液晶衍射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

蔣 驥，朱宏宇，周 衍，甘 曉，顧 源，周 進(jìn)，潘永華

（南京大學(xué)a.匡亞明學(xué)院；b.物理學(xué)院，江蘇南京210093）

1 引 言

液晶是一種介于傳統(tǒng)液體和固態(tài)晶體之間的特殊物質(zhì)相[1]，它的電光效應(yīng)是最為關(guān)注的特性.使用北京方式公司生產(chǎn)的液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)一種有趣的現(xiàn)象，當(dāng)所加交流電壓峰峰值在4.5～11V之間時(shí)液晶光學(xué)器件的透明度下降，5.0V以上出射光會(huì)出現(xiàn)明顯的類似光柵的衍射現(xiàn)象，在屏上形成衍射斑，且各級(jí)衍射斑間的偏振態(tài)也按一定規(guī)律分布.對(duì)此我們從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了探索與研究.

2 不同電壓條件下的衍射光斑

圖1為測(cè)量液晶電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖2為此種液晶光學(xué)器件的電光效應(yīng)曲線.從圖2可看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過閾值（約為4.0V）時(shí)，開始產(chǎn)生電光效應(yīng).與傳統(tǒng)的液晶光學(xué)器件的電光效應(yīng)曲線[2]不同的是，驅(qū)動(dòng)電壓在4.0～4.5V時(shí)透過率不斷下降，約在5.0V時(shí)達(dá)到極小值，并且在5.0V以上，上升幅度也小于傳統(tǒng)液晶，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象.

圖1 液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 液晶光學(xué)器件電光效應(yīng)曲線

當(dāng)液晶光學(xué)器件上加頻率為25kHz的正弦波時(shí)，出射光會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，圖3顯示不同電壓條件下的衍射圖樣，衍射圖樣由水平方向上的衍射光斑和以0級(jí)光斑為圓心的圓環(huán)狀衍射圖樣構(gòu)成，并且在電壓逐漸增大的過程中液晶的衍射圖樣會(huì)發(fā)生變化.電壓為5.3V時(shí)，衍射光斑和圓環(huán)狀衍射圖樣都較為模糊，到6.3V時(shí)，圓環(huán)狀衍射圖樣比較清晰，且各級(jí)衍射光斑都位于圓環(huán)狀衍射圖樣的各級(jí)環(huán)帶上，隨著電壓的增大，圓環(huán)狀衍射圖樣逐漸模糊，衍射光斑逐漸清晰，8.8V時(shí)圓環(huán)狀衍射圖樣已基本模糊，中心處5級(jí)衍射光斑卻清晰可辨，9.7V時(shí)，衍射光斑變得更為明亮，到11.3V時(shí)光柵衍射現(xiàn)象基本消失，出射光恢復(fù)為點(diǎn)光斑.

圖3 不同電壓條件下的衍射圖樣

3 光柵衍射斑點(diǎn)偏振態(tài)的分析

實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電壓在8.5V左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較為清楚的衍射圖樣，當(dāng)旋轉(zhuǎn)如圖4所示的檢偏器時(shí)，對(duì)稱位置上的±1級(jí)和±2級(jí)光斑的光強(qiáng)總是同步變化的，但是不同級(jí)光斑的光強(qiáng)變化各異，在44°時(shí)±1級(jí)光斑光強(qiáng)同時(shí)達(dá)到最小值，35°時(shí)±2級(jí)光斑光強(qiáng)也同時(shí)達(dá)到最小值，0°時(shí)0級(jí)光斑的光強(qiáng)最小，圖5是旋轉(zhuǎn)檢偏器至不用方位時(shí)采集到的衍射圖樣.同時(shí)注意到轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，各級(jí)光斑的最小值都不能到達(dá)0，表明各級(jí)衍射斑已不是線偏振光.

圖4 衍射斑點(diǎn)偏振態(tài)分析實(shí)驗(yàn)圖

在液晶光學(xué)器件與檢偏器之間加1／4波片，就可以檢驗(yàn)各級(jí)衍射光斑的偏振態(tài).由于各級(jí)光斑都不會(huì)完全消光，即各級(jí)光斑可能是橢圓偏振光或部分偏振光.對(duì)于0級(jí)光斑，在未加1／4波片時(shí)測(cè)得，加上1／4波片時(shí)測(cè)得，說明其為橢圓偏振光.其他各級(jí)光斑也可同法檢驗(yàn).

4 衍射條件下液晶微結(jié)構(gòu)的觀察

圖6 偏光顯微鏡下液晶盒在不同電壓下的相態(tài)

圖6是在50×10倍率下偏光顯微鏡觀察到的不同電壓所對(duì)應(yīng)液晶的相態(tài).同樣在25kHz的交流電壓下，在驅(qū)動(dòng)電壓為4.5V時(shí)沿液晶盒長邊方向形成較長的主干織狀結(jié)構(gòu)，隨著電壓的增大，主干織狀結(jié)構(gòu)向垂直于長邊方向扭曲，更細(xì)密的結(jié)構(gòu)也沿著垂直于長邊的方向進(jìn)行填隙，電壓7V左右已布滿整個(gè)視場(chǎng)，并保持到11V左右，11V以上織狀條紋消退，很快就全部消失.通過測(cè)量其織狀條紋的寬度在6μm左右，與在同樣條件下的各級(jí)衍射斑所對(duì)應(yīng)的衍射角能很好地滿足光柵方程.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，電壓變化時(shí)，光柵的分級(jí)衍射條紋的出現(xiàn)和消退是與縱向織狀條紋的出現(xiàn)和消退相一致的.這種現(xiàn)象與Williams domains有些相似[3－6].

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)中的液晶光學(xué)器件，外加頻率25kHz的交流電，電壓在5～11V時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象.本文從分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電光效應(yīng)曲線入手，結(jié)合實(shí)驗(yàn)具體的闡釋了電光效應(yīng)曲線中所出現(xiàn)的透過率極小值和透過率上升梯度小的問題，同時(shí)也對(duì)不同電壓下的衍射現(xiàn)象做了全面的觀察，呈現(xiàn)出衍射光斑隨電壓的漸變過程，與偏光顯微鏡下觀察的該液晶盒內(nèi)部液晶相態(tài)隨電壓的漸變過程相一致，兩者的周期能很好的滿足光柵方程.進(jìn)一步地對(duì)衍射光斑的偏振態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱級(jí)光斑偏振態(tài)的相似性和不同級(jí)光斑偏振態(tài)的差異性，這一現(xiàn)象也許預(yù)示著液晶的一些尚不為人所知的特性和用途.

[1] Chandrasekhar S.Liquid crystals[M].Cambridge：Cambridge University Press，1994：1－40.

[2] Lee Ju－h(huán)yun，Ge Zhi－bing，Wu Shin－tson.Electrooptic properties of a homeotropic liquid crystal cell with 90°surface rubbings and a reverse－h(huán)anded chiral dopant[J].Appl.Phys.Lett.，2007，90：201108.

[3] Williams R.Domains in liquid crystals[J].Journal of Chem.Phys.，1963，39：384.

[4] Heilmeier G H，Zanoni L A，Barton L A.Dynamic scattering in nematic liquid crystals[J].Appl.Phys.Lett.，1968，13：46.

[5] Heilmeier G H，Zanoni L A，Barton L A.Dynamic scattering：a new electro－optic effect in certain classes of nematic[J].Proc.IEEE，1968，56：1162－1171.

[6] Heilmeier G H，Zanoni L A，Barton L A.Further studies of the dynamic scattering mode in nematic liquid crystals[J].IEEE Transactions on Electron Devices，1970，17（1）：22－26.