液晶電光特性
液晶是一種即具有液體的流動性又具有類似於晶體的各向異性的特殊物質（材料），它是在2023年由奧地利植物學家reinitzer首先發現的。在我們的日常生活中，適當濃度的肥皂水溶液就是一種液晶。目前人們發現、合成的液晶材料已近十萬種之多，有使用價值的也有4-5千種。
隨著液晶在平板顯示器等領域的應用和不斷發展，以及市場的巨大需求，人們對它的研究也進入了乙個空前的狀態。本實驗希望通過一些基本的觀察和研究，對液晶材料的光學性質及物理結構有乙個基本了解，並利用現有的物理知識進行初步的分析和解釋。
實驗目的
1．掌握液晶的工作原理，測量其在特定波長下的扭曲角。
2．觀察液晶光開關的時間響應曲線，得到液晶的上公升時間和下降時間。
3．觀察液晶的衍射現象，得到液晶的結構尺寸。
基本原理
大多數液晶材料都是由有機化合物構成的。這些有機化合物分子多為細長的棒狀結構，長度為數nm，粗細約為0.1nm量級，並按一定規律排列。
根據排列的方式不同，液晶一般被分為三大類1）近晶相液晶，結構大致如圖1。
圖1圖2圖3
這種液晶的結構特點是：分子分層排列，每一層內的分子長軸相互平衡。且垂直或傾斜於層面。
2、向列相液晶，結構如圖2。這種液晶的結構特點是：分子的位置比較雜亂，不再分層排列。
但各分子的長軸方向仍大致相同,光學性質上有點像單軸晶體。3、膽甾相液晶，結構大致如圖3。分子也是分屏排列，每一層內的分子長軸方向基本相同。
並平行於分層面,但相鄰的兩個層中分子長軸的方向逐漸轉過乙個角度,總體來看分子長軸方向呈現一種螺旋結構。
以上的液晶特點大多是在自然條件下的狀態特徵，當我們對這些液晶施加外界影響時，他們的狀態將會發生改變，從而表現出不同的物理光學特性。
下面我們以最常用的向列液晶為例，分析了解它在外界人為作用下的一些特性和特點。
我們在使用液晶的時候往往會將液晶材料夾在兩個玻璃基片之間，並對四周進行密封。為了我們的使用目的，將會對基片的內表面進行適當的處理，以便影響液晶分子的排列。這裡介紹相關的三個處理步驟。
1、塗覆取向膜，在基片表面形成一種膜。2、摩擦取向，用棉花或絨布按乙個方向摩擦取向膜。3、塗覆接觸劑。
經過這三個步驟後，就可以控制緊靠基片的液晶分子，使其平行於基片並按摩擦方向排列。如果我們使上下兩個基片的取向成一定角度，則兩個基片間的液晶分子就會形成許多層。如圖4的情況(取向成90度)。
即每一層內的分子取向基本一致，且平行於層面。相鄰層分子的取向逐漸轉動乙個角度。從而形成一種被稱為扭曲向列的排列方式。
這種排列方式和天然膽甾相液晶的主要區別是：扭曲向列的扭曲角是人為可控的，且「螺距」與兩個基片的間距和扭曲角有關。而天然膽甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人為控制。
扭曲向列排列的液晶對入射光會有乙個重要的作用，他會使入射的線偏振光的偏振方向順著分子的扭曲方向旋轉，類似於物質的旋光效應。在一般條件下旋轉的角度(扭曲角)等於兩基片之間的取向夾角。
由於液晶分子的結構特性,其極化率和電導率等都具有各向異性的特點，當大量液晶分子有規律的排列時,其總體的電學和光學特性,如介電常數、折射率也將呈現出各向異性的特點。如果我們對液晶物質施加電場，就可能改變分子排列的規律。從而使液晶材料的光學特性發生改變，2023年有人發現了這種現象。
這就是液晶的電光效應。
為了對液晶施加電場，我們在兩個玻璃基片的內側鍍了一層透明電極。我們將這個由基片電極、取向膜、液晶和密封結構組成的結構叫做液晶合。當我們在液晶合的兩個電極之間加上乙個適當的電壓時我們來看一下液晶分子會發生什麼變化。
根據液晶分子的結構特點。我們假定液晶分子沒有固定的電極。但可被外電場極化形成一種感生電極矩。
這個感生電極矩也會有乙個自己的方向，當這個方向以外電場的方向不同時，外電場就會使液晶分子發生轉動，直到各種互相作用力達到平衡。液晶分子在外電場作用下的變化，也將引起液晶合中液晶分子的總體排列規律發生變化。當外電場足夠強時，兩電極之間的液晶分子將會變成如圖5中的排列形式。
圖4圖5
這時，液晶分子對偏振光的旋光作用將會減弱或消失。通過檢偏器，我們可以清晰地觀察到偏振態的變化。大多數液晶器件都是這樣工作的。
以上的分析只是對液晶合在「開關」兩種極端狀態下的情況作了一些初步的分析。
而對於這兩個狀態之間的中間狀態。我們還沒有乙個清晰的認識，其實在這個中間狀態，有著極其豐富多彩的光學現象。在實驗中我們將會一一觀察和分析。
液晶對變化的外界電場的響應速度是液晶產品的乙個十分重要的引數。一般來說液晶的響應速度是比較低的。我們用上公升沿時間和下降沿時間來衡量液晶對外界驅動訊號的響應速度情況。
定義如下，上公升時間：透過率由10%公升到90%所需時間；下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。
驅動訊號
90% t1 t2
10%響應
圖6 液晶驅動電壓和時間相應圖
實驗儀器
半導體雷射器、液晶盒、起偏器、檢偏器、光功率指示計、光電二極體探頭、示波器
實驗內容與步驟
1. 液晶扭曲角的測量
1） 按照雷射器、起偏器、液晶盒、偏振片、功率計探頭的順序，在導軌擺好光路。連線各種裝置之間的導線。
2） 開啟雷射器，仔細調整各個光學元件的高度和雷射器的方向，盡量使雷射從光學元件的中心穿過，進入功率計探頭。
3） 旋轉起偏器，使通過起偏器的雷射最強。
4） 開啟液晶驅動電源，將功能按鍵置於連續狀態。驅動電壓調整到12v。
5） 旋轉檢偏器和液晶盒，找到系統輸出功率最小的位置，記下此時檢偏器的位置（角度）。
6） 關閉液晶驅動電源，此時系統通光情況將發生變化，再次調整檢偏器位置，找到系統通光功率最小的位置，記下此時檢偏器的位置（角度）。
7） 步驟5與6之間的角度位置差，就是該液晶合在該波長下的扭曲角。
2. 上公升沿時間t1 與下降沿時間t2的測量。
1） 重複實驗一的1、2、3、4步。
2） 旋轉檢偏器和液晶合，找到系統輸出功率較小的位置。
3） 用光探頭換下功率計探頭，連線好12v電源線（紅為+，黑為-，紅對紅，黑對黑）。
4） 將示波器的ch1通道用訊號線與液晶驅動訊號相連，ch1做觸發。ch2通道上的示波器錶筆與光電二極體探頭相連（地線與12v的地相連，掛鉤掛在探頭線路扳的掛環上）。
5） 開啟示波器電源，功能置於雙綜顯示，ch1觸發。
6） 觀察示波器上的ch1通道波形。了解液晶驅動電源的工作條件。
7） 將功能按鍵置於間歇狀態，調整間歇頻率旋鈕，觀察系統輸出光的變化情況，和示波器上波形的情況，體會液晶電源的工作原理。
8） 根據定義，在示波器上測量上公升沿時間和下降沿時間。估計液晶的響應速度。
3. 通過測量衍射角，得到液晶的結構尺寸
1) 取下實驗一中的檢偏器和功率計探頭。
2) 開啟液晶驅動電源，將功能按鍵置於連續，將驅動電壓置於6v左右，等待幾分鐘，用白屏觀察液晶合後光斑的變化情況。應可觀察到類似光柵衍射的現象。
3) 仔細調整驅動電壓和液晶合角度，使衍射效果最佳。
4) 用尺子測量長度得到衍射角，用光柵公式，求出這個液晶「光柵」的光柵常數。
4. 觀察衍射斑的偏振狀態。
1） 重複實驗3的1、2、3步。
2） 緊靠液晶合放置檢偏器。
3） 用白屏觀察檢偏器後衍射斑。
4） 旋轉檢偏器，觀察各衍射斑的變化情況，指出其變化規律。
附錄液晶電光特性實驗儀操作說明
主機箱面板功能：
主機箱「液晶驅動電源」主要功能為液晶合的工作電壓、間歇頻率、驅動頻率的調節，以及液晶合的工作狀態等。各面板元器件作用與功能如下：
液晶實驗主機前面板
1、表頭：3位半數字表頭，用於指示液晶合工作電壓的大小，可通過驅動電壓旋鈕進行調節。
2、間歇/連續按鈕：液晶合的工作狀態，開或關。
3、間歇頻率旋鈕：
4、驅動頻率旋鈕：
5、驅動電壓旋鈕：液晶盒工作電壓旋鈕，調整範圍（2—12v）。
液晶實驗主機後面板
1、電源開關按鈕，主機的電源開關（220vac）。
2、示波器插座：通過導線與示波器1通道相連。
3、液晶合插座：與液晶合相連。
4、「+」插座：通過紅色導線與光電二極體探頭相連。
5、「—」插座：通過黑色導線與光電二極體探頭相連。
6、電源插座：通過220v電源線與接線板相連。
光電二三極體特性測試實驗報告
一 實驗目的 1.學習光電器件的光電特性 伏安特性的測試方法 2.掌握光電器件的工作原理 適用範圍和應用基礎。二 實驗內容 1 光電二極體暗電流測試實驗 2 光電二極體光電流測試實驗 3 光電二極體伏安特性測試實驗 4 光電二極體光電特性測試實驗 5 光電二極體時間特性測試實驗 6 光電二極體光譜特...
液晶電光效應實驗報告
姓名 廖子哲班級 130706 學號 3113001892 一 實驗目的要求 1 學習液晶光電開關的基本原理，測量液晶光電開關的電光特性曲線 2 測量驅動電壓週期變化時，液晶光開關的時間響應曲線，並由時間相應曲線得到液晶的上公升時間和下降時間 3 測量液晶光開關的視角特性 4 了解液晶光開關構成矩陣...
液晶光閥實驗報告
實驗題目 液晶光閥 實驗預習報告見紙質報告。一.實驗資料 1.液晶開關光電特性的測量 資料如下 2.液晶的時間響應測量 資料如下 由示波器得到 y 906mv 分別對不同時間的液晶屏閃爍測量上公升時間和下降時間 3.視角特性的測量 資料如下 水平方向的視角特性 垂直方向視角特性 二.資料處理 1.液...