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液晶光学简介Introduction of liquid crystal optics 周凌峰 2013.12.15 目录 Contents 1 2 3 本章内容概况 液晶中常见的光学现象 光学方法在液晶物理研究和测试中的应用 1.本章内容概况 近年来关于液晶的研究不断发展,但液晶最重要和最主要的应用仍然在光学方面。 本章首先介绍了几种在液晶中常见的光学现象。然后对常见的几种液晶参数光学测试方法,尤其是近年发展起来的利用在液晶中所激发的光波导来研究液晶光学效应的实验技术作了相应的介绍,以使读者对液晶中的光学效应有一个较为清晰的概念。 液晶中常见光学现象 光学参数测试方法 2.液晶中常见的光学现象 向列相液晶中的双折射 1 4 相长干涉和选择反射 手征向列相液晶中的圆双折射 2 旋光性(Optical activity) 3 5 喀诺劈(Cano wedge) 6 正交偏振器之间的手征向列相 2.1 向列相液晶中的双折射 液晶(向列相、胆甾相、近晶相) 最简单 各向异性 → 双折射现象 → 光学位相延迟 测量液晶样品的双折射的方法:测量厚度和样品的位相延迟 调整液晶样品厚度d值,可以得到不同位相延迟 2.2 手征向列相液晶中的圆双折射 手征向列相液晶(胆甾相液晶) 其组成分子不具有反对称性(手征性) 结构特点:指向矢在空间围绕螺旋轴自发旋转 对线偏振光不产生双折射现象 对不同旋向圆偏振光(左旋、右旋)以不同速度通过液晶而传播, 从而产生圆双折射现象 圆双折射 旋光性 2.3 旋光性(Optical activity) 由手征向列相液晶的圆双折射现象直接引起 等量的右旋和左旋圆偏振光结合→线偏振光 (y分量相互抵消、 x分量相互叠加) 通过手征向列相液晶传播→位相延迟→仍然是线偏振光(转开θ角度) 旋光度=转过的角度/样品厚度 2.4 相长干涉和选择反射 相长干涉: 入射光束 反射光束 样品 选择反射:具有不同波长的光,入射到手征向列相液晶上,其中大部分光将以某种旋光性而透射出去,除了那些在液晶中波长等于螺距的光。 手征向列相液晶在反射中常呈现明亮的色彩。(由螺距确定) 应用:温度计 2.5 喀诺劈(Cano wedge) 测量手征状相液晶的螺距? 普通方法:波长、液晶折射率 (利用发生选择反射时,波长=螺距) 喀诺劈:不需预先知道液晶折射率 偏光显微镜下 → 不等间距的圆环 → 计算螺距 透镜 平板 2.6 正交偏振器之间的手征向列相 一般,正交偏振器之间的向列相液晶呈现亮态 线偏振光→(偏振器1)线性双折射→椭圆偏振光→(偏振器2)部分透射 手征相液晶: 偏振镜1:确保线偏振光进入样品 由于旋光性→偏振轴发生转动→某些光能通过偏振器2 偏振轴转动越多→样品越明亮 样品中光波长 = 螺距时,转动最厉害 一种特殊情况:手征向列相的螺距比光的波长要大得多时Pλ0 Mauguin定律 沿着螺旋轴传播的波导区域,广泛应用在显示器件中, 在这些TN或STN器件中指向矢被转动90°或270°引导出射光的偏振方 向垂直于其入射时的偏振方向。 3.光学方法在液晶物理研究和测试中的应用 液晶盒中的光导波及其在液晶物理研究中的应用 1 2 液晶双折射率的测定 3 液晶分子预倾角的测试 3.1 液晶盒中的光导波及其在液晶物理研究中的应用 光波导:在具有特定的光学参数构成的多层介质薄膜结构中,光波会把主要能量集中于某一薄膜而传播。 20世纪70年代初期发展起来的光波导理论和技术是研究和应用光电磁波在多层介质薄膜中的定向传播的问题。 液晶显示器件的核心单元是液晶盒,它正好是一个光学多层介质膜系统,即是一个理想的光波导系统。 从20世纪80年代以来,在液晶盒中激励起光波导,研究其传输特性及在液晶物理研究中的应用已成为波导光学和液晶物理两个领域的交叉研究热点。 3.1 液晶盒中的光导波及其在液晶物理研究中的应用 液晶盒中的光波导及其特征 完全波导、半漏波导、全漏波导 光波导的生成是由于光波在多层薄膜之间多次折反射的相长干涉的结果 模式结构特点:模式的偏振转换(Polarization Conver
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