光源单色性对液晶器件电光特性的影响

付雄华,李奕鑫,蔡志岗

(中山大学a.物理科学与工程技术学院;b.光电材料与技术国家重点实验室,广东广州510275)

光源单色性对液晶器件电光特性的影响

付雄华a,李奕鑫b,蔡志岗b

(中山大学a.物理科学与工程技术学院;b.光电材料与技术国家重点实验室,广东广州510275)

利用迷你光谱仪,获得0～11 V电压下液晶盒的透射光谱,从透射光谱分别得到宽带(半波全宽100 nm)和窄带(半波全宽10 nm)入射光下扭曲90°、扭曲120°向列相液晶盒以及平行向列相液晶盒的电光特性曲线.实验结果表明,入射光中心波长在530～730 nm范围内时,光源的单色性对扭曲向列相液晶盒的电光特性基本没有影响,但是会影响平行排列向列相液晶盒的透射率,而且影响随着入射光中心波长的增加逐渐减弱.

液晶;电光特性;透射光谱;单色性;向列相

1 引 言

液晶分子间的作用力是非常微弱的,它的结构易受周围的机械应力、电磁场和温度等变化的影响,因此适度控制周围的环境变化,液晶可以透光亦可反射光[1].目前对液晶器件电光特性的研究[2-4]多数是利用分光光度计测试偏振光通过液晶器件的透射率来实现的,在测试液晶盒电光特性时,一般取定某一波长的入射光,但对于此入射光的单色性,即半波全宽对液晶器件电光特性的影响却很少被考虑,本实验就针对入射光单色性对液晶器件电光特性的影响进行研究.在实验中,给液晶盒加上0～11 V不等的驱动电压,利用迷你光谱仪测得液晶盒在可见光区的透射光谱图,进而得出以530 nm,630 nm及730 nm为中心波长的入射光下液晶盒的电光特性曲线,比较并研究宽带(半波全宽100 nm)和窄带(半波全宽10 nm)入射光下得出的电光特性曲线的异同,探讨了入射光的单色性对不同类型液晶器件电光特性的影响.

2 TN型液晶原理

TN型液晶盒结构如图1所示,它由上下2片导电玻璃制成,盒内充有液晶,四周密封.液晶盒厚度一般为几个微米,上下玻璃片内侧镀有显示电极,使外部电信号通过电极加到液晶上.上下玻璃基板内侧覆盖着很薄的高分子有机物定向层,经锚泊处理,可使棒状液晶分子平行于玻璃表面,沿定向处理方向排列.扭曲90°向列相液晶上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的,这样,盒内液晶分子的取向逐渐扭曲,从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°;而扭曲120°向列相液晶上下玻璃表面的定向方向是相互成120°的,从上玻璃片到下玻璃片扭曲了120°.

图1 TN型液晶盒的结构

对于扭曲90°向列相液晶,无外加电场作用时,垂直入射到玻璃基片上的线偏振光在通过的过程中,其偏振方向将沿着液晶分子的扭曲方向刚好旋转90°.这种向列相液晶盒在2块方向平行的偏振片之间时,光不能通过;而放置于2块方向垂直的偏振片之间时,光能够通过,如图2(a)所示.当对液晶加电压,电压大于某一值(称为阈值电压)时,液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜.随着电压继续增大,除了电极近旁的分子外,其他分子的长轴都将沿着平行于电场的方向重新排列,从而导致液晶分子的旋光性消失.在这种情况下,液晶盒在2块方向平行偏振片之间时,光能够通过;液晶盒在两方向垂直偏振片之间时,光不能通过,如图2(b)所示[5-6].与不施加电场的情况恰恰相反[7].

图2 有无外加电压光通过情况

对于扭曲120°TN型液晶,有类似结论:不加电压时,液晶盒在成30°角的两偏振片之间时,光不能通过;而放置于2块成120°角的偏振片之间时,光能够通过.当加电压使液晶盒旋光性消失,则液晶盒在2块平行偏振片之间时,光能够通过;液晶盒在两垂直偏振片之间时,光不能通过.

由均匀扭曲向列相结构可以推出:对于90° TN层,必须满足不等式(莫根条件):|Δnd/λ|≫0.5.实际上,多数情况下|Δnd/λ|仅略大于0.5.在这种情况下,一般恰好为90°的旋转只能对1个波长λ0实现,而此λ0的特殊值可以由下列方程得出:

式中Γ(λ)定义为

对于其他波长,旋转不再恰好是90°,在液晶中光略呈椭圆偏振态,一部分光将被第二个偏振片吸收[5].

3 平行排列向列相液晶

平行排列向列相液晶分子的长轴与两基片的面平行地沿面排列,在这种情况下,液晶的介电各向异性显著,阈值电压很低,施加电压时液晶分子的色调变化非常清晰,且不容易产生动态散射现象.本文所采用的平行排列向列相液晶盒就是沿面排列方式,是把介电各向异性的正光学性质的向列相液晶夹在2片透明电极基片间而制成的.

向列型液晶具有光学单轴性晶体的光学各向异性,但因其光轴与液晶分子的长轴是一致的,所以未施加电压时,光经过起偏镜后偏振光的方向与液晶分子的长轴平行,因此经过液晶盒后其偏振态不发生变化,又因为两偏振片正交,所以此时没有光透过.当所加电压V小于阈值电压Vth时分子轴不发生偏转,但当施加的电压超过阈值即V>Vth时,液晶分子在电场的作用下向着电场方向偏转α,偏转角α随着V值的增加而增加,直到达到α的饱和值,如图3所示.

图3 平行排列向列相液晶盒的电光特性原理图

4 实验及结果分析

实验所用液晶样品盒厚为10μm,折射率: no=1.56,ne=1.70.

首先利用海洋光学公司的迷你光谱仪取代通常的光探测器,测量样品在连续改变的外加交流电场条件下的透射光谱.光谱法实验装置简图如图4所示.

在室温23℃下,未加电压时,使起偏器和检偏器的偏振方向分别与液晶盒入射面和出射面光方向平行,即将液晶样品设置为“常亮”型,测量光谱范围选定在480～780 nm,所加偏压为占空比50%,频率1 000 Hz的交流方波电压,测得3种液晶样品在相同频率不同电压下的透射光谱,如图5所示.

图4 光谱法实验装置图

图5 不同扭曲角向列相液晶和平行排列向列相液晶在不同电压下的透射光谱

在光谱图线中找到以横坐标530 nm为中心,100 nm范围内对应各个电压下的平均透射强度,利用这些点可以做出平均透射强度随电压变化图线(电压值取得越密集,所得图线越平滑精确),即得到各样品在以530 nm为中心波长的宽带(带宽100 nm)入射光下的电光特性曲线;同理,如果取10 nm宽的范围求透射强度的平均值,就得到窄带(带宽10 nm)入射光下的电光特性曲线,3种不同液晶样品的宽带、窄带入射光电光特性曲线如图6所示(图中纵轴T代表归一化透射率).

同理从光谱图线中得出中心波长为630 nm和730 nm的宽带、窄带入射光下,3种不同液晶样品的电光特性曲线,如图7～8所示(图中纵轴T代表归一化透射率).

综合分析图6～8的曲线,可得到以下结论.

1)对于扭曲90°和扭曲120°的TN型液晶盒,由图6(a)和图6(b)中可以看到,宽带和窄带入射光的电光特性曲线基本重合,说明对于TN型液晶器件(扭曲角为90°和120°),在入射光中心波长为530 nm时,半波全宽为100 nm的宽带入射光和半波全宽为10 nm的窄带入射光的电光特性基本一致,分析原因有以下两点:

a.从图5(a)和图5(b)中看出2种TN型液晶样品的透射光谱比较相似,随波长的变化没有很大的波动,光谱图线比较平缓,因此取不同带宽计算所得的平均透射率会比较接近.

b.入射光中心波长在530～730 nm波段时, |Δnd/λ|≫0.5的条件基本能够得到满足,所以我们看到扭曲90°和扭曲120°的TN型液晶器件透射率在所加电压超过阈值后随电压的升高而单调下降,且宽带、窄带入射光所得图线基本一致.

由图7(a)和图8(b)中进一步可知在入射光中心波长为630 nm和730 nm时,对于扭曲90°和扭曲120°的TN型液晶器件也有与上面相同的结论.

2)而对于平行排列向列相液晶盒,首先观察图5(c)看到平行排列向列相液晶样品的电光曲线拥有2个波峰和波谷,随着电压的增加,透射光谱的变化比较明显,曲线整体向蓝光方向移动,可以看出平行排列向列相液晶样品的透射光谱随电压敏感变化.

图6 中心波长为530 nm的宽带、窄带入射光下,3种不同液晶样品的电光特性曲线

图7 中心波长为630 nm的宽带、窄带入射光下,3种不同液晶样品的电光特性曲线

图8 中心波长为730nm的宽带、窄带入射光下,3种不同液晶样品的电光特性曲线

由图6(c)看到2条电光曲线并不完全重合,虽然震荡的频率基本一致,但幅度并不相同,在3.5 V以前窄带入射光的曲线震荡幅度要大于宽带入射光的幅度,3.5 V以后则情况相反,分析原因有以下两点:

a.样品透射光谱随电压变化敏感,所取入射光半波全宽不同时,所得的透射率平均值存在较大差异.

b.当所取半波全宽不同时,得到的入射光的强度必有差别,在强度不同的入射光下,液晶分子的排列存在差异,导致透射率的不一致.

这说明在入射光中心波长为530 nm时,光源的单色性对液晶样品的相对透射率是有影响的,不能用宽带光代替窄带光来研究平行排列向列相液晶器件的电光特性.但由图7(c)和图8(c)又可以看到,随着入射光中心波长向红光偏移,宽带和窄带入射光所得的电光曲线越趋近于吻合,当入射光中心波长达到730 nm时,2条曲线基本重合,如图8(c)所示.根据从图5(c)平行排列向列相液晶样品透射光谱分析的原因,随着波长的红移,透射率随电压变化的敏感程度逐渐减小,光谱曲线趋于平缓,因此取100 nm和10 nm半波全宽计算的平均透射率也随着入射光波长的红移而趋于相同.

5 结 论

本文利用液晶盒在不同电压下的透射光谱,得到了入射光中心波长在530～730 nm范围内不同液晶样品的电光特性,比较了宽带(半波全宽100 nm)和窄带(半波全宽10 nm)入射光下液晶样品电光特性的异同,研究了光源单色性对液晶器件电光特性的影响.对于扭曲90°和扭曲120° TN型液晶盒,入射光中心波长在530～730 nm范围内时,都可以用半波全宽为100 nm的宽带光代替半波全宽为10 nm的窄带光来研究其电光特性,而不会影响所得结果;而对于平行排列向列相液晶盒,入射光中心波长在530～730 nm范围内时,光源的单色性对液晶样品的相对透射率是有不同程度影响的,所以不能用宽带光来代替窄带光来研究其电光特性,但这种影响程度随着中心波长的增大而逐渐减小.

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Effect of the monochromaticity of incident light on the electro-optic properties of liquid crystal

FU Xiong-huaa,LI Yi-xinb,CAI Zhi-gangb
(a.School of Physics and Engineering;b.State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275,China)

The transmission spectra of liquid crystals are obtained using Ocean Optics for different voltages.For incident light of different bandwidths,the electro-optic characteristic curves of twisted nematic liquid crystal at 90°and 120°and parallel nematic liquid crystal are measured.The results show that when the central wavelength of incident light is between 530～730 nm,the monochromaticity of the incident light has almost no effect on the electro-optic properties of twisted nematic liquid crystal.But for parallel nematic liquid crystal,the monochromaticity of the incident light will affect its transmission rate,and this influence decreases gradually with the increasing of the central wavelength.

liquid crystal;electro-optic properties;transmission spectrum;monochromaticity; nematic

O753.2

A

1005-4642(2010)12-0005-05

[责任编辑:任德香]

2010-04-24;修改日期:2010-09-14

中山大学物理学理科基地条件建设项目(No.J0630320)

付雄华(1986-),男,广西柳城人,中山大学物理科学与工程技术学院硕士研究生,研究方向为液晶特性.

蔡志岗(1962-),男,福建厦门人,中山大学光电材料与技术国家重点实验室教授,博士,研究方向为光学、光电子学.