液晶电光效应实验报告应物02陈忠旺一：基本要求1、 了解液晶的特性和基本工作原理;2、 掌握一些特性的常用测试方法；3、 了解液晶的应用和局限二：实验原理：液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态一般的液体内部分子排列是无序的，而 液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性当 光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状 棍的长度在十几埃，直径为4〜6埃，液晶层厚度一般为5-8微米列方式和天然胆甾（音同淄）相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且 “螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人 为控制扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向 顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应在一般条件下旋转的角度（扭曲角）等于 两基片之间的取向夹角由于液晶分子的结构特性，其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分 子有规律的排列时，其总体的电学和光学特性，如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特 点如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。
从而使液晶材料的光学特 性发生改变，1963年有人发现了这种现象这就是液晶的的电光效应为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极我们将这个由基 片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒当我们在液晶盒的两个电极之间 加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化根据液晶分子的结构特点 我们假定液晶分子没有固定的电极但可被外电场极化形成一种感生电极矩这个感生电极 矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生 转动，直到各种互相作用力达到平衡液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中 液晶分子的总体排列规律发生变化当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如 图2中的排列形式本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理 结构有一个基本了解并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释图1图2这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失通过检偏器，我们可以清晰地观 察到偏振态的变化大多数液晶器件都是这样工作的图3扭曲向列型(TN)液晶屏结构图图3液晶屏结构图4液晶光开关工作原理以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。
若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同不加电 压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90o, 不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图5； 其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为 阈值电压(uth)，标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉)，阈值电压小，是电光 效应好的一个重要指标最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(U)，标志了r获得最大对比度所需的外加电压数值，U"J、则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对 显示寿命有利对比度Dr=Imax/Imin，其中Imax为最大观察(接收)亮度(照度)，Imin为最小亮度 陡度户u/u即饱和电压与阈值'电压之比：A诱射率TO)10080604020•[K P? L 压电压(V)5 6图5液晶电光效应关系图以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析而对 于这两个状态之间的中间状态我们还没有一个清晰的认识，其实在这个中间状态，有着极 其丰富多彩的光学现象。
在实验中我们将会一一观察和分析液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数一般来说液晶的 响应速度是比较低的我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度 情况定义如图6所示图6液晶屏响应时间三：实验仪器：1、控制机箱2、液晶电光效应光具座架3、激光器4、起偏器5、液晶屏6、检偏器7、光电池液晶电光效应控制机箱：1、 激光器输出：输出连接到激光器上，供应半导体激光器电源2、 功率：控制激光器亮度，顺时针变亮3、 液晶屏输出：输出方波信号给液晶屏4、 同步：同步信号给示波器5、 频率：调节方波信号频率，顺时针频率降低6、 幅度:调节方波信号的幅值，顺时针幅值增大7、 光电接受：接受光信号转化为电信号8、 示波器：将接受到的信号连接到示波器上加以显示9、 驱动电压表头：显示驱动方波的幅值电压10、 光电流表头：显示接受到的信号的电流值11、 电源开关：控制电源四：实验步骤：1、激光器；2、起偏器；3、液晶屏；4、检偏器；5、光电转换器图7液晶电光效应实验示意图、液晶电光特性测量1、按图7所示将激光器，起偏器、检偏器、液晶屏及光电池放置在对应位置，摆好光路 并将激光器、液晶屏及光电池插入机箱对应插孔内。
2、 调节激光器高度使激光器光斑入射到光电池入射孔内3、 取掉将起偏器旋转到0°，旋转检偏器使激光光斑变到最暗状态，此时检偏器角度应为 90°，将液晶屏重新放入对应插孔，可以发现此时光斑变亮4、 打开机箱电源，调节频率旋钮，逆时针旋转到最小，此时频率为最大值，入射到激光器 的光斑无闪烁现象，幅值电压表头及光电流表头数字稳定5、 顺时针旋转幅值旋钮，缓缓增大输出方波信号的幅值，观察光电流表的数据，记录下幅值 对应光电流值，填入表格1并绘制幅值与光电流关系图及透过率与幅值关系图（透过率在幅 值为0时为100%），求出关断电压及阈值电压注意调节幅值过程中，0~2V每次调节0.2V， 2V~5V每次调节0.1V）表1幅值光电流值透过率二、 液晶上升时间、下降时间测量，响应时间1、 重复一实验的1、2、3部分2、 打开控制箱电源，用Q9线连接示波器下旋钮到示波器CH1上，将同步连接到示波器的触 发源上上，示波器的触发源拨到同步信号对应接口示波器周期拨到10ms左右，电压调到 5mv 档3、 顺时针调节频率旋钮，此时方波驱动的频率减小、周期增大，可以观察到光电池接受到 的光斑开始闪烁，随着周期的增大，可以观察到光斑闪烁的间隔时间越来越长。
4、 将幅值电压调到3V左右，缓缓增大方波周期，知道可以清晰的看到上升沿及下降沿现象 （调节过程中方波幅值电压不应过强，否则输出波形将产生畸变）5、 通过示波器测量上升时间及下降时间，估计液晶屏的响应速度6、 改变信号的幅值，记录不同幅值下的响应时间三、 液晶屏视角特性测量1、 重复一实验1、2、3、4实验部分每隔20测量一次2、 调节幅值电压0V，旋转液晶屏±803、调节幅值电压为2V,重复上面测量过程五：注意事项1. 拆装时只压液晶盒边缘，切忌挤压液晶盒中部;保持液晶盒表面清洁，不能有划痕; 应防止液晶盒受潮，防止受阳光直射2. 驱动电压不能为直流3. 切勿直视激光器4. 液晶样品受温度等环境因素的影响较大，如TN型液晶的闺值电压在20范 围内漂移达15%到35%，因此每次实验结果有一定出入为正常情况也可比较不同温度下 液晶样品的电光曲线图1实验数据及数据处理1、阈值电压测量：绘图驱动电压（V）根据图形找到90%透过率时驱动电压幅值为2.9V, 10%透过率幅值为3.6V，即该液晶屏的阈 值电压为2.9V，关断电压为3.6V2、响应时间测量通过实验过程在示波器上观察到如下图类似的响应波形。
通过读取幅值刻度值后，读取10%及90%时对应的横坐标值，求其差值，可以测量得 下降时间为12ms,上升时间为18ms，则总的响应时间为30ms随着驱动电压幅值的增大， 可以观察到下降沿变抖，下降时间变小而上升时间变化不明显，总的响应时间变短三、不同角度液晶屏的透过率1数据2绘图-»-0(V)• —2(V)200 一180 一160 一140 一120 一100 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100角度1、电光效应的原理是什么？答：电光效应，是将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象某些各向同性 的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象 为电光效应.电光效应包括泡克耳斯（Pockels）效应和克尔（Kerr）效应电光效应是指某些各向 同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应A4详细叙述液晶在目前各领域的应用和发展前景，应用中出现的问题局限和拟解决的方法等4.1液晶在生活方面的应用在生活中，液晶最为常见的应用是液晶显示器现在，它已经广泛应用于手表、计算器、时钟、、照 相机、办公设备、个人计算机，温度计、袖珍电视、汽车仪表盘等设备中。
有些变色窗户中也使用了液晶 材料1）一笔记本电脑用的液晶显示屏：（2）额头温度计（液晶变色温度计）液晶温度计：能安全准确的测试 温度，包括体温、水温、气体及各种固体物表面等适用于奶瓶、酒瓶、饮料、冰箱、水壶、鱼缸、水缸、室内、 车内等测试温度4.2液晶生物学一一正在崛起的交叉学科 简言之，生物组织必须有足够的刚性，使其正常发挥功能；并且又要有足够的流动性，使所有必要的过程 能够进行这种精巧的平衡，部分地能够被夜景结构所实现液晶的奇妙性质对许多生物过程来说毫无疑 问很重要在生物学的某 些领域，研究者们开始对重要分子的物理状态提出疑问，希望能发现重要的新观念来解释有机体如何实现 必要的功能液晶，这个自然界中的奇妙物质，已经成为这些研究者们的新宠物4.3液晶用于气体的检测液晶对气体和蒸汽污染的灵敏度高于氧，氮及惰性气体.它能记录有害气体的浓度，并能精确测定漏气部位, 以保证安全.测量的灵敏度可达百万分之几.这对环境保护监测工作有重要价值.例如胆甾液晶对不同有 机溶剂气体可显示不同的颜色4.4浅层肿瘤的诊断用涂有胆甾型液晶的黑底薄膜，贴在病灶区的皮肤上,则能显示温度不到一度的彩色温度变化图.利用液晶 诊断肿瘤、动脉血栓和静脉肿瘤，以提供手术的准确部位，并能根据皮肤温度的变化，以及交感神经系统的堵 塞情况，以判断神经系统及血管系统是否开放.液晶在0〜250 °C之间对温度变化都很灵敏,根据选用的混 合物液晶能显示1〜5 C之间温度变化的全谱图，即使小于0125 C的温度变化,也可以清楚地看出a）综述基础科学的进展和新技术观念的结合，使得在这个领域工作的研究者急剧增长。
研究论文开始充斥每年的 学术刊物，新的应用不断定期出现由物理学家、化学家和工程师组成的液晶研究小组也在全世界的各主 要大学和工业实验室中形成分子如何协调运动，分子结构如何影响这种运动，对于我们不断深入理解这两个问题，液晶研究 在其中起了重要的作用合成新的液晶化合物的化学家们使我们更广泛地理解了有机合成现在，液晶已 经被用作探测某些物质的溶剂或介质其他应用包括液晶温度计及热敏薄膜、高强度液晶聚合物以及用于 油回收工艺的表面活性剂我们对液晶的理解的发展还有助于我们对细胞膜以及某些疾病（譬如镰状细胞 性贫血和动脉硬化）的了解我们确信，在不久的将来，液晶，必然会以更优秀、更常见的姿态走入我们 的生活，走入千家万户。