一种向列液晶双折射率测量的简易方法
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摘 要：为了测量向列相液晶的双折射率，根据等厚干涉原理，设计了一种劈尖测量方法。通过调整劈尖的方向实现了o光（寻常光）和e光（非寻常光）转换，通过观测空气和液晶界面条纹数目之比，分别测定了o光和e光的折射率。结果表明，本方法简单方便，可以避免很多因素对测量结果的影响，误差可控。
中图分类号：O753.2 文献标识码：A
Simple Approach for Measurement of Birefringence of Nematic Liquid Crystal
CHEN Gang， WANG Dong-liang， WEI Su-qiang， ZHU Bao
（Microelectronics Department， Nanjing College of Information Technology， Nanjing Jiangsu 210046， China）
Abstract： In order to Measure the Birefringence of nematic Liquid Crystal， a wedge method was proposed according to the principle of fringes of equal thickness. The ordianry light （o light） and the extraordinary light （e light） were achieved by switching direction of the wedge， and the number of fringes on both sides of air and liquid crystal were counted to determine the refraction index of o light and e light.respectively. The result inicated that the approach was simple， convenient and avoiding the influence of many factors with error under control.
Keywords： liquid crystal； birefringence； measurement； simple
引 言
液晶是一种非常重要的光学材料，目前液晶材料主要应用于平板显示器件。液晶应用源于液晶光阀作用，液晶光阀的物理基础是液晶的光学各向异性即液晶双折射特性，通常用非常光（e光）折射率ne和寻常光（o光）折射率no之差Δn=ne-no来描述液晶双折射性质。液晶材料的双折射率（Δn）是液晶的重要性质，也是影响液晶电光器件性能的关键参数，STN型、IPS型液晶显示器都直接利用液晶双折射效应实现显示。液晶材料的双折射特性对显示器的性能起决定作用，因此液晶的双折射率的测量对了解液晶光学特性很关键。
液晶双折射率的测试方法可分为折射法和干涉法两类，包括三棱镜折射法[1]、等厚干涉法[2-3]、正交偏振光干涉法[4-5]等。
液晶折射率的测量与普通液体折射率的测量的不同在于要控制测量光的偏振，分别实现o光和e光，或者实现o光和e光的分离，再测量两种光的折射率。本文根据等厚干涉原理，提出一种简易的液晶双折射率的测量方法。本方法与传统等厚干涉法[6-7]不同的是，无需测量条纹间距，能够排除很多因素对测量结果的影响，测量简单，精度很高。
1 原理
将两片涂布PI取向层的平板玻璃相对放置，之间一端夹一根细丝制成楔角为θ的劈尖，并使取向层取向平行于两玻璃的交线，如图1所示。
将少量液晶滴入劈尖，劈尖中部分被液晶填充，部分仍为空气。由于取向层的作用，液晶分子长轴取向平行于两玻璃的交线。单色光从正上方向下入射，调节入射光偏振方向垂直于液晶分子长轴，此时入射光相对于液晶分子是o光，在液晶和空气薄膜上下表面反射，分别形成等厚干涉条纹。
图2所示为干涉条纹分布，曲线AB为液晶和空气的边界，AB上方为液晶干涉条纹，下方为空气干涉条纹。
A点和B点两侧的暗条纹恰好对齐，不妨设B处比A处膜厚。
对于空气条纹，A、B处应满足干涉相消的条件：
2h■+■=kλ+■（1）
2hB+■=（k+M）λ+■（2）
其中，hA、hB为A、B处膜厚，k、k+M分别为为A、B处干涉级次，λ为入射光真空波长。
B处干涉级次比A处高M级，则在空气侧从A到B，共有M+1条条纹。
式（2）-（1）得
2（hB-hA）=Mλ（3）
同理，由液晶条纹，可得
2no（hB-hA）=Nλ（4）
其中，no为液体o光折射率，N为B处与A处干涉级次之差，即在液体侧从A到B，共有N+1条条纹。
式（4）/（3）得
n■=■（5）
由式（5）可知，待测液体的折射率为两侧对应条纹数之比。
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，同理可得液晶e光折射率为ne。
2 实验过程和结果
2.1 实验装置
实验装置如图3所示，实验以钠灯做为入射光源，读数显微镜为观察仪器。本实验所用的读数显微镜具有偏光特性，用偏光片对其消光测试确定其偏振方向。
2.2 实验过程
（1）准备好取向好的玻璃片；
（2）搭好如图3所示的实验装置；
（3）调节劈尖液晶盒，使液晶分子取向与读数显微镜偏光方向垂直；
（4）观测液晶与空气界面处的条纹，并按原理部分确定空气和液晶条纹数目；
（5）再调节劈尖液晶盒，让液晶分子取向与数显微镜偏光方向平行；
（6）同4确定空气和液晶条纹数目；
（7）根据观测结果，由式（5）分别计算no和ne。
实验中，也可以将条纹拍成照片，用人工或计算机进行处理。
2.3 实验结果
观测结果见表1、表2所示。
Δn=ne-no=1.604-1.448=0.156。
厂家提供的双折射率Δn=0.154，相对误差为2.99%，误差很小。
3 误差分析
测量误差主要来源于条纹对齐点AB的判断，可以判定前面一组条纹对齐，也可能判断后一条纹对齐，则单对条纹判断引起误差范围
Δn=■-■=■=■
起末两对判断误差范围为：
Δn=■（6）
相对误差范围是：
■=■=■（7）
由式（6）、（7）可知，误差范围与所测量的空气条纹数相关，测量的条纹数越多，则误差范围越小。
若M=38，则绝对误差范围：
Δn=■=■=0.017
相对误差范围：
■=■=1.28%
此误差为单次测量的偶然误差范围，多次测量误差会大大降低。
4 结 论
本文所述液晶双折射率测量方法为等厚干涉测量，本方法测量的是液晶与空气边界两侧一定范围内对应的干涉条纹数，根据两侧条纹数目的比来确定待测液体的折射率。
不同于普通的等厚干涉方法，本方法不测量条纹间距，从而可以避免由于玻璃表面平整度不够而导致条纹弯曲和变形引起的测量误差。由于是同时测量空气和液晶，从而可以避免楔角变化引起的误差；由于测量同一条边界两侧的条纹，可以消除测量空间不同引起的误差。
误差分析表明测量误差主要来源于起末对齐条纹的判断，所观测范围越广，条纹数越多误差范围就越小。
综上所述，本文所述方法原理简单，测量方便，影响测量的因素少，测量的精度高，误差来源和大小易于控制。本方法是一种设备要求低，测量精度高的液晶双折射率测量的简易方法。
参考文献
[1] 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.
[2] 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.
[3] 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.
[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] 王彦方，吴俊林. 用等厚干涉测液体折射率[C]. 陕西师范大学学报（自然科学版），2007，35（专辑）：57-59.
[7] 陈淑清. 用劈尖形成的干涉条纹测量液体折射率[J]. 大学物理实验，2002，15（1）：37-38.
作者简介：陈 刚（1976-），男，江苏镇江人，研究方向为光学测量，E-mail：。