液晶棱镜双折射实验

胡伟频,范志新

(河北工业大学应用物理系,天津300130)

1 引 言

液晶是一种各向异性的物质,光学上类似单轴晶体,所以光在液晶中传播时会发生双折射.用非常光(e光)折射率ne和寻常光(o光)折射率no之差Δn=ne-no来描述液晶双折射性质.Δn的大小对液晶显示器件的性能影响很大,是液晶材料的重要物理参数[1-3].液晶双折射率的测试方法可分为折射法和干涉法两类,包括阿贝折射计法、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.目前在生产与科研工作中普遍采用定型仪器阿贝折射计法,该方法在实验时首先要在主棱镜上对液晶做取向处理,需要特殊的专业技术[4].本文介绍一种利用液晶棱镜测试液晶双折射率的实验方法.

2 液晶棱镜的制作

用面电阻约为70Ω/□、厚度的1.1 mm的氧化铟锡(ITO)透明导电玻璃,ITO面相对,切成梯形的液晶棱镜盒的上下面;用厚度1.1 mm的医用试片玻璃切出宽度仅为3 mm左右的细条,切裂面稍作研磨与抛光,作为液晶棱镜盒的边框;用紫外固化胶粘结成留有灌注液晶针眼的空液晶三棱镜盒(顶角A=60°).用细针头注射器把向列相液晶注射到液晶棱镜盒中(液晶由河北鹿泉新型电子材料厂提供,折射率钠黄光测试值:no=1.501 6,ne=1.651 2),再用紫外固化粘合剂把灌注口封住.液晶三棱镜的结构如图1所示.

图1 液晶棱镜结构示意图

一般的向列相液晶显示器(TN-LCD)盒间隙约5μm,工作电压约2 V.因此设计制作此液晶盒间隙3 mm,使液晶垂直液晶盒表面取向的工作电压约为1 000 V.液晶盒薄一些,可以降低液晶分子取向驱动电压,但光束准直比较困难,液晶双折射现象不够清晰;液晶盒太厚,则需要过高的驱动电压,要灌注比较多的液晶材料.

3 实验原理与方法

用液晶三棱镜盒测试液晶双折射率实验,在没有加电压时,液晶盒因液晶分子指向矢宏观无序排列,呈现出乳白色,并且能看到向列相液晶特有的织构.用激光束经偏光片起偏从侧面入射,在液晶盒内,光束被液晶分子散射成扩展光束,另一侧经偏光片检偏观测出射折射光,光斑增大.当在液晶棱镜内侧ITO上施加1 000 V驱动电压时,液晶分子垂直液晶盒表面规则排列,即单轴晶体的光轴垂直液晶盒表面,液晶变得清亮起来.这时光束进入液晶盒内将按照双折射规律分成o光和e光,从液晶盒正面就能看到这2束光线的径迹.o光和e光分开出射,按三棱镜最小偏向角原理测试折射率方法[5-6]进行测试,可以得到no和ne.实验装置如图2所示.

图2 实验装置示意图

可用分光计分别测出o光和e光的最小偏向角δo-min和δe-min,用计算出no和ne.本实验也可以不用分光计,直接用比较透明的薄纸铺在液晶盒上描画出两束光线的轨迹,再用量角器分别测出光束入射角和o光及e光的折射角,按折射定律计算出no和ne.

4 实验结果

用固体激光器(绿光波长532 nm)光源对所制作的液晶三棱镜盒进行了多次重复测量,用直流高压电源对液晶棱镜施加电场,实验结果列于表1,实验效果如图3所示.实验中,转动偏光片会观察到o光和e光的强度随之变化.材料的折射率与测试波长有关,实验中光源如果改用氦氖激光器(红光波长632.8 nm),则可得到不同的折射率实验数据.对比厂家提供的产品折射率参数,结果表明本实验误差比较大,不适合当作准确的测试方法.测试中误差产生的主要原因是不容易确定从液晶棱镜出射的2束光线的角度等.

表1 液晶双折射率的测量结果(T=20℃,λ=532 nm)

图3 实验效果照片

5 结束语

使用液晶棱镜测试双折射实验,原理明确易懂,操作简单方便,现象直观清楚.液晶三棱镜盒测试液晶双折射实验适合作为普物实验,丰富棱镜和分光计等实验内容,对液晶材料生产厂与液晶显示器件生产厂的工程技术人员也具有一定的实用价值.利用这种液晶盒也可以进一步开发出测试液晶电阻率、液晶电容率、液晶电光特性等方面的多项实验.

[1] 阮亮,丁慎训,杨秀珍.胆甾相液晶可见光布拉格反射实验[J].大学物理,1998,17(8):26-29.

[2] 陈波,程翔,谢千里,等.介绍一个现代化的普物实验——液晶光阀[J].大学物理,1999,18(12):31-33.

[3] 蒋学华.测量透明液体折射率的一种实验方法[J].大学物理,2000,19(5):33-34.

[4] 范志新.液晶器件工艺基础[M].北京:北京邮电大学出版社,2000:13,153-156.

[6] 蔡学军.自制的单轴晶体波面演示教具[J].大学物理,2002,21(11):30-32.