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第三部分 液晶光学 这部分主要目的是通过对液晶光学性质的介绍,尤其是偏振光在液晶介质中的传播和液晶指向矢变化对其影响,来分析液晶对外来光辐射的响应,从而达到对各种液晶光学现象各种液晶光学器件的工作原理的理解。 一.液晶中常见的光学效应 1.向列相液晶中的双折射 向列相液晶的各向异性使得在其中的平行于指向矢偏振的光以一个折射率传播,垂直于指向矢偏振的光以另外一个折射率传播。所以向列相液晶在光学上是(单轴)双折射的。 n∥相当于单轴晶体的ne,而n⊥相当于单轴晶体的no 因为液晶具有双折射,所以在液晶中沿不同方向偏振的光会以不同的速度传播,因此进入液晶的光的两个垂直分量随着通过液晶传播其相位差会越来越大。 设想有一束光,其偏振方向与指向矢成45°进入厚度为d的液晶样品,光波的真空波长为λ0,液晶的两个折射率为n∥ 和 n⊥ 当液晶被置于正交偏振器之间时,就可以很清晰地看出向列相液晶的双折射现象。 正交偏振器:由两个偏振片构成,且两个偏振片的偏振轴垂直 通常不会有光从正交偏振器出射,因为从第一个偏振器出射的光完全被第二个偏振器所吸收。 在正交偏振器之间插入各向同性物质不会改变这种情况。但是如果在两个正交偏振器之间放入液晶层,液晶的指向矢和正交偏振器偏振轴之间成一个不为0或者90度的角度 通过液晶后沿着指向矢偏振和垂直于指向矢偏振的两束偏振光分量有了相位差,一般说来是呈椭圆偏振光出射,因此会有光透过第二个偏振器 因此,会有光从第二个偏振器中出射,在正交偏振器之间插入向列相液晶一般来说将使视场变亮。 特别的情况:即使将液晶插入两偏振器之间,仍呈暗态,如果入射在向列相液晶上的偏振光具有平行于或垂直于指向矢的偏振方向, 则所有的光在液晶中都沿着这一个方向偏振。不需要考虑与此方向成90度的光,因为只有一个偏振存在,它以同一种速度穿过液晶,沿同样的振动方向出射,就被第二个偏振器消光。 显微镜下的液晶照片是把样品直接放在正交偏振器之间得到的,在样品中的不同处指向矢通常指向不同的方向,在指向矢取向与偏振器的轴成平行或者垂直的区域是暗的,而指向矢与偏振器的轴成一个非0度或90度的区域则是亮的 审视这些在偏振光显微镜下得到的照片,发现有很多地方亮度会发生突然变化,表明指向矢的方向在此处也是突然改变的,这些线被称为向错。表示这些地方的指向矢实际上是不确定的,因为在一个极小的区域内它指向很多不同的地方,这些向错就对应缺陷。 这束光必定跟液晶中的各部分都有相互作用,而各部分的指向矢对于光的偏振方向可以取任意角度 若入射光沿y轴偏振,它也必定跟液晶中的各部分都有相互作用,而后者的指向矢相对于光的偏振轴也取这些不同的所有角度 在xy平面内沿任意方向的线偏振光必定会跟液晶中所有的部分相互作用,其指向矢可以跟偏振轴取所有不同角度。这就意味着,不论他们的偏振轴的取向如何,沿z轴传播的线偏振光都具有相同的速度。因此胆甾型液晶不对沿其螺旋轴传播的光产生线性双折射。 对于圆偏振光来讲有两种可能:要么圆偏振光的偏振方向和液晶的螺旋具有相同的旋转方向。要么具有相反的旋转方向。 如果液晶螺旋轴是右旋的,那么右旋圆偏振光的电矢量振动的旋转方向和液晶指向矢在空间的旋转方式相同,而左旋圆偏振光的电矢量振动的旋转方向和液晶指向矢在空间的旋转方式不同 其结果造成这两种不同旋向的圆偏振光以不同的速度穿过液晶传播,这就叫做圆双折射 对于圆偏振光的各向异性以nR和nL的差值来表示,它们分别对应液晶对右旋和左旋圆偏振光的折射率 3.旋光性 手征向列相液晶的圆双折射引起的现象 具有相等速度的左旋偏振光和右旋偏振光的合成产生线偏振光 解释: 沿x轴偏振的一个线偏振光可以认为是一个左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的合成 进入液晶后,因为nRnL ,所以左旋圆偏振光比右旋圆偏振光慢 通过厚度为d的液晶层后,右旋圆偏振光将先于左旋圆偏振光。右旋圆偏振光比左旋圆偏振光超前一个角度。 如果左旋圆偏振光沿x轴出射,则右旋圆偏振光领先与x轴一个角度2θ。此时出射光的合成电场每时刻都分别落在一个和x轴成θ的轴的两侧,合成的线偏振光的振动方向与x轴成θ角。 这种线偏振光经过手征向列相液晶层之后振动方向发生偏转的现象叫做旋光现象。 物质的这种使得线偏振光振动方向发生旋转的性质叫做旋光性。 旋光性的量值是转过的角度除以样品的厚度 典型的手征性向列相液晶有相当高的旋光度,标准的数值是300°/mm 对于沿着光束朝向光源的观察者,如果光顺时针转动的话,旋光度是正的。 如果偏振的转动方向是反时针的,旋光度是负的。 假设输入光可表示成由两个电磁波ER(z,t)和EL (z,t)组成,且每一个都有它们的x,y分量: 在传播了距离d之后,所产生的x分量是两个余弦函数之 和,而产生的y分量是两个正弦函数的差。用三角函数和 差化积关系,可得
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