液晶电光效应实验.doc

液晶电光效应特性研究
早在上世纪70年代,液晶已作为物质存在的第四态开始写入各国学生的教科书。至今已成为由物理学家、化学家、生物学家、工程技术人员和医药工作者共同关心与研究的领域,在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用。如:光导液晶光阀、光调制器、液晶显示器件、各种传感器、微量毒气监测、夜视仿生等,尤其液晶显示器件早已广为人知,独占了电子表、手机、笔记本电脑等领域。其中液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等均是利用液晶电光效应的原理制成的。因此,掌握液晶电光效应从实用角度或物理实验教学角度都是很有意义的。
【实验目的】
1. 测定液晶样品的电光曲线;
2. 根据电光曲线,求出样品的阈值电压Uth饱和电压Ur、对比度Dr、陡度β
等电光效应的主要参数;
3. 了解最简单的液晶显示器件(TN—LCD)的显示原理;
4. 自配数字存储示波器可测定液晶样品的电光响应曲线,求得液晶样品的响应时间。
【实验仪器】
FD-LCE-1型液晶电光效应实验仪
【实验原理】

液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态,既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质,又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是:液体是各向同性的,分子取向无序;液晶分子有取向序,但无位置序;晶体则既有取向序又有位置序。
就形成液晶方式而言,液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶又可分为近晶相、向列相和胆甾相。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。

液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质,如果对这样的物质施加电场(电流),随着液晶分子取向结构发生变化,它的光学特性也随之变化,这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多,主要有动态散射型(DS)、扭曲向列相型(TN)、超扭曲向列相型(STN)、有源矩阵液晶显示(TFT)、电控双折射(ECB)等。其中应用较广的有:TFT型───主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品;STN型───主要用于手机屏幕等中档产品;TN型───主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品,是目前应用最普遍的液晶显示器件。TN型液晶显示器件显示原理较简单,是STN、TFT等显示方式的基础。本仪器所使用的液晶样品即为TN型。

TN式液晶盒结构如图1所示。
图1 TN型液晶盒结构图
在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间,夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层,四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封。玻璃基板内侧覆盖着一层定向层,通常是一薄层高分子有机物,经定向摩擦处理,可使棒状液晶分子平行于玻璃表面,沿定向处理的方向排列。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的,这样,盒内液晶分子的取向逐渐扭曲,从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90o,所以称为扭曲向列型。

无外电场作用时,由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距,当线偏振光垂直入射时,若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同,则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90o,平行于液晶盒下表面分子轴方向射出(见图2(a)中不通电部分,其中液晶盒上下表面各附一片偏振片,其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同,因此光可通过偏振片射出);若入射线偏振光偏