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會發(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來描述液晶雙折射性質(zhì).Δn的大小對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].液晶雙折射率的測試方法可分為折射法和干涉法兩類,包括阿貝折射計法、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法,該方法在實驗時首先要在主棱鏡上對液晶做取向處理,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試液晶雙折射率的實驗方法.

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,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)動電壓,但光束準直比較困難,液晶雙折射現(xiàn)象不夠清晰;液晶盒太厚,則需要過高的驅(qū)動電壓,要灌注比較多的液晶材料.

3 實驗原理與方法

用液晶三棱鏡盒測試液晶雙折射率實驗,在沒有加電壓時,液晶盒因液晶分子指向矢宏觀無序排列,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展光束,另一側(cè)經(jīng)偏光片檢偏觀測出射折射光,光斑增大.當在液晶棱鏡內(nèi)側(cè)ITO上施加1 000 V驅(qū)動電壓時,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.這時光束進入液晶盒內(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光分開出射,按三棱鏡最小偏向角原理測試折射率方法[5-6]進行測試,可以得到no和ne.實驗裝置如圖2所示.

圖2 實驗裝置示意圖

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

4 實驗結(jié)果

用固體激光器(綠光波長532 nm)光源對所制作的液晶三棱鏡盒進行了多次重復(fù)測量,用直流高壓電源對液晶棱鏡施加電場,實驗結(jié)果列于表1,實驗效果如圖3所示.實驗中,轉(zhuǎn)動偏光片會觀察到o光和e光的強度隨之變化.材料的折射率與測試波長有關(guān),實驗中光源如果改用氦氖激光器(紅光波長632.8 nm),則可得到不同的折射率實驗數(shù)據(jù).對比廠家提供的產(chǎn)品折射率參數(shù),結(jié)果表明本實驗誤差比較大,不適合當作準確的測試方法.測試中誤差產(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 液晶雙折射率的測量結(jié)果(T=20℃,λ=532 nm)

圖3 實驗效果照片

5 結(jié)束語

使用液晶棱鏡測試雙折射實驗,原理明確易懂,操作簡單方便,現(xiàn)象直觀清楚.液晶三棱鏡盒測試液晶雙折射實驗適合作為普物實驗,豐富棱鏡和分光計等實驗內(nèi)容,對液晶材料生產(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用價值.利用這種液晶盒也可以進一步開發(fā)出測試液晶電阻率、液晶電容率、液晶電光特性等方面的多項實驗.

[1] 阮亮,丁慎訓(xùn),楊秀珍.膽甾相液晶可見光布拉格反射實驗[J].大學(xué)物理,1998,17(8):26-29.

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

[3] 蔣學(xué)華.測量透明液體折射率的一種實驗方法[J].大學(xué)物理,2000,19(5):33-34.

[4] 范志新.液晶器件工藝基礎(chǔ)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2000:13,153-156.

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