液晶物性
【摘要】：
本实验主要了解液晶的基本物理性质及其测量方法，特别是电光性能。在实验中通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小。测量了不同间歇频率下液晶的响应时间，液晶升压和降压过程的电光响应曲线，液晶光栅升压和降压过程的衍射现象。通过这些来了解液晶在外电场作用下的变化及其引起的液晶光学性质的变化。
关键词：
液晶、双折射效应、旋光性、电光效应、响应时间、液晶衍射
一、实验引言：
液晶是早在1888年奥地利植物学家FReiniter发现的。当某些物质加热到介于熔点和清亮点温度时，变得具有各向异性，这种中介相被称为液晶相，具有液晶相的物质被称为液晶。G.Friedel确立了液晶的定义和分类，O.Wiener等发展了液晶的双折射理论，E.Bose提出了液晶的相态理论。
液晶是一种材料，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。1968年海尔曼等人研制出世界上第一台液晶显示器，之后，液晶被广泛应用于显示器领域。
本实验中我们测得了液晶盒的扭曲角、液晶电光响应曲线和液晶的光栅常数；观察了响应时间随间歇频率的变化规律和液晶光栅的衍射现象。并通过实验掌握了对液晶电光效应等的基本测量方法。
二、实验原理：
液晶根据分子排列的平移和取向有序性分为三大类：近晶相、向列相、胆甾相。
2.1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
1
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。
2.2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。
2.3液晶的旋光性
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()d，()为旋光率。
2.4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。 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
2.5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
2
图一、扭曲向列相液晶盒
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
图二、液晶的响应时间2.6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：
dsink 其中：d为光栅常数， 为衍射角，k= 0,1,2„为衍射级次。
三、实验内容：
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
图三、实验原理图
3
图四、实验装置图 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，测量无液晶时，光的线偏度Lo，与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测量相应时间
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，观察和记录驱动信号和液晶响应信号的变化。 3液晶的衍射现象
缓慢增加和减小液晶的调制电压，在白屏上观察液晶光栅的衍射现象，计算光栅常数。 4测量电光响应曲线
在“常黑模式”下考虑液晶的衍射现象，分别测量升压和降压过程中液晶的电光响应曲线。因为衍射条纹会在外加电压一定时迅速形成，所以为正确测量到液晶的电光响应曲线，在调节驱动电压后，迅速读出功率计上的数值，研究透过率与外加电压的关系。
四、实验结果极其分析：
表1表明经起偏器的出射光的线偏度较高，可近似认为是线偏振光； 放入液晶后线偏度会明显降低。
说明线偏振光经过液晶盒会发生双折射现象，使得偏振态发生变化，通常变为椭圆偏振光
4
实验中发现，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。而实验中检偏器位置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。
图五、输出光强随液晶转角的变化规律
图五可观察到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。极大值处对应出射光为线偏度最小的椭圆偏振光，极小处对应出射光为线偏度最大的线偏振光。并且当出射光为线偏振光时，可知入射的线偏振光的偏振方向与液晶盒表面的锚泊方向一致，此时线偏振光在液晶内部传播时不会分为i光与e光，即双折射现象对旋光效应的影响最小。因此可通过分别测量液晶盒两个表面最小输出光强的极小值位置，计算出液晶锚泊方向的差值，即为扭曲角。经计算，实验中扭曲角为：125度。
图六、液晶响应曲线、从左至右间歇频率依次减小
经过观察，驱动频率不变，随着间歇频率的增加，周期变短，脉冲不变；液晶信号波形周期周期会随之变窄
5
间歇频率不变，随着驱动频率增加，驱动脉冲略微减小，周期显著减小，液晶波形大致趋势不变，原先为平滑曲线，出现起伏
如图六所示，随着间歇频率减小过程中：
对液晶衍射现象进行观察的过程中，发现缓慢增大调制电压过程中，电压在6.20—8.70V之间出现衍射现象；缓慢增大调制电压过程中，电压在6.43—6.10V之间出现衍射现象，并且衍射条纹随时间逐渐演化清晰。实验中测量液晶到屏的距离H=40cm,主极大到第一极大的距离约h=3.8cm，λ=650nm，可以求得sin
根据公式dsink，可得到d=6.9m
在“常黑模式”下考虑液晶的衍射现象，分别测量升压和降压过程中液晶的电光响应曲线，通过处理可得如下图示。可知透过率会随着电压变化，在一定范围内会变化迅速，然后h0.0945
图八、电压下降阶段，液晶电光响应曲线 经测定阈值电压、饱和电压如下表所示：
6
表三、液晶的电光响应测量数据
五、实验结论和建议：
本实验中我们研究了液晶的基本物理性质和电光效应等。发现液晶的双折射现象会对旋光角的大小产生的影响，在实验中通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小为125度；测量了不同间歇频率下液晶的响应时间，得知随间歇频率的减小响应时间增大，因此可通过增大间歇频率的方法来提高液晶的响应速度；观察液晶光栅的衍射现象，计算得到光栅常数的大小为d=6.9m；测量了液晶升压和降压过程的电光响应曲线，求得了阈值电压、饱和电压和阈值锐度。
六、参考文献：
1、熊俊. 近代物理实验. 北京师范大学出版社2007
2、姚启钧.光学教程（第三版）.高等教育出版社2006
3、近代物理实验补充讲义 北京师范大学物理实验教学中心 2009
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液晶物性
【摘要】：
本实验主要了解液晶的基本物理性质及其测量方法，特别是电光性能。在实验中通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小。测量了不同间歇频率下液晶的响应时间，液晶升压和降压过程的电光响应曲线，液晶光栅升压和降压过程的衍射现象。通过这些来了解液晶在外电场作用下的变化及其引起的液晶光学性质的变化。
关键词：
液晶、双折射效应、旋光性、电光效应、响应时间、液晶衍射
一、实验引言：
液晶是早在1888年奥地利植物学家FReiniter发现的。当某些物质加热到介于熔点和清亮点温度时，变得具有各向异性，这种中介相被称为液晶相，具有液晶相的物质被称为液晶。G.Friedel确立了液晶的定义和分类，O.Wiener等发展了液晶的双折射理论，E.Bose提出了液晶的相态理论。
液晶是一种材料，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。1968年海尔曼等人研制出世界上第一台液晶显示器，之后，液晶被广泛应用于显示器领域。
本实验中我们测得了液晶盒的扭曲角、液晶电光响应曲线和液晶的光栅常数；观察了响应时间随间歇频率的变化规律和液晶光栅的衍射现象。并通过实验掌握了对液晶电光效应等的基本测量方法。
二、实验原理：
液晶根据分子排列的平移和取向有序性分为三大类：近晶相、向列相、胆甾相。
2.1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
1
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。
2.2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。
2.3液晶的旋光性
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()d，()为旋光率。
2.4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。 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
2.5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
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图一、扭曲向列相液晶盒
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
图二、液晶的响应时间2.6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：
dsink 其中：d为光栅常数， 为衍射角，k= 0,1,2„为衍射级次。
三、实验内容：
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
图三、实验原理图
3
图四、实验装置图 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，测量无液晶时，光的线偏度Lo，与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测量相应时间
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，观察和记录驱动信号和液晶响应信号的变化。 3液晶的衍射现象
缓慢增加和减小液晶的调制电压，在白屏上观察液晶光栅的衍射现象，计算光栅常数。 4测量电光响应曲线
在“常黑模式”下考虑液晶的衍射现象，分别测量升压和降压过程中液晶的电光响应曲线。因为衍射条纹会在外加电压一定时迅速形成，所以为正确测量到液晶的电光响应曲线，在调节驱动电压后，迅速读出功率计上的数值，研究透过率与外加电压的关系。
四、实验结果极其分析：
表1表明经起偏器的出射光的线偏度较高，可近似认为是线偏振光； 放入液晶后线偏度会明显降低。
说明线偏振光经过液晶盒会发生双折射现象，使得偏振态发生变化，通常变为椭圆偏振光
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实验中发现，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。而实验中检偏器位置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。
图五、输出光强随液晶转角的变化规律
图五可观察到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。极大值处对应出射光为线偏度最小的椭圆偏振光，极小处对应出射光为线偏度最大的线偏振光。并且当出射光为线偏振光时，可知入射的线偏振光的偏振方向与液晶盒表面的锚泊方向一致，此时线偏振光在液晶内部传播时不会分为i光与e光，即双折射现象对旋光效应的影响最小。因此可通过分别测量液晶盒两个表面最小输出光强的极小值位置，计算出液晶锚泊方向的差值，即为扭曲角。经计算，实验中扭曲角为：125度。
图六、液晶响应曲线、从左至右间歇频率依次减小
经过观察，驱动频率不变，随着间歇频率的增加，周期变短，脉冲不变；液晶信号波形周期周期会随之变窄
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间歇频率不变，随着驱动频率增加，驱动脉冲略微减小，周期显著减小，液晶波形大致趋势不变，原先为平滑曲线，出现起伏
如图六所示，随着间歇频率减小过程中：
对液晶衍射现象进行观察的过程中，发现缓慢增大调制电压过程中，电压在6.20—8.70V之间出现衍射现象；缓慢增大调制电压过程中，电压在6.43—6.10V之间出现衍射现象，并且衍射条纹随时间逐渐演化清晰。实验中测量液晶到屏的距离H=40cm,主极大到第一极大的距离约h=3.8cm，λ=650nm，可以求得sin
根据公式dsink，可得到d=6.9m
在“常黑模式”下考虑液晶的衍射现象，分别测量升压和降压过程中液晶的电光响应曲线，通过处理可得如下图示。可知透过率会随着电压变化，在一定范围内会变化迅速，然后h0.0945
图八、电压下降阶段，液晶电光响应曲线 经测定阈值电压、饱和电压如下表所示：
6
表三、液晶的电光响应测量数据
五、实验结论和建议：
本实验中我们研究了液晶的基本物理性质和电光效应等。发现液晶的双折射现象会对旋光角的大小产生的影响，在实验中通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小为125度；测量了不同间歇频率下液晶的响应时间，得知随间歇频率的减小响应时间增大，因此可通过增大间歇频率的方法来提高液晶的响应速度；观察液晶光栅的衍射现象，计算得到光栅常数的大小为d=6.9m；测量了液晶升压和降压过程的电光响应曲线，求得了阈值电压、饱和电压和阈值锐度。
六、参考文献：
1、熊俊. 近代物理实验. 北京师范大学出版社2007
2、姚启钧.光学教程（第三版）.高等教育出版社2006
3、近代物理实验补充讲义 北京师范大学物理实验教学中心 2009
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