液晶的光学特性分析.docx

液晶的光学特性分析

光的偏振性

光矢量

麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明：在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E，所以规定E为光矢量，我们把E的振动称为光振动，光矢量E的方向就是光振动的方向。自然光：

一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更占优势，这种光就叫自然光。

自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状态会发生变化。例如阳光是自然光，但经天空漫射后是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒，在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结果。

自然光的分解：

在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。

应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差，但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动的光强各为自然光光强的一半。

如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个振动之一的一部分，则称为部分偏振光。

偏振光

线偏振光：如果光矢量在一个固定平面内只沿一个固定的方向振动，这

种光称为线偏振光，也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的振动面是固定不变的。

部分偏振光：

这是介于偏振光和自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。

值得注意的是，这种偏振光的各方向振动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全偏振光。

圆偏振光和椭圆偏振光：

这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转

(左旋或右旋)，如果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光；如果光矢

量端点的轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。

起偏器和检偏器把自然光转化为线偏振光的过程叫做起偏，用于这种转化的光学器件称为起偏器。

起偏器和检偏器

当自然光通过某些晶体时，晶体对两个相互垂直的特定方向的振动吸收的程度不同，如果能把某一方向的振动全部（或几乎全部）吸收，而对另一方向的振动吸收很少（或根本不吸收），那么没有被吸收的振动透过晶体就形成了线偏振光，具有这种性质的晶体称为二色性晶体。

能透过偏振片的振动方向叫做偏振片的透光轴，注意的是，透光轴是一个方位，决不是一条确定的直线。

偏振片不但可以起偏，而且也可以用来判别光束是否为线偏振光，所以偏振片也可以做为检偏器对光束进行检偏。

由于它几乎吸收了一个方向上的光振动，因此光的能量损失也非常大，在

50％以上，这也是液晶显示器件光效率低的主要原因。

马吕斯定律

一束自然光(光强为IO)通过起偏器后，变成线偏振光，然后通过一个检偏器，则透过检偏器后的光强 随检偏器透光轴的夹角而变化，即：

I?IOCOS2?

?是起偏器与检偏器的透光轴之间的夹角

分析：由马吕斯定律可知，当两偏振器透光轴平行时，透射光强最大；当两偏振器的透光轴互相垂直时，透射光强为零，没有光从检偏器出射，此时检偏器处于消光位置，从而实现黑白控制。

如果在外电场的作用下，由于液晶的光学各向异性，使得偏振光在通过液晶盒时透光轴发生变化，则检偏器出射的光便形成具有灰度特征的图像，这就是液晶屏的基本光学显示原理。

为什么液晶屏必须加偏振片呢？

这是因为液晶盒施加电压后会引起液晶分子的重新排列，为了使这种重新排列被检测到，变为可见的、为人眼所感知或实现最大对比度，所以必须使用偏振片，当然加上偏振片后会引起光的能量减少，致使亮度会降低。

晶体的双折射

某些晶体（比如液晶）具有一种特殊的性质，当一束光入射于这些晶体时，会产生两束折射光，这种现象称为双折射。

实验表明：两束折射光之一遵守通常的折射定律，这一折射光称为寻常光，简称o光；但另一束折射光不遵守折射定律，这一折射光称为非常光，简称e光。

为进一步理解寻常光和非常光的概念，我们可以作如下实验：

上图清晰地再现了寻常光和非常光在晶体中的光路，如果保持入射光束的光强和方向不变，我们去旋转晶体，会发生什么现象呢？

实验发现：当旋转晶体时寻常光的折射方向不变，而非常光的折射方向随着旋转的方向而发生改变，这说明了晶体对寻常光和非常光具有不