液晶的光学特性

1. 液晶的双折射现象

一束光射入液晶后，分裂成两束光的现象称为双折射现象，如图4所示。

图4  液晶的双折射 

双折射现象实质上表示液晶中各个方向上的介电常数以及折射率是不同的。通常用符号 和 分别表示沿液晶分子长轴方向和垂直于长轴方向上的介电常数，并且把 的液晶称为正性液晶，或P型液晶；而把 的液晶称为负性液晶，或N型液晶。多数液晶只有一个光轴方向，在液晶中光沿光轴方向传播时，不发生双折射。一般液晶的光轴沿分子长轴方向，胆甾相液晶的光轴垂直于层面。由于其螺旋状结构，胆甾相液晶具有强烈的旋光性，其旋光率可达 。 

2.胆甾相液晶的选择反射 

胆甾相液晶在白光照射下，呈现美丽的色彩，这是它选择反射某些波长的光的结果。反射哪种波长的光取决于液晶的种类和它的温度以及光线的入射角。实验表明，这种选择反射可用晶体的衍射(图5)加以解释。反射光的波长可以用布拉格公式表示为

式中l为反射光的波长，p为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，j为入射光与液晶表面间的夹角。此式表明，沿不同角度可以观察到不同的色光。当温度变化时，胆甾相液晶的螺距发生敏锐的变化，因而反射光的颜色也随之发生变化。一般说来，温度低时反射光为红色，温度高时反射光为蓝色，但也有与此相反的情况。

图5  胆甾相液晶的选择反 

胆甾相液晶的这一特性被广泛用于液晶温度计和各种测量温度变化的显示装置上。

实验表明，胆甾相液晶的反射光和透射光都是圆偏振光。

3.液晶的电光效应 

在电场作用下，液晶的光学特性发生变化，称之为电光效应。下面介绍两种电光效应。（1）电控双折射效应因为液晶具有流动性，通常把它注入玻璃盒中，称为液晶盒。当液晶盒很薄时，其分子的排列可以通过对玻璃表面进行适当处理如摩擦、化学清洗等加以控制。当液晶分子长轴方向垂直于表面时，称为垂面排列；平行于表面时，称为沿面排列。在玻璃表面涂上二氧化锡等透明导电薄膜时，则玻璃片同时又成为透明电极。今把N型向列相垂直排列的液晶盒放在两正交偏振片之间，如图6所示。未加电场时，通过偏振片P1的光在液晶内沿光轴方向传播，不发生双折射，由于两偏振片正交，所以装置不透明。加电场并超过某一数值（阈值）时，电场使液晶分子轴方向倾斜，此时光在液晶中传播时，发生双折射，装置由不透明变为透明。光轴的倾斜随电场的变化而变化，因而两双折射光束间的相位差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。 

图6 电控双折射 

电控双折射现象用P型沿面排列的向列相液晶同样能观察到。（2）动态散射把向列相液晶注入带有透明电极的液晶盒内，未加电场时，液晶盒透明。施加电场并超过某一数值（阈值）时，液晶盒由透明变为不透明，这种现象称为动态散射。这是因为盒内离子和液晶分子在电场作用下，互相碰撞，使液晶分子产生紊乱运动，使折射率随时发生变化，因而使光发生强烈散射的结果。去掉电场后，则恢复透明状态。但是如果在向列相液晶中混以适当的胆甾相液晶，则散射现象可以保存一些时间，这种情况称为有存储的动态散射。动态散射现象在液晶显示技术中有广泛应用。目前用于数字显示的多为向列相液晶。图7(a)所示为7段液晶显示数码板。数码字的笔画由互相分离的7段透明电极组成，并且都与一公共电极相对。当其中某几段电极加上电压时，这几段就显示出来，组成某一数码字(7(b))。 

（a）7段数码板；（b）显示数码“3”

图7 液晶数字显示