TN型液晶双折射率的简易测量方法

摘 要：为了实现一种简易的测量tn型液晶双折射率的方法，根据等厚干涉原理设计了一种楔形液晶盒。通过调节入射光的偏振方向而无需调整液晶分子取向实现寻常光（o光）和非寻常光（e光），成功测量了液晶长轴方向和短轴方向的折射率。结果表明，本方法简单方便，能达到测量的基本要求。

关键词： 液晶；双折射；测量；简易

中图分类号：O753.2文献标识码：A

Simple Approach for Measurement of Birefringence of

TN Liquid Crystal

CHEN Gang, SUN Shi-xiang, LIU Hao, CHEN Hong

(Microelectronics Department, Nanjing College of Information Technology, Nanjing Jiangsu, 210046, China)

Abstract: In order to find a simple approach for Measurement of Birefringence of TN Liquid Crystal, Wedge-Shaped liquid crystal cell was designed according to the principle of fringes of equal thickness. The ordianry (o light) and the extraordinary light (e light) were achieved by switching the polarziation of incident light without the alterarion of the direction of the liquid crystal molecules, and referactive indexes in both long axis and short axis of liquid crystal were measured successfully. The result inicated that the approach was simple, convenient and qualified for the measurement.

Keywords: liquid crystal; birefringence; measurement; simple

引 言

光学各向异性，即液晶双折射率（Δn）是液晶的重要性质，也是影响液晶电光器件性能的重要参数之一。如用布拉格反射的胆甾显示，大Δn使反射谱带宽度增加并提高显示亮度；对聚合物散射显示，大Δn会增强光散射效率和对比度；对红外立体光调制器，用大Δn液晶会使液晶盒厚度变薄，从而缩短响应时间。准确测量液晶的双折射率极为必要，显然，液晶的双折射率的测量是液晶双折射率研究的前提。液晶双折射测量方法不仅可以用于液晶的应用研究，比如液晶显示器的研究，也可以仅用于液晶材料本身性质的研究，例如通过实验验证或者发展液晶理论。

目前，国内对液晶的研究主要集中于液晶显示领域，而对液晶电控双折射特性的研究比较少。液晶双折射率的测试方法可分为折射法和干涉法两类，包括阿贝折射计法、尖劈折射法、薄膜多光束干涉法、正交偏振光干涉法、1/4波片法等。

淮南工业学院的钱祥忠从液晶物理学的角度研究了向列相液晶双折射的物理机理，给出了液晶双折射的公式，并指出了影响液晶双折射大小的三个因素[1-2]，为向列液晶双折射研究奠定了理论基础。

昆明医学院的吴杰等提出了采用晶体光学中的干涉色级法[3]，测出了人体胆甾液晶的双折射率，但该方法的测量精度不够高。

西安应用光学研究所的高教波等提出了一种通过测量向列液晶电光特性曲线来测量双折射Δn值的简便方法[4]。曲阜师范大学激光研究所的任广军等采用该方法，成功得出了液晶双折射率随电压变化的规律[5]。

南京师范大学的粱忠诚和上海理工大学的楼小笑提出了用阿贝折射仪测量液晶寻常光折射率，再用楔形液晶盒等厚干涉的方式测量非寻常光折射率[6-7]，通过该方法成功地研究了液晶双折射率与电压的关系。

河北工业大学的胡伟频、范志新提出了一种简易的测量方法[8]，介绍了用液晶棱镜盒根据三棱镜最小偏向角原理测试液晶双折射的实验方法。由于液晶盒比较厚，液晶用量比较大，成本很高，且控制电压高，具有一定的危险性，另外测量精度也不理想。

为了测定液晶分子长轴和短轴方向的折射率，本文根据等厚干涉原理设计了一种测量方法，迅速简便，且无需电压控制，能达到很好的测量效果。

1原理

将两片平板玻璃制成一定倾角θ的楔形液晶空盒[6-7]，如图1所示，单色光从正上方向入射，在空气薄膜上下表面反射，形成等厚干涉条纹。

若入射波长为λ，由等厚干涉原理，干涉条纹间距L满足：

将液晶注入到液晶盒中，并使液晶分子长轴平行于两平面玻璃的交线。调节入射光偏振方向垂直液晶分子长轴，入射光相对于液晶分子是o光，液晶折射率为no，此时条纹间距Lo满足：

再调节入射光偏振方向平行于分子长轴，入射光相对于液晶分子为e光，液晶折射率为ne，此时条纹间距Le满足：

2实验过程和结果

2.1实验准备

楔形液晶盒楔角制作时，边框胶采用一端混合间隙粒子，另一端无间隙粒子的方法实现。

由于液晶折射率为1.5左右，与平板玻璃的折射率相近。为了提高界面反射率，在上下玻璃内侧分别镀一层光学薄膜二氧化铪（折射率接近2）。

液晶分子取向的控制：两块平板玻璃内侧涂覆液晶分子取向层，并通过摩擦法，使液晶分子沿面排列。

测试所用的液晶为河北鹿泉新型电子材料公司的TN型向列液晶戊基联苯腈（5CB）。

2.2实验装置

实验装置如图2所示，实验以He-Ne激光器做为入射光源，读数显微镜为观察仪器。

2.3实验结果

液晶盒先不灌晶，测量空气膜等厚干涉的条纹，数据如表1所示。

灌晶后，液晶平行于表面排列，调节偏振片的偏振化方向，使出射光与液晶的长轴方向垂直，此时入射光相对于液晶分子是o光，干涉条纹数据如表2所示。

再调节偏光片，使出射光与液晶的长轴方向平行，此时入射光相对于液晶分子是e光，干涉条纹数据如表3所示。

由式（4）、（5）以及表1、2、3的数据可得：

Δn=ne-no=1.620-1.455=0.165

厂家提供的双折射率Δn=0.154，相对误差为7.1%，误差较大。

3结论

综上所述，采用本方法测量液晶双折射率，方法简单，操作容易，而且楔形液晶盒可以重复使用，对液晶材料生产厂与液晶显示器件生产厂的工程技术人员也具有一定的实用价值。对比厂家提供的产品折射率参数，结果表明本实验误差较大，目前不适合精确测量，有待提高。影响精度的原因如下：

（1） 液晶盒玻璃表面平整度不够会导致条纹弯曲和变形；

（2） 镀膜本身的均匀性也会影响条纹的形状和间距；

（3） 取向层的涂布均匀性也会影响干涉条纹；

（4） 入射光的平行度也不够，最好要使用平行光管。

如果以上影响因素能很好地解决，实现更高的精度是有可能的。

参考文献

[1] 钱祥忠. 向列相液晶双折射特性的研究[J]. 液晶与显示，1998，13（3）：169-172.

[2] 钱祥忠. 静电场对向列相液晶的影响[J]. 液晶与显示，1998，13（4）：251-254.

[3] 吴杰，杨海珉，周明非等. 人体胆甾液晶双折射率的测定[C]. 昆明医学院学报，1994，15（4）：17-19.

[4] 高教波，陈慧玲，张戊寅. 液晶双折射Δn的测量[J]. 应用光学，1993，14（6）：53-57.

[5] 任广军，李国华，彭捍东. 液晶双折射效应的再研究[J]. 液晶与显示，2004，19（4）：270-273.

[6] 粱忠诚，张熠，陈家璧. 液晶等效折射率随电压变化关系的研究[C]. 南京师大学报（自然科学版），1999，22（3）：22-24.

[7] 楼小笑，陈家璧，曹俊卿. 液晶折射率与电压关系的研究[J]. 激光杂志，1999，20（3）：16-17.

[8] 胡伟频，范志新. 液晶棱镜双折射实验[J]. 物理实验，2010，30（4）：41-42，46.

作者简介：陈刚（1976-），男，江苏镇江人，毕业于苏州大学，硕士研究生，现就职于南京信息职业技术学院，研究方向为光电显示技术，E-mail：。