大学物理实验C《液晶电光效应实验研究》论文道.doc

普通物理实验 C 课程论文题 目 液晶电光效应实验研究学 院 物理科学与技术学院专 业 物 理 师 范年 级 2010 级学 号 222010315210108姓 名指 导 教 师论 文 成 绩答 辩 成 绩 年 月 日 液晶电光效应实验研究 西南大学物理科学与技术学院摘要： 目前液晶在物理、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，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的电光效应的原理制成的。因此掌握电光效应很有用。本实验通过 FDLCEI 型液晶电光效应实验仪测定了液晶样品的电光曲线，并根据电光曲线求出了样品的电光效应的主要参数。并通过自配数字存储示波器观测了液晶样品的响应时间。关键词： 液晶 ； 光电效应； 在过去的十多年内，信息技术的空前发展宣告了第三次工业革命的来临。网络时代的出现，移动电话及电子贸易的蓬勃发展，所有这些新技术革命的诸多方面已经造就了一个信息时代的21世纪。信息的捕捉、控制、储存、传输和显示已同人类知识的增长和生活质量的改善密切地联系在一起。在这样的信息社会时代，信息材料，尤其是信息显示材料及器件显得尤为重要。目前市场上的显示器件主要有阴极射线管CRT、等离子显示屏PDP、液晶显示器LCD和发光二极管LED等。它们都有着不同程度的缺陷，如阴极射线管CRT体积大，不能实现平面显示；等离子显示屏PDP功耗大；发光二极管LED难以实现蓝色显示，分辨率低；刚走出实验室的OLED技术目前还不是很成熟，稳定性及寿命急待解决。而液晶显示器LCD随着技术的进步，工艺的完善以及成本的降低，受到越来越多的青睐。而液晶显示器件就是利用了液晶的电光效应制成的。此外，光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等也均是利用液晶光电效应的原理制成的。因此，掌握液晶电光效应无论从实用角度还是从物理实验教学角度都是很有意义的。【1】实验目的1. 测定液晶样品的电光曲线；2. 根据电光曲线，求出样品的阀值电压 Uth，饱和电压 Ur，对比度 Dr，陡度等电光 效应的主要参数；3. 用自配数字存储示波器观测液晶样品的电光响应时间；实验原理1.（液晶） 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。液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性。因此，液晶具有电光效应，即对液晶施加电场，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。液晶显示器的种类有很多，利用液晶的电光效应而实现显示的有扭曲向列相液晶、超扭曲向列相液晶、高扭曲向列相液晶等。扭曲向列相液晶，也称为TN型液晶，是应用范围最广、价格较便宜的液晶显示器。我们常用的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是TN型液晶。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；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。 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。2.（液晶电光效应） 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，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。 、扭曲向列相型（TN） 液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS） 、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）电控双折射（ECB）等。其中应用较广的如TFT型主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档电子产品；STN型主要用于手机屏幕等中档电子产品；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型液晶显示器件原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。本实验所使用的液晶样品即为位TN型。2.1 TN型液晶盒结构 TN型液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周密封。液晶盒厚一般为几个微米，其中上下玻璃片内侧镀有显示电极，以使外部电信号通过电极加到液晶上。上下玻璃基板内侧覆盖着一薄层高分子有机物定向层，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90°。所以称为扭曲向列型。 液晶盒玻璃片的两个外侧分别贴有偏振片，这两个偏振片的偏光轴互相平行常黑型或相互正交常白型，且于液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。【2】 TN型液晶盒结构图2.2 扭曲向列型电光效应 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，因此当线偏振光垂直玻璃表面入射时，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90度，即出射光仍为线偏振且偏振方向平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图1（a）不通电部分，图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）；若入射线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，仍为线偏振光且方向也垂直于下表面液晶分子轴；当入射线偏振光与液晶盒上表面分子取向不为平行或垂直情况时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。 对液晶盒施加电压，当电压达到一定数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重新排列（见1图b中通电部分），此时TN型液晶盒在无外电场作用时的90度旋光性随之消失。 【3】 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 90°，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 3；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（Ur），标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，Us 小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 DrImax/Imin，其中 ，Imin 为最小亮度。陡度Ur/Uth 即饱和电压Imax 为最大观察（接收）亮度（照度）与阈值压之比。 I/W U/V2.3 TN-LCD 结构及显示原理 TN 型液晶显示器件结构如下图，液晶盒上下玻璃片的外侧均贴有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向总是与上表面分子取向相同。自然光入射后，经过偏振片形成与上表面分子取向相同的线偏振光，入射液晶盒后，偏振方向随液晶分子长轴旋转 90°，以平行于下表面分子取向的线偏振光射出液晶盒。若下表面所附偏振片偏振方向与下表面分子取向垂直（即与上表面平行），则为黑底白字的常黑型，不通电时，光不能透过显示器（为黑态），通电时，90°旋光性消失，光可通过显示器（为白态）；若偏振片与下表面分子取向相同，则为白底黑字的常白型，如下图所示结构。TN-LCD 可用于显示数字、简单字符及图案等，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。 TN 型液晶显示器件结构参考图 【4】实验仪器 FD-LCE-1 液晶电光效应实验仪实验装置示意图 如图1所示，液晶电光效应实验仪主要由控制主机部分和导轨部分组成。 、液晶样品、起偏器、 导轨部分从左到右依次为检偏器及光电探测器（连接在一起）半导体激光器。各部件都与滑块连接，可在导轨上移动。 主机部分包括方波发生器、方波有效值电压表、光功率计。技术指标：1 半导体激光器：3V DC 电源；输出650nm 红光2 方波电压： 0-10V 左右（有效值）连续可调；频率500Hz 左右3 光功率计：量程有0-200uW 和0-2mW 两档4 光具座：长50.0cm实验步骤1 光学导轨上依次为：半导体激光器起偏器液晶盒检偏器（带光电探测器）。打开半导体激光器，调节各元件高度，使激光依次穿过起偏器、液晶盒、检偏器，打在光电探测器的通光孔上。2 接通主机电源，拔下电压表输出导线，将光功率计调零，选用 0-2mW 档。用话筒线连接光功率计盒光电转换盒，此时光功率计显示的数值为透过检偏器的光强大小，旋转起偏器至 。旋转检偏器，观察 ，使其偏振方向与液晶片表面分子取向平行（或垂直）光功率计数值变化，若最大值小于 ，?尚氲继寮馄鳎棺畲笸干涔馇看笥?。最后旋转检偏器至透射光强值达到最小。3 连接电压表输出导线，将电压表调至零点，用红黑导线连接主机和液晶盒，从0开始逐渐增大电压，观察光功率计读数变化，电压调至最大值后归零。4 从0开始逐渐增加电压，0-2.5V 每隔0.2V 或0.3V 记一次电压及透射光强值，2.5V后每隔0.1V 左右记一次数据，6.5V 后再每隔0.2V 或0.3V 记一次数据，在关键点附近多测几组数据5 选做自配数字存储示波器，可测试液晶样品的电光响应曲线，求得样品的响应时间。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。实验室据记录与处理1. 数据记录U/V I/uw U/V I/uw U/V I/uw U/V I/uw U/V I/uw0.00 9.9 0.24 10.0 0.40 9.9 0.62 9.9 0.81 9.91.00 9.9 1.20 9.9 1.41 10.0 1.60 10.0 1.78 10.11.90 10.1 2.01 10.1 2.24 10.2 2.44 10.2 2.52 10.22.61 10.2 2.71 10.2 2.82 10.3 2.91 10.3 3.03 191.13.05 192.1 3.07 193.3 3.09 194.6 3.12 196.2 3.18 199.63.34 204.0 3.41 208.0 3.49 212.0 3.53 215.0 3.96 270.24.17 310.3 4.29 320.0 4.58 354.1 4.70 363.0 4.83 377.05.15 395.0 5.36 402.0 5.48 412.0 5.64 416.0 5.87 423.05.99 425.0 6.18 426.1 6.25 427.0 6.44 428.5 6.63 429.02. 数据处理1. 做电光曲线图 电光曲线图 500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 I/uw 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 -50.0 U/v2. 求出样品的阈值电压 Uth、饱和电压 Ur、对比度 Dr 及陡度。 I max 429 W ，对应的电压为 6.63V， 10 I max 42.9W ，此时对应的电压为阈值电压 Uth，即 Uth2.97V； 90 I max 386.1W ，此时对应的电压为饱和电压 Ur，即 Ur4.99V。 对比度： Dr Imax/Imin 429W/9.9W 43.3 陡度：Ur/Uth4.99V/2.97V1.68应用前景1 如果两偏振片正交放置，则无电场时呈透明态，而加电场达到阈值电压后呈不透明状态根据液晶的这种光电效应特性，如果把液晶快门用于焊接面罩，将CdS等光敏电阻组装入液晶快门内，平时是透明态，一旦检出焊接时的电弧光就瞬时给液晶盒施加电压，降低液晶盒的光透射性能，保护眼睛免受焊接电弧光的刺激另外，根据这个原理可制作液晶窗帘，作为电动窗帘使用2 用液晶制成的透镜具有焦距可变、薄、轻、消耗功率少等优点液晶电光效应种类繁多，根据不同的原理可设计不同种类的光学器件，其应用前景极为广泛【5】实验结论 当电压在 22.97v由于电压小于阀值电压，所以透射光强没有明显改变；当电压增加到 2.97v 时，液晶分子的长轴开始向电场方向倾斜，透射光强开始增强；2.97-4.99v，透射光强明显增强；当电压在 4.99-6.18v 时，透射光强持续增强，由于电压大于饱和电压，故增强程度逐渐减小，当电压在 6.18-6.63v 时，透射光强基本没明显改变。参考文献1 严翔翔，吕银祥. 液晶显示材料，2007，12；3.2 祁建霞. 扭曲向列相型液晶电光效应的实验研究，北京联合大学学报（自然科学版）200923，1.3 王庆凯，吴杏华，王殿元，孙光厚，王佃文.扭曲向列相液晶电光效应的研究，200727，12 .4 徐澄. 液晶显示原理篇（二）