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实验日期：2015年11月23日 近代物理实验 指导老师：熊昌民 PAGE \* MERGEFORMAT8 液晶物性试验 姓名：李首卿 学号：201311141049 【摘要】本实验对液晶旋光现象和双折射现象的观察以及电光响应曲线、反应时间的测量，加深了我们对液晶的介电各向异性、光学各向异性以及旋光性这三大独特性质的理解，了解了液晶在外电场作用下的变化，及其引起的液晶盒的光学性质的变化。 关键词： 液晶 介电各向异性 光学各向异性 旋光效应 引言 当物质处于液晶相的状态下，它具有强烈的各向异性物理特征，同时又像普通流体那样具有流动性，这些可以出现液晶相的物质被称为液晶。从1888年奥地利植物学家莱尼茨尔第一次发现这个现象，经过20世纪30年代到50年代之间对液晶物性研究的鼎盛时期，到60年代后步入实用研究阶段。不到八十年的时间，液晶已经融入了我们生活的方方面面，它深刻地改变了人类的生活，对人类产生了巨大的影响。 实验原理 液晶相：只有那些具有大分子且分子为杆状或碟形的物质才更容易具有液晶态。由杆形分子形成的液晶，其液晶相可根据分子排列的评议和取向有序性分为三大类：近晶相、向列相和胆甾相； 介电各向异性：它是液晶分子在电场中行为的主要参数。ε∥为液晶平行于分子取向的介电常数，ε⊥为液晶垂直于分子取向的介电常数。介电各向异性可用?ε=ε∥-ε⊥表示，?ε0为正性液晶，?ε0则为负性液晶。正性代表液晶分子沿场的方向排列，负性则代表垂直于场。电场对液晶分子的取向作用由极化各向异性决定。由于分子长轴和分子短轴的极化率并不相同，外加电场后分子将发生旋转直至电场方向与长轴方向平行或与长轴方向垂直为止。我们再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，上述旋转将引起类似与弹性恢复力造成的反向力矩，使分子在转动一个角度之后不再转动; 光学各向异性：由于液晶分子结构的各向异性，光在液晶中传播会发生双折射现象产生寻常光和非寻常光，表现出光学各向异性。也正是由于液晶的双折射效应，可以使入射光的偏振光状态和偏振光方向发生变化。我们可以知道液晶引入的光程差为δ=n∥-n⊥ωd/c，通过液晶的光最后以光程差决定它的偏振状态; 旋光性：在液晶分子扭曲排列的螺距远远超过光的波长情况下，若光以平行于入射面分子轴的偏振方向入射，则随着分子轴的扭转，它将以平行于出射面分子轴的偏振方向射出；若光以垂直于入射面分子轴的偏振方向入射，则以垂直于出射面分子轴的方向射出；当光以其他线偏振光的方向入射时，则根据双折射效应带来的附加相位差，将以椭圆、圆或直线等形式出射。液晶盒最重要的特点就是满足摩根条件：液晶分子扭矩和双折射率的乘积远大与入射光波长的一半； 电光效应：液晶在外电场的作用下，分子之间的取向将发生变化，光通过液晶盒时偏振状态也将发生变化，如果液晶盒后检偏器的透光方向不发生变化，那么系统的透光强度将会发生变化。透过率和外加电压的关系曲线为电光响应曲线，决定了液晶显示的特性。我们将透过率的最大值和最小值之比称作对比度亦称反差即 C=Tmax/Tmin (1) 对比度越高，显示的画面就更加生动，对比度影响液晶显示质量。为了更好地描述响应曲线我们定义了以下三个常量 阈值电压：将透过率为90%时所对应的电压称为阈值电压； 饱和电压：将透过率为10%时所对应的电压称为饱和电压； 阈值锐度：饱和电压和阈值电压之比称作阈值锐度； 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要的时间就是响应时间。响应时间是液晶一个性能参数，我们有以下两个定义 上升沿时间：透过率由最小值升到最大值的90%时所需要的时间； 下降沿时间：透过率由最大值降到最大值的10%时所需要的时间； 液晶衍射：施加在液晶和的低频电压高于某一阈值时，带电杂质运动引起液晶分子的环流，这些环流小区域导致整个液晶盒中液晶取向规则的形变，形成折射率周期的变化，使得通过样品的光聚焦在明暗交替的带上，液晶相位光栅满足一般的光栅方程 asinθ=kλ k=0,±1,±2…… (2) 其中，a是光栅常数，θ是衍射角，k是衍射级次。 实验仪器 半导体激光器、数字示波器、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、起偏器、检偏器、光学导轨、白屏。激光经过起偏器后成为线偏振光，偏振光经过液晶盒后震动方向发生变化，检偏器用来鉴别液晶出射光的偏振态。白屏用于观察液晶光栅的衍射情况。 实验步骤 测量线偏振光 调节光路使激光经过起偏器进入探测器光电池。转动起偏器使激光功率达到最强。调节完成后线偏振光在整个实验中保持不变； 在光电池前放入检偏器，测量实验所用的线偏振光的