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1、用偏光显微镜研究液用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性晶的相变及光学特性武汉大学物理实验教学中心武汉大学物理实验教学中心武汉大学物理实验教学中心武汉大学物理实验教学中心周殿清周殿清周殿清周殿清 于国萍于国萍于国萍于国萍一、液晶简介一、液晶简介l液晶的发现可追溯到液晶的发现可追溯到19世纪末，世纪末，1888年奥地年奥地利的植物学家利的植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘后不是透明的液
2、体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？混浊态粘稠的液体是什么呢？1.1.液晶的发现液晶的发现l他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。发现这种液体具有双折射性。l于是德国物理学家于是德国物理学家DLeimann将其命名为将其命名为“液晶液晶”，简称为，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为件被称为LCD。2.2.
3、液晶的基本特性液晶的基本特性l液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于“完完全有序的周期性结构全有序的周期性结构”和和“完全无规则结构完全无规则结构”之间之间的介晶态，它具有长程有序和各向异性的特征。的介晶态，它具有长程有序和各向异性的特征。l液晶具有液体的一些特征液晶具有液体的一些特征流动性、不能承受切变流动性、不能承受切变力、可形成液滴等。同时又具有晶体的某些特征力、可形成液滴等。同时又具有晶体的某些特征分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、磁化率、粘滞系数、弹性系数均为各向异性。磁化率、粘滞系数
4、、弹性系数均为各向异性。l液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。本实验采用一定的温度范围内才呈现出液晶状态。本实验采用的是热致液晶。的是热致液晶。3.3.液晶的应用液晶的应用液晶显示技术（高分辨、快速响应、彩显）液晶显示技术（高分辨、快速响应、彩显）3.3.液晶的应用液晶的应用 液晶显示原理图液晶显示原理图3.3.液晶的应用液晶的应用n液晶光学元件：快门、光圈、透镜、偏振片、液晶光学元件：快门、光圈、透镜、偏振片、光存储器光
5、存储器n液晶传感器：温度、电压、流速、加速度、液晶传感器：温度、电压、流速、加速度、压力传感器，大气污染监测压力传感器，大气污染监测n液晶热图象：医学、生物领域应用液晶热图象：医学、生物领域应用n液晶聚合物、新型功能材料（记忆元件、光液晶聚合物、新型功能材料（记忆元件、光学元件）；纺织、变色纤维；微胶囊技术、学元件）；纺织、变色纤维；微胶囊技术、印刷油墨印刷油墨二、热致液晶的结构和分类二、热致液晶的结构和分类 热致液晶按分子排列状态可分为热致液晶按分子排列状态可分为:向列相向列相 近晶相近晶相 胆甾相胆甾相向列相液晶（向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶又称丝状液晶 向列液晶在偏光显微镜向
6、列液晶在偏光显微镜下的图象下的图象 向列型液晶由长径比很大的棒状分子组向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材都比较敏感，是显示器件上广泛
7、使用的材料。料。近晶相液晶（近晶相液晶（Smectic）又称层）又称层状液晶状液晶 隧道显微镜下的近晶相隧道显微镜下的近晶相层状液晶层状液晶近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑用手摸有似肥皂的滑涩感
8、涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。这种液晶光学上显示正的双折射性。胆甾相液晶（胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状），也称螺旋状液晶液晶 胆甾型液晶和近晶型一样具胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量的长度是可见光波
9、长的数量级。级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改
10、变颜色。此胆甾相液晶随温度改变颜色。三、热致液晶相变三、热致液晶相变1.互变相变（可逆相变）互变相变（可逆相变）2.单变相变单变相变四、液晶的光学特性四、液晶的光学特性1.1.液晶的各向异性液晶的各向异性P型液晶型液晶（0）正介电各向异性液晶正介电各向异性液晶N型液晶（型液晶（0，即向列，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：是因为：由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：所以具有以下光学特性：l能使入射光沿液晶分子偶
11、极矩的方向偏能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；转；l使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化；变化；l使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。过或反射。液晶器件基本就是根据这三种光学特性液晶器件基本就是根据这三种光学特性设计制造的。设计制造的。五、本实验的内容与要求本实验的内容与要求1.偏光显微镜的调整与校正；偏光显微镜的调整与校正；2.了解并观察液晶光学性质了解并观察液晶光学性质双折射效应双折射效应3.测定单轴液晶的光轴取向和光性符号；测定单轴液晶的光轴取向和光性符号；4.观察和研究液晶的相变过程。观察和研究液晶的相变过程。5.本实验是一个两周内完成的综合实验，本实验是一个两周内完成的综合实验，具体内容与要求请参阅教材；对液晶的相关具体内容与要求请参阅教材；对液晶的相关性质及应用请查阅相关资料性质及应用请查阅相关资料实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器
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