液晶光栅的电光效应与衍射现象的研究

郭前龙,陈浩楠，王惠临，宋洪胜

(山东建筑大学 理学院，山东 济南 250101)

液晶是一种介于液体与固态晶体之间的特殊物质相[1],在形状、折射率、电导率及介电常数[2-4]上具有各向异性。液晶电光效应应用广泛，诸如液晶光快门[5]，液晶透镜[5]，光调制器[6,7]等，都对液晶电光效应这个原理有着充分的利用，对此，液晶电光效应凭借着应用价值与发展前景，一直是人们研究并关注的一种重要特性。在利用杭州大华仪器制造有限公司生产的DH0506液晶电光效应实验仪进行液晶电光效应实验测量时，发现了类似于光栅衍射的衍射图样，随着电压的增高(特别是5.9 V以后)，该现象逐渐增强，在屏上形成衍射斑且按一定周期规律分布。不过随着电压的持续增高，此现象又逐渐变弱直至消失。本文重点探究液晶电光效应发生的衍射现象，此外，也将会对实验过程中出现的其他特别现象的部分物理量进行测量。

1 电光效应及其理论基础

所谓液晶的电光效应，即外电场施加给液晶分子一个电力矩，导致其分子轴向转向其他方向，因此使得液晶薄膜的光学性质发生变化。这是因为液晶具有介电异向性以及光学异向性，显现出因复折射性而造成的旋光性、光干涉、光散射等特异的光学性质[8]，而外电场改变了液晶分子的排列，破坏了液晶的旋光效应，所以其光学性质也相应而变。

如图1所示，将TN型液晶盒放在偏振方向平行的两片偏振片之间，起偏器的偏振方向与临近的液晶盒表面上液晶分子轴向相同。当不加电压时，经过起偏器的线偏振光进入液晶盒，由于液晶的旋光效应使得线偏振光的偏振角度旋转90°，所以透射光恰好无法透过检偏器。对于施加电压后的情况，由于电场施加给液晶分子一个垂直于其分子轴向的力矩，使液晶分子有向光轴方向旋转的趋势，随着电压的增大，液晶分子轴向逐渐平行于光轴的方向，这时，液晶盒的旋光效应被破坏，透射光的偏振方向平行于检偏器的偏振化方向，所以光功率计探测到的光强迅速上升直至达到最大值。

图1 液晶电光效应实验装置图

2 液晶衍射光栅的产生及分析

2.1 液晶电光效应实验的缺陷

在利用图1所示的实验装置图进行液晶电光效应实验测量时，发现实验现象与理论上所描述的随电压的增大光强迅速由最小值增大至饱和值的情况并不完全一致，实验结果如图2所示。可以看出，相对于液晶的电光效应理论曲线[9]，实验中所测得的曲线在驱动电压达到5.9 V的时候，光强出现较小的下降趋势，从0.152 mW逐渐下降到0.108 mW，此时驱动电压为6.5 V。之后光强开始上升，当驱动电压大于9.62 V时光强增速趋于平缓而达到饱和。可见，该方法测量液晶电光效应存在一定的缺陷。首先，光强曲线的下降与理论上的线性增加相背离；其次，当曲线开始下降时说明液晶分子已经在驱动电压作用下重新排列，对应理论曲线应该是光强开始上升，曲线走向应该更接近图2中的红色直线，这就导致测量的结果出现明显的问题，如液晶阈值电压和饱和电压都将变小，而曲线陡度将增大等。为了探究5.9V驱动电压时光强下降的原因，进一步观察透射过液晶的光斑后发现，驱动电压从5.9 V增加到6.5 V的过程中，出射光产生越来越明显的电控衍射现象，之后随着驱动电压的增大，电控衍射现象逐渐减弱直至消失。根据能量守恒，高级次衍射光的产生必然导致光轴上光强的降低，而且衍射光越强光轴上的光强就越弱。

U/V

2.2 TN型液晶扭曲角的测定

为了测量液晶的扭曲角度，利用图1所示的实验装置，首先保持起偏器和检偏器的偏振化方向与半导体激光器产生的线偏振单色光的偏振方向平行，并且在光功率计旁放置一个光屏用以观察衍射现象是否发生。不同驱动电压下，通过旋转检偏器调节光功率计读数，显然读数最大时检偏器转过的角度就是液晶扭曲角。实验结果如图3所示。由图可见，当驱动电压较小时(U<6.02 V)，扭曲角保持稳定，经过五次测量取平均，得出液晶实际扭曲角约为60.1°，当衍射现象开始出现时(U=6.02 V)，扭曲角度以断崖式骤降到39°左右，并且在整个衍射现象比较明显的驱动电压范围里，该扭曲角度基本保持不变，见图中虚线圆圈区域。之后随着驱动电压的继续增大，衍射现象消失，且扭曲角度也快速降为0。

驱动电压/V

2.3 液晶分子的电致重新排列及液晶光栅的形成

根据液晶分子电致重新排列的特性及电场边缘效应的影响，分析液晶内部分子排列的微观结构，如图4所示。液晶盒最外层是上下两片玻璃，然后就是透明电极，即下面的连续电极和上面的分立电极，液晶材料就夹在电极之间。不加驱动电压时，液晶分子轴向都平行于玻璃面，且由上到下螺旋状分布，进而产生旋光效应。当给液晶盒加上较小驱动电压时，上下电极正对的空间1(图中左边第一个红色虚线框)中形成匀强电场E1，而由于边缘效应，在分立电极之间的空间2(图中左边第二个红色虚线框)也会形成电场E2，明显E1>E2，所以这两个空间液晶分子的受力情况完全不同。电场E1施加给液晶分子较大的扭力矩作用，使之轴向趋于电场方向旋转，且随着驱动电压的增大而逐渐平行于电场方向，导致该区域的旋光效应几乎消失；但是由于电场E2较弱，空间2中的液晶分子旋转情况就非常微小，所以仍然保持着一定的旋光效应，由此可见，图3中在存在衍射现象时测量的液晶扭曲角度应该是液晶中空间2处的扭曲角度。

图4 液晶分子电致重新排列的微观结构

穿过空间1和空间2的光波偏振方向不再一致，由于空间1和空间2的周期排列，可以把这种结构等效成两个衍射光偏振态不同的光栅的错位重叠。显然，两个光栅的光栅常数相同，当入射光波长相等时，会产生完全一样的衍射图样。即在任一极亮斑中同时存在两个不同偏振光的成分，这就构成了液晶衍射光栅。当驱动电压足够大时，使电场E2足以把空间2中的液晶分子旋转至平行于电场方向，则通过空间1和空间2的光波的偏振态完全一样，两个空间也不再有区分的意义，衍射图样随之消失。

2.4 不同电压条件下的衍射图样

通过该装置在不同驱动电压下形成的衍射图样如图5所示。

(a)2.59 V

通过实验发现，当驱动电压较小(小于5.9 V)时，屏幕上仅出现近似于圆形的光斑图样，而并未出现衍射光斑，如图5(a)所示。根据前面的讨论可知，这是由于电压太小，液晶中空间1和空间2里分子都没有发生有效旋转，旋光效应仍然存在，所以光线改变偏振方向后直线传播。随着驱动电压逐渐增大，当其大于5.9 V时，逐渐开始产生衍射光斑，图5(b)给出驱动电压为6.26 V时的衍射现象，可见各级衍射斑之间是连接在一起的，说明此时衍射现象并不明显。这是由于电压还不够强，导致图4中空间1处液晶分子旋转程度较小，还存在比较弱的旋光效应，使穿过空间1和空间2的光波偏振方向相差不大，所以在相邻干涉极大之间的位置上出现了部分相干叠加形成的较弱的亮斑，把极大亮斑给连接起来。由图5(c)可见，当电压上升到7.29 V时，衍射图样变的最为清晰，这是由于液晶中空间1处分子轴向已基本与电场方向平行，使穿过空间1和空间2的光波的偏振方向间的夹角最大，互不相干，由空间1和空间2处投射的不同偏振态的光波在相同位置形成光强极大和极小，对应着理想的液晶光栅衍射图样。由图5(d)和(e)可见，当驱动电压再增大，如9.3 V时，衍射现象开始逐渐减弱，直至电压为10.42 V时的衍射现象基本消失，此时液晶内部分子轴向基本全都与电场方向平行，所以液晶衍射光栅的微结构被破坏殆尽，光波又变成直线传播。

进一步探究驱动电压为7.29 V时各级亮斑中不同偏振光的成分，如图6所示。其中(a)图是衍射光不经过检偏器直接照射在光屏上的图样，可见0级光最强，并向两侧越来越弱，符合光栅衍射图样的强度分布规律。(b)图和(c)图分别是起偏器与检偏器偏振化方向夹角为12°(与由空间1透射出的偏振光偏振方向相近)和51°时衍射图样(与由空间2透射出的偏振光偏振方向相近)，可见两图中0级衍射斑的明暗变化程度较小，其它级次斑明暗变化非常明显，具体为(b)图中2级和4级等偶数级次斑较亮，而1级和3级等奇数级次斑较暗；反之，(c)图中2级和4级等偶数级次斑较暗，而1级和3级等奇数级次斑较亮。由于每级衍射斑可以看成两个错位重叠光栅衍射光的强度叠加，所以，0级衍射斑中两种偏振光成分的占比相近，而1级、3级等奇数次亮斑中穿过空间2的光栅衍射成分更大，而2级、4级等偶数次亮斑中穿过空间1的光栅衍射成分更大。其中的机理还有待于进一步的研究。

(a)未经过检偏器的衍射图样

3 结 语

文章以TN型液晶的电光效应作为切入点，通过电压在5.9～9.62 V时，发生得液晶光栅的衍射现象，具体分析了理论上液晶电光效应曲线的不合理之处，并给予修正。除此之外，本文还测定了TN型液晶的扭曲角随驱动电压变化的关系图并且利用液晶内部结构图和衍射图样着重说明了液晶光栅的结构原理和衍射现象的特点。最后，通过对衍射图样的进一步探究发现了TN型液晶发生衍射时，衍射光斑光强强弱变化不同步的现象，并结合数据对其进行了初步的讨论。