液晶衍射現(xiàn)象的實驗研究

蔣 驥，朱宏宇，周 衍，甘 曉，顧 源，周 進，潘永華

（南京大學a.匡亞明學院；b.物理學院，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]，它的電光效應是最為關注的特性.使用北京方式公司生產(chǎn)的液晶電光效應實驗儀器，實驗時發(fā)現(xiàn)一種有趣的現(xiàn)象，當所加交流電壓峰峰值在4.5～11V之間時液晶光學器件的透明度下降，5.0V以上出射光會出現(xiàn)明顯的類似光柵的衍射現(xiàn)象，在屏上形成衍射斑，且各級衍射斑間的偏振態(tài)也按一定規(guī)律分布.對此我們從實驗上進行了探索與研究.

2 不同電壓條件下的衍射光斑

圖1為測量液晶電光效應的實驗裝置示意圖，圖2為此種液晶光學器件的電光效應曲線.從圖2可看出，當驅(qū)動電壓超過閾值（約為4.0V）時，開始產(chǎn)生電光效應.與傳統(tǒng)的液晶光學器件的電光效應曲線[2]不同的是，驅(qū)動電壓在4.0～4.5V時透過率不斷下降，約在5.0V時達到極小值，并且在5.0V以上，上升幅度也小于傳統(tǒng)液晶，這時會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象.

圖1 液晶電光效應實驗裝置示意圖

圖2 液晶光學器件電光效應曲線

當液晶光學器件上加頻率為25kHz的正弦波時，出射光會出現(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發(fā)生變化.電壓為5.3V時，衍射光斑和圓環(huán)狀衍射圖樣都較為模糊，到6.3V時，圓環(huán)狀衍射圖樣比較清晰，且各級衍射光斑都位于圓環(huán)狀衍射圖樣的各級環(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時圓環(huán)狀衍射圖樣已基本模糊，中心處5級衍射光斑卻清晰可辨，9.7V時，衍射光斑變得更為明亮，到11.3V時光柵衍射現(xiàn)象基本消失，出射光恢復為點光斑.

圖3 不同電壓條件下的衍射圖樣

3 光柵衍射斑點偏振態(tài)的分析

實驗中當電壓在8.5V左右時，會出現(xiàn)較為清楚的衍射圖樣，當旋轉(zhuǎn)如圖4所示的檢偏器時，對稱位置上的±1級和±2級光斑的光強總是同步變化的，但是不同級光斑的光強變化各異，在44°時±1級光斑光強同時達到最小值，35°時±2級光斑光強也同時達到最小值，0°時0級光斑的光強最小，圖5是旋轉(zhuǎn)檢偏器至不用方位時采集到的衍射圖樣.同時注意到轉(zhuǎn)動檢偏器，各級光斑的最小值都不能到達0，表明各級衍射斑已不是線偏振光.

圖4 衍射斑點偏振態(tài)分析實驗圖

在液晶光學器件與檢偏器之間加1／4波片，就可以檢驗各級衍射光斑的偏振態(tài).由于各級光斑都不會完全消光，即各級光斑可能是橢圓偏振光或部分偏振光.對于0級光斑，在未加1／4波片時測得，加上1／4波片時測得，說明其為橢圓偏振光.其他各級光斑也可同法檢驗.

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應液晶的相態(tài).同樣在25kHz的交流電壓下，在驅(qū)動電壓為4.5V時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，更細密的結(jié)構(gòu)也沿著垂直于長邊的方向進行填隙，電壓7V左右已布滿整個視場，并保持到11V左右，11V以上織狀條紋消退，很快就全部消失.通過測量其織狀條紋的寬度在6μm左右，與在同樣條件下的各級衍射斑所對應的衍射角能很好地滿足光柵方程.同時可以發(fā)現(xiàn)，電壓變化時，光柵的分級衍射條紋的出現(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

實驗中的液晶光學器件，外加頻率25kHz的交流電，電壓在5～11V時，會產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象.本文從分析實驗測量的電光效應曲線入手，結(jié)合實驗具體的闡釋了電光效應曲線中所出現(xiàn)的透過率極小值和透過率上升梯度小的問題，同時也對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.進一步地對衍射光斑的偏振態(tài)進行了研究，發(fā)現(xiàn)了對稱級光斑偏振態(tài)的相似性和不同級光斑偏振態(tài)的差異性，這一現(xiàn)象也許預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.