液晶棱鏡雙折射實(shí)驗(yàn)

胡偉頻,范志新

(河北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系,天津300130)

1 引 言

液晶是一種各向異性的物質(zhì),光學(xué)上類似單軸晶體,所以光在液晶中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射.用非常光(e光)折射率ne和尋常光(o光)折射率no之差Δn=ne-no來(lái)描述液晶雙折射性質(zhì).Δn的大小對(duì)液晶顯示器件的性能影響很大,是液晶材料的重要物理參數(shù)[1-3].液晶雙折射率的測(cè)試方法可分為折射法和干涉法兩類,包括阿貝折射計(jì)法、尖劈折射法、薄膜多光束干涉法、正交偏振光干涉法、1/4波片法等.目前在生產(chǎn)與科研工作中普遍采用定型儀器阿貝折射計(jì)法,該方法在實(shí)驗(yàn)時(shí)首先要在主棱鏡上對(duì)液晶做取向處理,需要特殊的專業(yè)技術(shù)[4].本文介紹一種利用液晶棱鏡測(cè)試液晶雙折射率的實(shí)驗(yàn)方法.

2 液晶棱鏡的制作

用面電阻約為70Ω/□、厚度的1.1 mm的氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電玻璃,ITO面相對(duì),切成梯形的液晶棱鏡盒的上下面;用厚度1.1 mm的醫(yī)用試片玻璃切出寬度僅為3 mm左右的細(xì)條,切裂面稍作研磨與拋光,作為液晶棱鏡盒的邊框;用紫外固化膠粘結(jié)成留有灌注液晶針眼的空液晶三棱鏡盒(頂角A=60°).用細(xì)針頭注射器把向列相液晶注射到液晶棱鏡盒中(液晶由河北鹿泉新型電子材料廠提供,折射率鈉黃光測(cè)試值:no=1.501 6,ne=1.651 2),再用紫外固化粘合劑把灌注口封住.液晶三棱鏡的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 液晶棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖

一般的向列相液晶顯示器(TN-LCD)盒間隙約5μm,工作電壓約2 V.因此設(shè)計(jì)制作此液晶盒間隙3 mm,使液晶垂直液晶盒表面取向的工作電壓約為1 000 V.液晶盒薄一些,可以降低液晶分子取向驅(qū)動(dòng)電壓,但光束準(zhǔn)直比較困難,液晶雙折射現(xiàn)象不夠清晰;液晶盒太厚,則需要過(guò)高的驅(qū)動(dòng)電壓,要灌注比較多的液晶材料.

3 實(shí)驗(yàn)原理與方法

用液晶三棱鏡盒測(cè)試液晶雙折射率實(shí)驗(yàn),在沒(méi)有加電壓時(shí),液晶盒因液晶分子指向矢宏觀無(wú)序排列,呈現(xiàn)出乳白色,并且能看到向列相液晶特有的織構(gòu).用激光束經(jīng)偏光片起偏從側(cè)面入射,在液晶盒內(nèi),光束被液晶分子散射成擴(kuò)展光束,另一側(cè)經(jīng)偏光片檢偏觀測(cè)出射折射光,光斑增大.當(dāng)在液晶棱鏡內(nèi)側(cè)ITO上施加1 000 V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),液晶分子垂直液晶盒表面規(guī)則排列,即單軸晶體的光軸垂直液晶盒表面,液晶變得清亮起來(lái).這時(shí)光束進(jìn)入液晶盒內(nèi)將按照雙折射規(guī)律分成o光和e光,從液晶盒正面就能看到這2束光線的徑跡.o光和e光分開(kāi)出射,按三棱鏡最小偏向角原理測(cè)試折射率方法[5-6]進(jìn)行測(cè)試,可以得到no和ne.實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

可用分光計(jì)分別測(cè)出o光和e光的最小偏向角δo-min和δe-min,用計(jì)算出no和ne.本實(shí)驗(yàn)也可以不用分光計(jì),直接用比較透明的薄紙鋪在液晶盒上描畫(huà)出兩束光線的軌跡,再用量角器分別測(cè)出光束入射角和o光及e光的折射角,按折射定律計(jì)算出no和ne.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用固體激光器(綠光波長(zhǎng)532 nm)光源對(duì)所制作的液晶三棱鏡盒進(jìn)行了多次重復(fù)測(cè)量,用直流高壓電源對(duì)液晶棱鏡施加電場(chǎng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1,實(shí)驗(yàn)效果如圖3所示.實(shí)驗(yàn)中,轉(zhuǎn)動(dòng)偏光片會(huì)觀察到o光和e光的強(qiáng)度隨之變化.材料的折射率與測(cè)試波長(zhǎng)有關(guān),實(shí)驗(yàn)中光源如果改用氦氖激光器(紅光波長(zhǎng)632.8 nm),則可得到不同的折射率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).對(duì)比廠家提供的產(chǎn)品折射率參數(shù),結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)誤差比較大,不適合當(dāng)作準(zhǔn)確的測(cè)試方法.測(cè)試中誤差產(chǎn)生的主要原因是不容易確定從液晶棱鏡出射的2束光線的角度等.

表1 液晶雙折射率的測(cè)量結(jié)果(T=20℃,λ=532 nm)

圖3 實(shí)驗(yàn)效果照片

5 結(jié)束語(yǔ)

使用液晶棱鏡測(cè)試雙折射實(shí)驗(yàn),原理明確易懂,操作簡(jiǎn)單方便,現(xiàn)象直觀清楚.液晶三棱鏡盒測(cè)試液晶雙折射實(shí)驗(yàn)適合作為普物實(shí)驗(yàn),豐富棱鏡和分光計(jì)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)液晶材料生產(chǎn)廠與液晶顯示器件生產(chǎn)廠的工程技術(shù)人員也具有一定的實(shí)用價(jià)值.利用這種液晶盒也可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出測(cè)試液晶電阻率、液晶電容率、液晶電光特性等方面的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn).

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[2] 陳波,程翔,謝千里,等.介紹一個(gè)現(xiàn)代化的普物實(shí)驗(yàn)——液晶光閥[J].大學(xué)物理,1999,18(12):31-33.

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