越好，其方向性越好，衍射图案越接 近光栅。 图334显微镜下看到的液品光栅 图335液品光栅衍射图案 [实验仪器 白炽灯，偏振H两个)，液晶盒及电源，白屏，半导体激光器(650m及不同波长的发 光二极管光源。 实验所用的光源为实验室自制的发光二极管及激光器红色，共7个光源，依次为： 光源白光蓝光绿光1绿光2绿光3黄光红光澈光器 波均nm 467507522543587 650 【实验内阁 1.利用图332的实验光路图，观察液晶的旋光色散现象并进行解释； 2.不加电压测量液品对不同波长可见光的旋转角度： 3.测量形成液晶光栅所需要的最小电压和最大电压： 195

ᷙܝ᱊⎆ . 4 将图33-2 中的偏振器去掉, 以He- Ne 激光器为光源时会发现, 当缓慢增加电压至 UB ( UB < UC) 左右时, 液晶将形成液晶光栅( 如图33-4 所示) , 产生光栅衍射。若迅速增加 电压, 可发现液晶会首先形成二维衍射图案, 但这种图案并不稳定, 经过一段时间以后( 几 分钟) , 液晶最终会形成稳定的衍射图案, 如图33-5 所示。这是由于液晶光栅的排列并不 是绝对规则的。由于杂质、缺陷以及外界条件不稳定的影响, 液晶的生长不能绝对沿某一 方向, 而是在一定角度范围内都可以形成, 相当于有多个沿不同方向排列的光栅, 因此形 成如图33-5 所示的衍射图案。液晶生长条件控制得越好, 其方向性越好, 衍射图案越接 近光栅。 图33-4 显微镜下看到的液晶光栅 图33-5 液晶光栅衍射图案 [ ᅲ偠Ҿ఼] 白炽灯, 偏振片( 两个) , 液晶盒及电源, 白屏, 半导体激光器( 650 nm) 及不同波长的发 光二极管光源。 实验所用的光源为实验室自制的发光二极管及激光器( 红色) , 共7 个光源, 依次为: 光源 白光 蓝光 绿光1 绿 光2 绿 光3 黄 光 红光激光器 波长/ nm - 467 507 522 543 587 650 [ ᅲ偠ݙᆍ] 1 . 利用图33-2 的实验光路图, 观察液晶的旋光色散现象并进行解释; 2 . 不加电压测量液晶对不同波长可见光的旋转角度; 3 . 测量形成液晶光栅所需要的最小电压和最大电压; 195

4.测量液晶光栅的光栅常数可以参看衍射光栅实验的相关内容： 5.观察液晶具有光开关功能时的实验现象和液晶的二维衍射图案。 【数据处理 1.在坐标纸上作液晶旋光色散角度与波长的关系曲线： 2.计算液晶的光栅常数： 3.对测量结果进行讨论。 【注意事项 1.不要直视激光器： 2.液晶盒电源的连续间歇按钮选择连续； 3.测量液晶光栅的最小电压和最大电压时，当电压值到达3V以上时，每增加0.2V 需等待1分钟，使液晶稳定后再增加电压。 196

4 . 测量液晶光栅的光栅常数( 可以参看衍射光栅实验的相关内容) ; 5 . 观察液晶具有光开关功能时的实验现象和液晶的二维衍射图案。 [ ᭄᥂໘⧚] 1 . 在坐标纸上作液晶旋光色散角度与波长的关系曲线; 2 . 计算液晶的光栅常数; 3 . 对测量结果进行讨论。 [ ⊼ᛣџ乍] 1 . 不要直视激光器; 2 . 液晶盒电源的“连续/ 间歇”按钮选择“连续”; 3 . 测量液晶光栅的最小电压和最大电压时, 当电压值到达3 V 以上时, 每增加0 .2 V 需等待1 分钟, 使液晶稳定后再增加电压。 196