液晶電光效應探究性試驗

［摘 要］液晶電光效應是液晶材料在電場作用下發生的一種特色光學現象，這種現象在顯示技術、光通訊、無損檢測、電子錄像和核磁共振等領域有著廣泛的應用。文章介紹了液晶電光效應的原理及其特性，在此基礎上通過試驗驗證了液晶的電光特性，以期為液晶材料及其相關行業的發展提供借鑒。

［關鍵詞］液晶；電光效應；電光特性

［中圖分類號］O753.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0173–03

液晶材料是介于固態和液態之間的一種特殊狀態。其結合了液體的流動特性和晶體的有序排列屬性，表現出各向異性。作為含極性基團的分子，液晶分子在外加電場的作用下，能夠響應并隨之重排其結構，這種結構的變動會進一步改變材料的光學效果?？偟膩碚f，液晶的電光效應是指在電場的影響下液晶分子結構的重排，導致其光學性質發生變化的現象。液晶的光學特性不僅因其內部的有序結構而獨特，同時其也能夠對外界的刺激作出靈敏的響應，展現出豐富的光學效應。

1 液晶光開關的原理及特性

1.1 液晶光開關的工作原理

液晶顯示技術的核心就是利用了液晶材料的電光效應。液晶的物質狀態介于固態和液態間，展現出獨有的光學特性。液晶光開關主要由輸入端的偏振光分束器、液晶層及輸出端的偏振光合束器組成。

總的來說，液晶光開關通過控制施加在液晶層上的電壓，實現對光的傳輸和阻斷的控制。

液晶按照形成方式可分為兩大類：熱致液晶和溶致液晶。熱致液晶在一定溫度范圍內呈現光學各向異性特性，而溶致液晶是由溶質在溶劑中溶解生成的。

1.2 液晶光開關的電光特性

液晶光開關的電光特性如圖1 所示。閾值電壓指透射率為 90% 時的驅動電壓，關斷電壓指透射率為10% 時的驅動電壓。

由圖1 可以反映液晶光開關在不同電場作用下的透射率變化。在通常的常白模式的液晶中，傳遞光線的能力會隨著外部電壓增加而逐漸減少，到達一定電壓水平時透射率降至最小，之后則變化不大。隨著電場強度的增加，液晶光開關的透射率逐漸降低，直至達到完全阻斷的狀態。這種電光特性使得液晶光開關在光通信、光信息處理等領域具有廣泛的應用前景。

1.3 液晶光開關的時間響應特性

由于液晶分子的重新排序是一個需要時間的過程，液晶從一種狀態轉變到另一種狀態所需的時間，包括上升時間τr 和下降時間τd。這兩個時間的總和，可以表示液晶光開關的整體響應時間。

上升時間是指光開關的透過率從10% 增至90%所經歷的時間跨度，相應地，下降時間指透過率從90% 減至10% 的時間長度。如果液晶光開關有著快速的響應時間，會顯著提升動態圖像顯示的質量，使得響應速度成為評估液晶光開關性能的一個重要參數。液晶的響應時間越短，顯示動態圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標。

1.4 液晶光開關的視角特性

液晶光開關的視角特性描述了從不同角度觀看時對比度的變化。對比度是光開關打開和關斷時透射光強度的比值，當比例超過5 時視覺體驗優良，而低于2 時則圖像變得難以辨認。視角特性是判斷液晶光開關表現的關鍵因素之一，其影響著用戶在多個觀看角度下的畫面清晰度。

2 試驗裝備及數據

試驗所用儀器為液晶光開關電光特性綜合試驗儀。該儀器主要由發射裝置、接收裝置、開關矩陣及相應的接口等部分組成。

2.1 液晶的電光特性測量試驗

調整模式選擇器至靜態選項，設定液晶旋轉盤的角度為0，在供電電壓為0 時，將透射率調整為100%。隨后，逐步增加供電電壓，從0～6 V，每次增量為0.2 V，記錄對應的透過率值。完成這一系列的電壓和透射率記錄后，將供電電壓重新調回0 V。如果此時透過率不是100%，需要重新進行校準。測量3組不同的數據值（表1），隨后，利用這些數據點作圖形成液晶電光特性曲線（圖2）。由表1 可知，液晶板的透過率均隨外加電壓的升高而逐漸降低，在約1.6 V后均達到各自最低點。圖2顯示，啟動電壓在0.8 V 處，而光開關的關閉電壓定在1.6 V。

2.2 液晶的時間特性試驗

模式轉換開關調整到靜態模式，并將透過率顯示校準至100%。隨后，將液晶的供電電壓設定為2.20 V，使其進入靜態閃爍狀態。利用存儲示波器觀察并記錄此時光開關的時間響應特性曲線。根據這一曲線，測量得到液晶的上升時間為40 ms，下降時間為20 ms。

2.3 液晶的視角特性測量試驗

（1）測定水平方向視角特性。當供電電壓為0 時，根據表2 所示的不同角度調節液晶顯示器與光線的夾角。記錄在這些角度下的光強透過率的峰值TMAX，之后，將供電電壓調至2.20 V，并重新調整角度，這一輪測定的是光強透過率的谷值TMIN。這些測量完成后，以此來計算對比度，繪制出如圖3 所示的水平視角下對比度變化的曲線圖。水平方向視角特性良好的區域范圍為[–55°，55° ]。

（2）測量垂直方向視角特性。關閉電源，摘除液晶屏，并對液晶板進行90°旋轉，正確連接后，采取與之前類似的操作程序及測量方式，可以對液晶屏在垂直方向的視角性能進行測試，并在表2 中記錄所得的數據。同時，垂直方向的視角特性可以通過圖4進行直觀展示。垂直方向視角特性比較好的區域范圍為[–20°，10°]。

通過分析液晶視角特性曲線，可以更好地了解液晶顯示屏在不同視角下的性能表現，從而選擇適合自己需求的顯示產品。同時，對于液晶顯示技術的研發人員來說，這種特性曲線也是評估和優化顯示屏性能的重要工具。

3 結束語

液晶電光效應的研究和應用對于推動現代科技的發展具有重要意義。其不僅促進了液晶顯示技術的進步，還為光學器件的設計和制造提供了新的思路和方法。通過深入研究液晶電光效應的機理，可以進一步優化液晶材料的性能，提高液晶顯示器的分辨率和色彩表現力?？傊?，液晶電光效應是一種重要的物理現象，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 齊雅靜，車修平，孫夢琳，等. 基于液晶電光效應的量子密鑰分發演示實驗[J]. 物理實驗，2020，40（6）：1-8.

[2] 李永田，李玉成，張揚，等. 液晶顯示器工作原理[C].2021.

[3] 李保春. 近代物理實驗（第2 版）[M]. 北京：科學出版社，2019.

[4] 陳菲. 聚合物分散液晶的制備、電光特性及應用研究[D].南京：南京郵電大學，2019.

[5] 付明珠，郭玉強，任亞璇，等. 快速響應的共面轉換型液晶顯示器[J]. 液晶與顯示，2017，32（9）：685-691.