胶料物性检测实验报告单
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第二篇：液晶物性实验报告
液晶物性
【摘要】
本实验主要是对液晶的各向异性、旋光性、电光效应等物理性质进行研究。实验中，我们测量了液晶盒的扭曲角、电光响应曲线和响应时间，观察和分析了液晶光栅。通过实验，我们了解了液晶在有无外加电场情况下光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法，最后还用白光光源观察了衍射特性。
【关键词】
液晶 各向异性 旋光性 光电效应 响应时间 衍射
【引言】
19世纪末奥地利植物学家莱尼兹尔在测定有机化合物熔点时发现了液晶。液晶（Liquid Crystal简称LC）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。近十年来液晶科学获得了许多重要的发展，使得液晶得到极为广泛的应用，为当代新兴的液晶工业体系奠定了基础，同时亦促进了液晶的基础理论研究。
【实验原理】
一、 液晶的基础物理性质
1. 液晶的介电各向异性
液晶的各项异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数。当外电场平行于或者垂直于分子长轴时，分子极化率不同。当一个任意取向的分子被外电场极化时，各方向上的极化率不同，造成分子感生电极矩的方向和外电场的方向不同，从而使分子发生转动。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. 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
、 
描述。由于和不同，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。
二、 液晶的光电效应
1. 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，即为旋光率。
2. 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：透过率有最大值降到最大值的10%时所需的时间
3. 电光响应时间
由于液晶的电光相应，在外电场的作用下，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，在“常白模式”下：
1）、阈值电压Vth，即透过率为90%所对应的电压
2）、饱和电压Vs，即透过率为10%所对应的电压
3）、阈值锐度β，即饱和电压与阈值电压之比，β=Vs/Vth
“常黑模式”下则相反。
4. 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：
其中：d为光栅常数， 
为衍射角，k= 0，
，±2…为衍射级次。
【实验仪器】
半导体激光器，示波器，液晶盒，激光功率计，光电池，光电二极管，偏振片（2个），光学导轨，白屏
【实验内容】
实验原理如下图所示
图一
一、 观察液晶的旋光现象和双折射现象
1. 如上图搭光路，调节起偏器，使入射到液晶表面的光强最大。再调节检偏器，测量无液晶时光的线偏度。
2. 调节检偏器，使入射光强最小，旋转液晶盒，测量有液晶的扭曲角及光的线偏度。
二、 测量响应时间
1. 将光电池替换为光电二极管，接好12V电源，并将液晶驱动电源调为12V旋
2. 转检偏器和液晶盒，找到系统功率最小的位置；
3. 将示波器表笔的钩形接头挂在光电二级管探头线路板探头挂环上，另一端与电源接地，用示波器观察液晶的驱动信号和相应信号；
4. 将驱动电源置于“间歇”，改变间歇频率和驱动频率，观察驱动信号的液晶响应信号的变化。测量上升沿时间
和下降沿时间
。
三、 光栅特性
1. 将光强调至最大，取下光电二级管换上白屏，用白屏观察衍射情况；
2. 分别调节检偏器和起偏器，观察衍射斑的变化情况。
3. 取下检偏器，记录阈值电压（衍射斑开始出现）和最大电压（衍射斑消失）。
4. 测量液晶光栅常数。
四、 测量电光响应曲线
选择“常白”模式，调节起偏器，使入射光强最大，调节检偏器，使入射光强最小将电压从驱动电压最低值缓慢往上调，测量此时的电光相应曲线。
【数据处理与实验结果分析】
分析表一：经起偏器的出射光的是线偏振光，线偏度较高，理论值应为无穷大）；放入液晶后线偏度会降低。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，特殊地可能变为圆偏振光（线偏度为1）或仍为线偏振光。
二、 最小输出光强与液晶旋转角度的关系
由图二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。极大值处对应经过液晶后出射光为线偏度最小的椭圆偏振光，极小处对应经过液晶后出射光为线偏度最大的线偏振光。
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，说明由旋光性引起的扭曲角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。
表三
三、 观察衍射测量相应时间
（1） 图三 （2）
表四
由图三及表四知，可观察到随着间歇频率的改变，上升沿时间和下降沿时间也会有相应的改变，通过查询可知液晶应用于显示器件时，应使间歇频率较大，减小响应时间。
四、 衍射现象
调节液晶盒上的调制电压，液晶表面出现越来越多的小条纹，最后连成一片，看见彩色的条纹。逐渐调大电压时，大约在6.78v—8.5v观察到衍射现象；逐渐调小电压时，大约在6.2v—5.96v出现衍射现象。
计算光栅常数：L=13.0cm，D=1.5cm，k=1，λ=650nm；
≈0.115，由光栅方程d
=kλ得d=5.66μｍ。接近标准值。
五、 光电相应曲线
方法：取下液晶，调节起偏和检偏器，使得出射光强最小（理论为零），放上液晶，逐渐调高调制电压，记录电压值和相应的功率。
表五
由图知，阈值电压Vth=6.7v，饱和电压Vs=9.8v，阈值锐度β=Vs/Vth=1.46。
【结论与建议】
通过实验发现液晶本身的各向异性对其双折射性、旋光性、光电效应以及其衍射现象有决定性作用。实验中得到液晶盒扭曲角的大小120°；由于双折射使得最小输出光强收到液晶旋转角度的影响；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，发现升压和降压过程形成的衍射现象并不是互逆的，计算得到光栅常数的大小为d=8.5μm；测量了液晶升压过程的电光响应曲线，并且求得阈值电压6.7v，饱和电压9.8v，阈值锐度1.46。
【参考文献】