基本信息
- 项目名称：
- 扭曲向列相液晶电光性质的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品通过建立分层结构模型，采用琼斯矩阵算法，定量地解释了扭曲向列相液晶的旋光效应，理论计算与实验测量结果相吻合。实验中还观测到在外电场作用下液晶新颖而丰富衍射效应，及各级衍射斑偏振态的差异。通过实验测量和液晶盒内部相态的观察，对衍射斑成因及其形态进行了定性的解释。
- 详细介绍：
- 南京大学物理实验开设了液晶电光效应实验，主要内容是实验测量扭曲向列相液晶的扭曲角、液晶电光效应曲线的测量.扭曲向列相液晶具有类似旋光物质的旋光性质，即将垂直入射的线偏振光的偏振平面旋转过一定的角度.按照实验所述，线偏振光经过扭曲向列相液晶后应该仍为线偏振光，实验中发现经过出射光通过检偏器最小光强不为零，它表明，液晶的应该不遵从经典的旋光性质，或者至少不完全相同.通过分析扭曲向列相液晶的结构，运用R. Clark. Jones的琼斯矩阵和琼斯向量分析构建扭曲向列相液晶的物理模型，给出在不同条件下出射光偏振态的数学解，实验的结果证明了我们理论的正确性，并且可以得到与 Gooch&Tarry微分方程模型同样的结果.加电场时，在测量液晶电光效应透过率曲线时发现，出射光也不是线偏振光，对不同条件下出射光的偏振态的测量和分析，给出了对液晶电光效应曲线合理的物理解释. 有趣的是，实验中使用的液晶光学器件在所加交流电压峰峰值在4.5～11.0 V之间时液晶光学器件的透明度下降，出射光会出现明显的类似光栅的衍射现象，在屏上形成具有一定空间周期的衍射斑，且各级衍射斑间的偏振态不同.对此我们从实验上进行了较为全面的探索与研究.
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品通过建立一种分层波片模型，采用琼斯矩阵算法，准确地解释了扭曲向列相液晶的旋光效应，一般情况下，线偏振光经过液晶，出射光为椭圆偏振光，理论计算与实验结果十分吻合，解决了简单地将惠更斯对石英旋光效应的解释应用于解释液晶旋光效应所产生的问题。同时在实验中我们还观测到，一定电压条件下液晶的衍射效应及各级衍射斑偏振态的差异。通过相关测量和液晶盒内部相态的观察，对衍射斑成因及其形态进行了定性的解释。
科学性、先进性及独特之处
- 将薄膜光学中常用的分层概念运用于对扭曲向列相液晶偏振性质的探讨，建立分层波片模型，精确地计算出透射光的偏振态，与实验测量十分吻合。也在一定电压条件下观察到了液晶衍射现象和各级衍射斑偏振态的差异，对此我们进行了大量的实验探究，给予了合理的理论解释。
应用价值和现实意义
- 本文定量地研究了扭曲向列相液晶对入射光偏振态的作用及其偏振态与电压的响应关系，具有很高的教学参考价值和实际应用借鉴价值。同时关于扭曲向列相液晶的衍射现象也极为丰富和新颖，对液晶光栅的研究有较强的指导作用。
学术论文摘要
- 垂直入射的线偏振光经过不加电场的扭曲向列相液晶后，出射光的偏振平面相对于入射光的偏振平面发生偏转，使得出射光为椭圆偏振光。原先的理论预见的是转过90°，但只是一种近似的描述。本文利用琼斯矩阵和琼斯向量方法，分析扭曲向列相液晶的偏振性质，并给出定量化的数学解，并通过实验证明了理论模型的准确性。论文同时研究了外加电场作用下扭曲向列相液晶光透射特性，出射光也是椭圆偏振光，通过总结出射光的偏振态与电场的变化关系，给出了液晶电光效应曲线的物理解释。同时发现，线偏振光经过一定电压下的液晶，出射光会产生周期性衍射现象，各级衍射光斑的偏振态不同，且随电压变化而变化。同样条件下，在偏光显微镜下观察，原本均匀的液晶分子层会出现周期性的织状条纹，其结构随所加电压大小而改变。
获奖情况
- 投稿论文的部分成果已经被接收： 论文1：《扭曲向列相液晶偏振性质的研究》已被《实验室研究与探索》接收，作者蒋骥，朱宏宇，周进，潘永华 论文2：《液晶衍射现象的实验研究》已被《物理实验》接收，作者蒋骥，朱宏宇，甘晓，顾源，周进，潘永华
鉴定结果
- 本文内容新颖，对将来在教学领域关于扭曲向列相液晶的偏振性质的介绍和研究领域关于扭曲向列相液晶的衍射现象的研究有很好的指导作用。
参考文献
- [1]. C. H. Gooch, H. A. Tarry. The Optical Properties of Twisted Nematic Liquid Crystal Structures with Twist Angles ≤90 Degrees. J. Phys. D: Appl. Phys.8 1975. [2]. H. Hurwitz. JR, R. C. Jones. A New Calculus for the Treatment of Optical System J. Opt. Soc. Am. 31, 1941: 493-495. [3]. R. C. Jones. A New Calculus for the Treatment of Optical System . J. Opt. Soc. Am. 31, 1941: 500-503. [4]. C. H. Gooch, H. A. Tarry. Optical Characteristic of Twisted Nematic Liquid-Crystal Films. Electronic Letters, 1(1), 1974: 2-4. [5]. M. Born, E. Wolf. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light [M]. 7th Edition. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press,1999: 25-31. [6]. R. Williams, Domains in Liquid Crystals, Journal of Chem Phys, 39, 1963: 384.
同类课题研究水平概述
- 本篇论文作品的研究内容由三部分组成：扭曲向列相液晶的旋光性质、扭曲向列相液晶的电光效应曲线，以及扭曲向列相液晶中的光衍射现象。 第一部分，扭曲向列相液晶的旋光性质自上世纪70年代发现，后经Gooch&Tarry利用琼斯微分模型给出定量化的解，国内核心中文期刊上尚没有关于此课题定量化研究的报道。本论文建立了波片模型，利用琼斯矩阵给出扭曲向列相液晶偏振性质定量化的解，不但纠正了Gooch&Tarry早期论文中的一些错误，而且我们的理论模型计算结果与实验测量结果极为吻合。 第二部分，扭曲向列相液晶的旋光性质被广泛应用于工业生产领域，基于此问题的复杂性，该课题一直是国内外研究关心的热点。 第三部分，国外有关向列相液晶的衍射现象主要有两个方向，其一是基于威廉姆斯畴中的织状结构；其二是特殊的液晶光学器件下的衍射现象，关于后者国内相关的研究较少。
