光源單色性對液晶器件電光特性的影響

付雄華,李奕鑫,蔡志崗

(中山大學a.物理科學與工程技術學院;b.光電材料與技術國家重點實驗室,廣東廣州510275)

光源單色性對液晶器件電光特性的影響

付雄華a,李奕鑫b,蔡志崗b

(中山大學a.物理科學與工程技術學院;b.光電材料與技術國家重點實驗室,廣東廣州510275)

利用迷你光譜儀,獲得0～11 V電壓下液晶盒的透射光譜,從透射光譜分別得到寬帶(半波全寬100 nm)和窄帶(半波全寬10 nm)入射光下扭曲90°、扭曲120°向列相液晶盒以及平行向列相液晶盒的電光特性曲線.實驗結果表明,入射光中心波長在530～730 nm范圍內時,光源的單色性對扭曲向列相液晶盒的電光特性基本沒有影響,但是會影響平行排列向列相液晶盒的透射率,而且影響隨著入射光中心波長的增加逐漸減弱.

液晶;電光特性;透射光譜;單色性;向列相

1 引 言

液晶分子間的作用力是非常微弱的,它的結構易受周圍的機械應力、電磁場和溫度等變化的影響,因此適度控制周圍的環境變化,液晶可以透光亦可反射光[1].目前對液晶器件電光特性的研究[2-4]多數是利用分光光度計測試偏振光通過液晶器件的透射率來實現的,在測試液晶盒電光特性時,一般取定某一波長的入射光,但對于此入射光的單色性,即半波全寬對液晶器件電光特性的影響卻很少被考慮,本實驗就針對入射光單色性對液晶器件電光特性的影響進行研究.在實驗中,給液晶盒加上0～11 V不等的驅動電壓,利用迷你光譜儀測得液晶盒在可見光區的透射光譜圖,進而得出以530 nm,630 nm及730 nm為中心波長的入射光下液晶盒的電光特性曲線,比較并研究寬帶(半波全寬100 nm)和窄帶(半波全寬10 nm)入射光下得出的電光特性曲線的異同,探討了入射光的單色性對不同類型液晶器件電光特性的影響.

2 TN型液晶原理

TN型液晶盒結構如圖1所示,它由上下2片導電玻璃制成,盒內充有液晶,四周密封.液晶盒厚度一般為幾個微米,上下玻璃片內側鍍有顯示電極,使外部電信號通過電極加到液晶上.上下玻璃基板內側覆蓋著很薄的高分子有機物定向層,經錨泊處理,可使棒狀液晶分子平行于玻璃表面,沿定向處理方向排列.扭曲90°向列相液晶上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的,這樣,盒內液晶分子的取向逐漸扭曲,從上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°;而扭曲120°向列相液晶上下玻璃表面的定向方向是相互成120°的,從上玻璃片到下玻璃片扭曲了120°.

圖1 TN型液晶盒的結構

對于扭曲90°向列相液晶,無外加電場作用時,垂直入射到玻璃基片上的線偏振光在通過的過程中,其偏振方向將沿著液晶分子的扭曲方向剛好旋轉90°.這種向列相液晶盒在2塊方向平行的偏振片之間時,光不能通過;而放置于2塊方向垂直的偏振片之間時,光能夠通過,如圖2(a)所示.當對液晶加電壓,電壓大于某一值(稱為閾值電壓)時,液晶分子的長軸就開始向電場方向傾斜.隨著電壓繼續增大,除了電極近旁的分子外,其他分子的長軸都將沿著平行于電場的方向重新排列,從而導致液晶分子的旋光性消失.在這種情況下,液晶盒在2塊方向平行偏振片之間時,光能夠通過;液晶盒在兩方向垂直偏振片之間時,光不能通過,如圖2(b)所示[5-6].與不施加電場的情況恰恰相反[7].

圖2 有無外加電壓光通過情況

對于扭曲120°TN型液晶,有類似結論:不加電壓時,液晶盒在成30°角的兩偏振片之間時,光不能通過;而放置于2塊成120°角的偏振片之間時,光能夠通過.當加電壓使液晶盒旋光性消失,則液晶盒在2塊平行偏振片之間時,光能夠通過;液晶盒在兩垂直偏振片之間時,光不能通過.

由均勻扭曲向列相結構可以推出:對于90° TN層,必須滿足不等式(莫根條件):|Δnd/λ|?0.5.實際上,多數情況下|Δnd/λ|僅略大于0.5.在這種情況下,一般恰好為90°的旋轉只能對1個波長λ0實現,而此λ0的特殊值可以由下列方程得出:

式中Γ(λ)定義為

對于其他波長,旋轉不再恰好是90°,在液晶中光略呈橢圓偏振態,一部分光將被第二個偏振片吸收[5].

3 平行排列向列相液晶

平行排列向列相液晶分子的長軸與兩基片的面平行地沿面排列,在這種情況下,液晶的介電各向異性顯著,閾值電壓很低,施加電壓時液晶分子的色調變化非常清晰,且不容易產生動態散射現象.本文所采用的平行排列向列相液晶盒就是沿面排列方式,是把介電各向異性的正光學性質的向列相液晶夾在2片透明電極基片間而制成的.

向列型液晶具有光學單軸性晶體的光學各向異性,但因其光軸與液晶分子的長軸是一致的,所以未施加電壓時,光經過起偏鏡后偏振光的方向與液晶分子的長軸平行,因此經過液晶盒后其偏振態不發生變化,又因為兩偏振片正交,所以此時沒有光透過.當所加電壓V小于閾值電壓Vth時分子軸不發生偏轉,但當施加的電壓超過閾值即V>Vth時,液晶分子在電場的作用下向著電場方向偏轉α,偏轉角α隨著V值的增加而增加,直到達到α的飽和值,如圖3所示.

圖3 平行排列向列相液晶盒的電光特性原理圖

4 實驗及結果分析

實驗所用液晶樣品盒厚為10μm,折射率: no=1.56,ne=1.70.

首先利用海洋光學公司的迷你光譜儀取代通常的光探測器,測量樣品在連續改變的外加交流電場條件下的透射光譜.光譜法實驗裝置簡圖如圖4所示.

在室溫23℃下,未加電壓時,使起偏器和檢偏器的偏振方向分別與液晶盒入射面和出射面光方向平行,即將液晶樣品設置為“常亮”型,測量光譜范圍選定在480～780 nm,所加偏壓為占空比50%,頻率1 000 Hz的交流方波電壓,測得3種液晶樣品在相同頻率不同電壓下的透射光譜,如圖5所示.

圖4 光譜法實驗裝置圖

圖5 不同扭曲角向列相液晶和平行排列向列相液晶在不同電壓下的透射光譜

在光譜圖線中找到以橫坐標530 nm為中心,100 nm范圍內對應各個電壓下的平均透射強度,利用這些點可以做出平均透射強度隨電壓變化圖線(電壓值取得越密集,所得圖線越平滑精確),即得到各樣品在以530 nm為中心波長的寬帶(帶寬100 nm)入射光下的電光特性曲線;同理,如果取10 nm寬的范圍求透射強度的平均值,就得到窄帶(帶寬10 nm)入射光下的電光特性曲線,3種不同液晶樣品的寬帶、窄帶入射光電光特性曲線如圖6所示(圖中縱軸T代表歸一化透射率).

同理從光譜圖線中得出中心波長為630 nm和730 nm的寬帶、窄帶入射光下,3種不同液晶樣品的電光特性曲線,如圖7～8所示(圖中縱軸T代表歸一化透射率).

綜合分析圖6～8的曲線,可得到以下結論.

1)對于扭曲90°和扭曲120°的TN型液晶盒,由圖6(a)和圖6(b)中可以看到,寬帶和窄帶入射光的電光特性曲線基本重合,說明對于TN型液晶器件(扭曲角為90°和120°),在入射光中心波長為530 nm時,半波全寬為100 nm的寬帶入射光和半波全寬為10 nm的窄帶入射光的電光特性基本一致,分析原因有以下兩點:

a.從圖5(a)和圖5(b)中看出2種TN型液晶樣品的透射光譜比較相似,隨波長的變化沒有很大的波動,光譜圖線比較平緩,因此取不同帶寬計算所得的平均透射率會比較接近.

b.入射光中心波長在530～730 nm波段時, |Δnd/λ|?0.5的條件基本能夠得到滿足,所以我們看到扭曲90°和扭曲120°的TN型液晶器件透射率在所加電壓超過閾值后隨電壓的升高而單調下降,且寬帶、窄帶入射光所得圖線基本一致.

由圖7(a)和圖8(b)中進一步可知在入射光中心波長為630 nm和730 nm時,對于扭曲90°和扭曲120°的TN型液晶器件也有與上面相同的結論.

2)而對于平行排列向列相液晶盒,首先觀察圖5(c)看到平行排列向列相液晶樣品的電光曲線擁有2個波峰和波谷,隨著電壓的增加,透射光譜的變化比較明顯,曲線整體向藍光方向移動,可以看出平行排列向列相液晶樣品的透射光譜隨電壓敏感變化.

圖6 中心波長為530 nm的寬帶、窄帶入射光下,3種不同液晶樣品的電光特性曲線

圖7 中心波長為630 nm的寬帶、窄帶入射光下,3種不同液晶樣品的電光特性曲線

圖8 中心波長為730nm的寬帶、窄帶入射光下,3種不同液晶樣品的電光特性曲線

由圖6(c)看到2條電光曲線并不完全重合,雖然震蕩的頻率基本一致,但幅度并不相同,在3.5 V以前窄帶入射光的曲線震蕩幅度要大于寬帶入射光的幅度,3.5 V以后則情況相反,分析原因有以下兩點:

a.樣品透射光譜隨電壓變化敏感,所取入射光半波全寬不同時,所得的透射率平均值存在較大差異.

b.當所取半波全寬不同時,得到的入射光的強度必有差別,在強度不同的入射光下,液晶分子的排列存在差異,導致透射率的不一致.

這說明在入射光中心波長為530 nm時,光源的單色性對液晶樣品的相對透射率是有影響的,不能用寬帶光代替窄帶光來研究平行排列向列相液晶器件的電光特性.但由圖7(c)和圖8(c)又可以看到,隨著入射光中心波長向紅光偏移,寬帶和窄帶入射光所得的電光曲線越趨近于吻合,當入射光中心波長達到730 nm時,2條曲線基本重合,如圖8(c)所示.根據從圖5(c)平行排列向列相液晶樣品透射光譜分析的原因,隨著波長的紅移,透射率隨電壓變化的敏感程度逐漸減小,光譜曲線趨于平緩,因此取100 nm和10 nm半波全寬計算的平均透射率也隨著入射光波長的紅移而趨于相同.

5 結 論

本文利用液晶盒在不同電壓下的透射光譜,得到了入射光中心波長在530～730 nm范圍內不同液晶樣品的電光特性,比較了寬帶(半波全寬100 nm)和窄帶(半波全寬10 nm)入射光下液晶樣品電光特性的異同,研究了光源單色性對液晶器件電光特性的影響.對于扭曲90°和扭曲120° TN型液晶盒,入射光中心波長在530～730 nm范圍內時,都可以用半波全寬為100 nm的寬帶光代替半波全寬為10 nm的窄帶光來研究其電光特性,而不會影響所得結果;而對于平行排列向列相液晶盒,入射光中心波長在530～730 nm范圍內時,光源的單色性對液晶樣品的相對透射率是有不同程度影響的,所以不能用寬帶光來代替窄帶光來研究其電光特性,但這種影響程度隨著中心波長的增大而逐漸減小.

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Effect of the monochromaticity of incident light on the electro-optic properties of liquid crystal

FU Xiong-huaa,LI Yi-xinb,CAI Zhi-gangb
(a.School of Physics and Engineering;b.State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275,China)

The transmission spectra of liquid crystals are obtained using Ocean Optics for different voltages.For incident light of different bandwidths,the electro-optic characteristic curves of twisted nematic liquid crystal at 90°and 120°and parallel nematic liquid crystal are measured.The results show that when the central wavelength of incident light is between 530～730 nm,the monochromaticity of the incident light has almost no effect on the electro-optic properties of twisted nematic liquid crystal.But for parallel nematic liquid crystal,the monochromaticity of the incident light will affect its transmission rate,and this influence decreases gradually with the increasing of the central wavelength.

liquid crystal;electro-optic properties;transmission spectrum;monochromaticity; nematic

O753.2

A

1005-4642(2010)12-0005-05

[責任編輯:任德香]

2010-04-24;修改日期:2010-09-14

中山大學物理學理科基地條件建設項目(No.J0630320)

付雄華(1986-),男,廣西柳城人,中山大學物理科學與工程技術學院碩士研究生,研究方向為液晶特性.

蔡志崗(1962-),男,福建廈門人,中山大學光電材料與技術國家重點實驗室教授,博士,研究方向為光學、光電子學.