郭前龍,陳浩楠，王惠臨，宋洪勝

(山東建筑大學(xué) 理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

液晶是一種介于液體與固態(tài)晶體之間的特殊物質(zhì)相[1],在形狀、折射率、電導(dǎo)率及介電常數(shù)[2-4]上具有各向異性。液晶電光效應(yīng)應(yīng)用廣泛，諸如液晶光快門[5]，液晶透鏡[5]，光調(diào)制器[6,7]等，都對液晶電光效應(yīng)這個原理有著充分的利用，對此，液晶電光效應(yīng)憑借著應(yīng)用價值與發(fā)展前景，一直是人們研究并關(guān)注的一種重要特性。在利用杭州大華儀器制造有限公司生產(chǎn)的DH0506液晶電光效應(yīng)實驗儀進(jìn)行液晶電光效應(yīng)實驗測量時，發(fā)現(xiàn)了類似于光柵衍射的衍射圖樣，隨著電壓的增高(特別是5.9 V以后)，該現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，在屏上形成衍射斑且按一定周期規(guī)律分布。不過隨著電壓的持續(xù)增高，此現(xiàn)象又逐漸變?nèi)踔敝料?。本文重點探究液晶電光效應(yīng)發(fā)生的衍射現(xiàn)象，此外，也將會對實驗過程中出現(xiàn)的其他特別現(xiàn)象的部分物理量進(jìn)行測量。

1 電光效應(yīng)及其理論基礎(chǔ)

所謂液晶的電光效應(yīng)，即外電場施加給液晶分子一個電力矩，導(dǎo)致其分子軸向轉(zhuǎn)向其他方向，因此使得液晶薄膜的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。這是因為液晶具有介電異向性以及光學(xué)異向性，顯現(xiàn)出因復(fù)折射性而造成的旋光性、光干涉、光散射等特異的光學(xué)性質(zhì)[8]，而外電場改變了液晶分子的排列，破壞了液晶的旋光效應(yīng)，所以其光學(xué)性質(zhì)也相應(yīng)而變。

如圖1所示，將TN型液晶盒放在偏振方向平行的兩片偏振片之間，起偏器的偏振方向與臨近的液晶盒表面上液晶分子軸向相同。當(dāng)不加電壓時，經(jīng)過起偏器的線偏振光進(jìn)入液晶盒，由于液晶的旋光效應(yīng)使得線偏振光的偏振角度旋轉(zhuǎn)90°，所以透射光恰好無法透過檢偏器。對于施加電壓后的情況，由于電場施加給液晶分子一個垂直于其分子軸向的力矩，使液晶分子有向光軸方向旋轉(zhuǎn)的趨勢，隨著電壓的增大，液晶分子軸向逐漸平行于光軸的方向，這時，液晶盒的旋光效應(yīng)被破壞，透射光的偏振方向平行于檢偏器的偏振化方向，所以光功率計探測到的光強(qiáng)迅速上升直至達(dá)到最大值。

圖1 液晶電光效應(yīng)實驗裝置圖

2 液晶衍射光柵的產(chǎn)生及分析

2.1 液晶電光效應(yīng)實驗的缺陷

在利用圖1所示的實驗裝置圖進(jìn)行液晶電光效應(yīng)實驗測量時，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象與理論上所描述的隨電壓的增大光強(qiáng)迅速由最小值增大至飽和值的情況并不完全一致，實驗結(jié)果如圖2所示。可以看出，相對于液晶的電光效應(yīng)理論曲線[9]，實驗中所測得的曲線在驅(qū)動電壓達(dá)到5.9 V的時候，光強(qiáng)出現(xiàn)較小的下降趨勢，從0.152 mW逐漸下降到0.108 mW，此時驅(qū)動電壓為6.5 V。之后光強(qiáng)開始上升，當(dāng)驅(qū)動電壓大于9.62 V時光強(qiáng)增速趨于平緩而達(dá)到飽和?？梢?，該方法測量液晶電光效應(yīng)存在一定的缺陷。首先，光強(qiáng)曲線的下降與理論上的線性增加相背離；其次，當(dāng)曲線開始下降時說明液晶分子已經(jīng)在驅(qū)動電壓作用下重新排列，對應(yīng)理論曲線應(yīng)該是光強(qiáng)開始上升，曲線走向應(yīng)該更接近圖2中的紅色直線，這就導(dǎo)致測量的結(jié)果出現(xiàn)明顯的問題，如液晶閾值電壓和飽和電壓都將變小，而曲線陡度將增大等。為了探究5.9V驅(qū)動電壓時光強(qiáng)下降的原因，進(jìn)一步觀察透射過液晶的光斑后發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電壓從5.9 V增加到6.5 V的過程中，出射光產(chǎn)生越來越明顯的電控衍射現(xiàn)象，之后隨著驅(qū)動電壓的增大，電控衍射現(xiàn)象逐漸減弱直至消失。根據(jù)能量守恒，高級次衍射光的產(chǎn)生必然導(dǎo)致光軸上光強(qiáng)的降低，而且衍射光越強(qiáng)光軸上的光強(qiáng)就越弱。

U/V

2.2 TN型液晶扭曲角的測定

為了測量液晶的扭曲角度，利用圖1所示的實驗裝置，首先保持起偏器和檢偏器的偏振化方向與半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的線偏振單色光的偏振方向平行，并且在光功率計旁放置一個光屏用以觀察衍射現(xiàn)象是否發(fā)生。不同驅(qū)動電壓下，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器調(diào)節(jié)光功率計讀數(shù)，顯然讀數(shù)最大時檢偏器轉(zhuǎn)過的角度就是液晶扭曲角。實驗結(jié)果如圖3所示。由圖可見，當(dāng)驅(qū)動電壓較小時(U<6.02 V)，扭曲角保持穩(wěn)定，經(jīng)過五次測量取平均，得出液晶實際扭曲角約為60.1°，當(dāng)衍射現(xiàn)象開始出現(xiàn)時(U=6.02 V)，扭曲角度以斷崖式驟降到39°左右，并且在整個衍射現(xiàn)象比較明顯的驅(qū)動電壓范圍里，該扭曲角度基本保持不變，見圖中虛線圓圈區(qū)域。之后隨著驅(qū)動電壓的繼續(xù)增大，衍射現(xiàn)象消失，且扭曲角度也快速降為0。

驅(qū)動電壓/V

2.3 液晶分子的電致重新排列及液晶光柵的形成

根據(jù)液晶分子電致重新排列的特性及電場邊緣效應(yīng)的影響，分析液晶內(nèi)部分子排列的微觀結(jié)構(gòu)，如圖4所示。液晶盒最外層是上下兩片玻璃，然后就是透明電極，即下面的連續(xù)電極和上面的分立電極，液晶材料就夾在電極之間。不加驅(qū)動電壓時，液晶分子軸向都平行于玻璃面，且由上到下螺旋狀分布，進(jìn)而產(chǎn)生旋光效應(yīng)。當(dāng)給液晶盒加上較小驅(qū)動電壓時，上下電極正對的空間1(圖中左邊第一個紅色虛線框)中形成勻強(qiáng)電場E1，而由于邊緣效應(yīng)，在分立電極之間的空間2(圖中左邊第二個紅色虛線框)也會形成電場E2，明顯E1>E2，所以這兩個空間液晶分子的受力情況完全不同。電場E1施加給液晶分子較大的扭力矩作用，使之軸向趨于電場方向旋轉(zhuǎn)，且隨著驅(qū)動電壓的增大而逐漸平行于電場方向，導(dǎo)致該區(qū)域的旋光效應(yīng)幾乎消失；但是由于電場E2較弱，空間2中的液晶分子旋轉(zhuǎn)情況就非常微小，所以仍然保持著一定的旋光效應(yīng)，由此可見，圖3中在存在衍射現(xiàn)象時測量的液晶扭曲角度應(yīng)該是液晶中空間2處的扭曲角度。

圖4 液晶分子電致重新排列的微觀結(jié)構(gòu)

穿過空間1和空間2的光波偏振方向不再一致，由于空間1和空間2的周期排列，可以把這種結(jié)構(gòu)等效成兩個衍射光偏振態(tài)不同的光柵的錯位重疊。顯然，兩個光柵的光柵常數(shù)相同，當(dāng)入射光波長相等時，會產(chǎn)生完全一樣的衍射圖樣。即在任一極亮斑中同時存在兩個不同偏振光的成分，這就構(gòu)成了液晶衍射光柵。當(dāng)驅(qū)動電壓足夠大時，使電場E2足以把空間2中的液晶分子旋轉(zhuǎn)至平行于電場方向，則通過空間1和空間2的光波的偏振態(tài)完全一樣，兩個空間也不再有區(qū)分的意義，衍射圖樣隨之消失。

2.4 不同電壓條件下的衍射圖樣

通過該裝置在不同驅(qū)動電壓下形成的衍射圖樣如圖5所示。

(a)2.59 V

通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動電壓較小(小于5.9 V)時，屏幕上僅出現(xiàn)近似于圓形的光斑圖樣，而并未出現(xiàn)衍射光斑，如圖5(a)所示。根據(jù)前面的討論可知，這是由于電壓太小，液晶中空間1和空間2里分子都沒有發(fā)生有效旋轉(zhuǎn)，旋光效應(yīng)仍然存在，所以光線改變偏振方向后直線傳播。隨著驅(qū)動電壓逐漸增大，當(dāng)其大于5.9 V時，逐漸開始產(chǎn)生衍射光斑，圖5(b)給出驅(qū)動電壓為6.26 V時的衍射現(xiàn)象，可見各級衍射斑之間是連接在一起的，說明此時衍射現(xiàn)象并不明顯。這是由于電壓還不夠強(qiáng)，導(dǎo)致圖4中空間1處液晶分子旋轉(zhuǎn)程度較小，還存在比較弱的旋光效應(yīng)，使穿過空間1和空間2的光波偏振方向相差不大，所以在相鄰干涉極大之間的位置上出現(xiàn)了部分相干疊加形成的較弱的亮斑，把極大亮斑給連接起來。由圖5(c)可見，當(dāng)電壓上升到7.29 V時，衍射圖樣變的最為清晰，這是由于液晶中空間1處分子軸向已基本與電場方向平行，使穿過空間1和空間2的光波的偏振方向間的夾角最大，互不相干，由空間1和空間2處投射的不同偏振態(tài)的光波在相同位置形成光強(qiáng)極大和極小，對應(yīng)著理想的液晶光柵衍射圖樣。由圖5(d)和(e)可見，當(dāng)驅(qū)動電壓再增大，如9.3 V時，衍射現(xiàn)象開始逐漸減弱，直至電壓為10.42 V時的衍射現(xiàn)象基本消失，此時液晶內(nèi)部分子軸向基本全都與電場方向平行，所以液晶衍射光柵的微結(jié)構(gòu)被破壞殆盡，光波又變成直線傳播。

進(jìn)一步探究驅(qū)動電壓為7.29 V時各級亮斑中不同偏振光的成分，如圖6所示。其中(a)圖是衍射光不經(jīng)過檢偏器直接照射在光屏上的圖樣，可見0級光最強(qiáng)，并向兩側(cè)越來越弱，符合光柵衍射圖樣的強(qiáng)度分布規(guī)律。(b)圖和(c)圖分別是起偏器與檢偏器偏振化方向夾角為12°(與由空間1透射出的偏振光偏振方向相近)和51°時衍射圖樣(與由空間2透射出的偏振光偏振方向相近)，可見兩圖中0級衍射斑的明暗變化程度較小，其它級次斑明暗變化非常明顯，具體為(b)圖中2級和4級等偶數(shù)級次斑較亮，而1級和3級等奇數(shù)級次斑較暗；反之，(c)圖中2級和4級等偶數(shù)級次斑較暗，而1級和3級等奇數(shù)級次斑較亮。由于每級衍射斑可以看成兩個錯位重疊光柵衍射光的強(qiáng)度疊加，所以，0級衍射斑中兩種偏振光成分的占比相近，而1級、3級等奇數(shù)次亮斑中穿過空間2的光柵衍射成分更大，而2級、4級等偶數(shù)次亮斑中穿過空間1的光柵衍射成分更大。其中的機(jī)理還有待于進(jìn)一步的研究。

(a)未經(jīng)過檢偏器的衍射圖樣

3 結(jié) 語

文章以TN型液晶的電光效應(yīng)作為切入點，通過電壓在5.9～9.62 V時，發(fā)生得液晶光柵的衍射現(xiàn)象，具體分析了理論上液晶電光效應(yīng)曲線的不合理之處，并給予修正。除此之外，本文還測定了TN型液晶的扭曲角隨驅(qū)動電壓變化的關(guān)系圖并且利用液晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和衍射圖樣著重說明了液晶光柵的結(jié)構(gòu)原理和衍射現(xiàn)象的特點。最后，通過對衍射圖樣的進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)了TN型液晶發(fā)生衍射時，衍射光斑光強(qiáng)強(qiáng)弱變化不同步的現(xiàn)象，并結(jié)合數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了初步的討論。