2024年2月25日发(作者：)

液晶的光学特性

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摘要 液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。液晶是当前国内外研究的前沿热点，尤其是液晶材料的合成与应用。液晶材料具有优异的性能和广阔的应用前景。

关键词：液晶的分类 光学特性 液晶显示器

引言：LCD（Liquid Crystal Display）对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象——在1888年，一位奥地利的植物学家F. Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在，LCD是笔记本电脑和掌上电脑的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。

液晶的特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入的光线以外所有的光线。此外，如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。

一、 液晶的工作原理

液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列。上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶为了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。

如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。也有某些设计为了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。

二、 液晶的分类及其光学特性

液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。液晶也存在于生物结构中，日常适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前，由有机物合成的液晶材料已有几千种之多。由于生成的环境条件不同，液晶可分为两

大类：只存在于某一温度范围内的液晶相称为热致液晶；某些化合物溶解于水或有机溶剂后而呈现的液晶相称为溶致液晶。溶致液晶和生物组织有关，研究液晶和活细胞的关系，是现今生物物理研究的内容之一。

液晶的分子有盘状、碗状等形状，但多为细长棒状。根据分子排列的方式，液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种，其中向列相和胆甾相应用最多。

1. 近晶相液晶

近晶相液晶分子分层排列，根据层内分子排列的不同，又可细分为近晶相A近晶相B等多种。层内分子长轴互相平行，而且垂直于层面。分子质心在层内的位置无一定规律。这种排列称为取向有序，位置无序。近晶相液晶分子间的侧向相互作用强于层间相互作用，所以分子只能在本层内活动，而各层之间可以相互滑动。

近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的强有力的相互作用，互相平等排列成层状结构，分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大量二给固体有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘滞的。

近晶相

2. 胆甾相液晶

胆甾相液晶是一种乳白色粘稠状液体，是最早发现的一种液晶，其分子也是分层排列，逐层叠合。每层中分子长轴彼此平行，而且与层面平行。不同层中分子长轴方向不同，分子的长轴方向逐层依次向右或向左旋转过一个角度。从整体看，分子取向形成螺旋状，其螺距用p表示，约为0.3mm。在这类液晶中，长形分子是扁平的，依靠端基的相互作用，彼此平等排列成层状，但是他们的长轴是在层片平面上的，层内分子与向列型相似，而

相邻两层间，分子长轴的取向，由于伸出层片平面外的光学活性基团的作用，依次规则地扭转一定角度，层层累加而形成螺旋面结构。

胆甾相

3. 向列相液晶

向列相液晶中，分子长轴互相平行，但不分层，而且分子质心位置是无规则的。

电场与磁场对液晶有巨大的影响力，向列型液晶相的介电性行为是各类光电应用的基础（用液晶材料制造以外加电场超作之显示器，在1970年代以后发展很快。因为它们有小容积、微量耗电、低操作电压、易设计多色面版等多项优点。不过因为它们不是发光型显示器，在暗处的清晰度、视角和环境温度限制，都不理想。无论如何，电视和电脑的屏幕以液晶材质制造，十分有利。大型屏幕在以往受制于高电压的需求，变压器的体积与重量不可言喻。其实，彩色投影电式系统，亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、滤片、光电调整器。

向列相

4、胆甾相液晶的光学性质

由于胆甾相液晶特殊的分子结构以及光学的各向异性, 决定了它具有晶体的旋光性、偏振光二色性和它本身特有的选择性光散射等性质。

（1） 使入射光在光前进方向上沿指向矢n(分子长轴)方向偏转

当光线垂直射入两个各向同性均匀介质时(如图2a), 即使折射率不同, 光线仍按原方向前进。而对于各向异性的液晶物质, 就要考虑分子轴和入射光的方向问题。如果偏振光沿光轴方向(分子长轴方向)入射时(如图2b), 光仍按原方向前

进。而光在液晶中传输时, 存在着平行于指向矢n的折射率nPP和垂直于指向矢n的折射率nL, (如图2c), 因此有vPP= cPPPnL和vL= cLPnPP, 其中cPP= c cosH, cL=

csinH(c真空中光速), 且光在介质中传输, 光速总是与折射率成反比, 所以vPP>

vL, 使入射光在传播过程中沿n方向发生偏转。同理, 对于图2cc状态下, vPP和vL分别由cPPPnL和cLPnPP决定。

（2） 能够改变入射光的偏振态(线偏光、圆偏光、椭圆偏光)或改变偏振光的振动方向

如图3所示, 液晶分子的n与X轴平行, 当线偏振光沿Z方向入射时, 其振动方向与

（3）使入射的椭圆偏振光产生相应的反射或透射现象

外界条件除了引起胆甾相液晶折射率各向异性外, 对其螺距也产生非常独特的影响。胆甾相液晶的螺距随外界环境(温度、压力、磁场、电场等)的变化而变化。胆甾相液晶的螺距对其光学性质的影响非常重要, 光透射和选择性光散射的特性主要由其螺距决定。对于螺距p与入射光波长相近的右旋胆甾相液晶, 若左旋光(与扭曲方向成反旋状态的光)入射时, 则产生光透射; 若右旋光入射时,则产生与布喇格反射相同的光散射。如图6所示, 当液晶薄膜受光照时, 入射角为Hi, 散射角为Hs, 则选择反射可见光的波长(一级布喇格反射波长)为

式中