液晶光电效应实验报告思考题

液晶光电效应实验思考题 液晶电光效应实验实验报告 液晶电光效应实验实验报告 【实验目的】 1(在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2(测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 3(测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 4(了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。 【实验仪器】 液晶电光效应实验仪一台，液晶片一块 【实验原理】 1(液晶光开关的工作原理 液晶的种类很多，仅以常用的TN(扭曲向列)型液晶为例，其工作原理。 TN型光开关的结构:在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃(1埃,10-10米)，直径为4,6埃，液晶层厚度一般 为5-8微米。玻璃板的内面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理(可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂 )，这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里;电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿,45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿，45度方向排列，整个扭曲了90度。 理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。 取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。 在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90?。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。 在施加足够电压情况下(一般为1,2伏)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀 结构。从P1 透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。 由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。 液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的特性随温度的改变而有一定变化。 2(液晶光开关的电光特性 对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。 3(液晶光开关的时间响应特性 加上(或去掉)驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。 上升时间:透过率由10%升到90%所需时间;下降时间:透过 率由90%降到10%所需时间。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。早期的液晶显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的技术改进，已达到很好的效果。 4.液晶光开关的视角特性 液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。 5.液晶光开关构成图像显示矩阵的方法 除了液晶显示器以外，其他显示器靠自身发光来实现信息显示功能。这些显示器主要有以下一些:阴极射线管显示(CRT)，等离子体显示(PDP)，电致发光显示(ELD)，发光二极管(LED)显示，有机发光二极管(OLED)显示，真空荧光管显示(VFD)，场发射显示(FED)。这些显示器因为要发光，所以要消耗大量的能量。 液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最大的优点在于能耗极低。正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、手机、传呼机等具有不可代替地位。下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。 篇二:光电效应实验思考题 1. 什么是光电效应, 光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电 的现象被人们统称为光电 效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电 效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象 发生在物体内部，称为内光电效应。 只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电 效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极 便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动 能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最 大值，这个值叫饱和电流。所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度 (即单位时间内通过单位垂直面积的光能)决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子 数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数 也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。 2. 普朗克常量h的重要性 普朗克常数是一个物理常数，用以描述量子大小。在原子物理学与量子力学中占有重要 的角色，马克斯?普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的 发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。 这样的一份能量叫能量子，每一份能量子等普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。 就普朗克常数h的意义，物理学家金斯曾说过这样一段话:“虽然h的数值很小，但是 我们应当承认它是关系到保证宇宙的存在的(如果说h严格地等于零，那么宇宙间的物 质能量将在十亿万之一秒的时间内全部变为辐射(”普朗克常数引入后，以普朗克常数 为根本特征的量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法，物理学理论 发生了巨大变革，使人类认识由低速宏观领域扩展到高速微观领域(h的提出引出了一 系列解释性假说，促进了量子论的建立与推广，为原子物理学、固体物理学、核物理学 和粒子物理学奠定了理论基础，并且这些科研成果在化学等有 关学科和许多近代技术中 也得到了广泛的应用(可以说，h的出现具有划时代的重大意义( 3. 光电效应的历史: 光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。 1887 年，首先是赫兹(M.Hertz)在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现两个 锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。大约1900年，马 克思?普朗克(Max Planck)对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式 能量(quantised)这一理论。他给这一理论归咎成一个等式，也就是 E=hf ，E就是光 所具有的“包裹式”能量h是一个常数，统称布兰科(普朗克)常数(Planck's constant)， 而f就是光源的频率。也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科(普 朗克)自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。1902年，勒纳(Lenard)也对其进行 了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无 法根据当时的理论加以解释 。1905年，爱因斯坦26岁时提出 光子假设，成功解释了光 电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论并导出公式 Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而Ek就是电子自由后具有的 动能。 一、 光电效应的原理 当一定频率的光照射到某些金属表面上时 可以使电子从金属表面逸出 这种现象称 为光电效应。所产生的电子 称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。 1905年爱因斯坦依照普朗克的量子假设 提出了光子的概念。他认为光是一种微粒—光 子 频率为v的光子具有能量ε=hV，h为普朗克常量。根据这一理论，当金属中的电 子吸收一个频率为V的光子时 便获得这光子的全部能量hV，如果这能量大于电子摆 脱金属表面的约束所需要的脱出功W电子就会从金属中逸出。按照能量守恒原理有 hV= ? mv? 2—W (1)上式称为爱因斯坦方程 其中m和v是光电子的质量和最大 速度，? mv? 2是光电子逸出表面后所具有的最大动能。它说明光子能量hV小于W时， 电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产 生，产生光电效应的入射光最低频率V0=W/h，称 为光电效应的极限频率，又称红限。不同的金属 材料有不同的脱出功，因而V0也是不同的。我们 在实验中将采用“减速电势法”进行测量并求出 普朗克常量h。 当单色光入射到光电管的阴极K上时，如有光电 子逸出，则当阳极A加正电势，K加负电势时， 光电子就被加速，而当K加正电势，A加负电势时，光电子就被减速。当A、K之间所 加电压U足够大时，光电流达到饱和值Im，当U?-U0 并满足方程eU0 = ? mv? 2 (2) 时，光电流将为零，此时的U0称为截止电压。光电流与所加电压的关系如图2所示。将 式(2)代入式(1)可得eU0 = hV—W，即 U0 = (h/e)V—W/e (3) , 它表示U0与V间存在线性关系,其斜率等于h/e , 因而可以从对U0与V的数据分析中求出普朗克常 量h。 实际实验时测不出U0 ,测得的是U0与导线和阴极间的正向接触电势差Uc之差U0'即测得的U0'是 U0'= U0-Uc 将此式代入式(3),可得U0' =(h/e)V—(Uc+W/e) (4)由于Uc是不随v而变的常量,所以U0' 与V间也是线性关系。测量不同频率光的U0'值，可求得此线性关系的斜率b由于 b=h/e ，所以 h=be (5) ， 即从测量数据求出斜 率b乘以电子电荷e=1.602×10-19C，就可求出普朗克常量h。 4.其他测普朗克常量的方法: 1) X射线光电效应法:罗宾孙(Robinson)在1940年以波长为λ的X射线， 把电子从临界吸收波长为 的原子能级中释放出来，并在磁感效应强 度B的磁场中使电子偏离，设其曲率半径为ρ，则 (5-4) ，由于X ，但这种方法求出的值，其不确定度仅有2) X射线原子游离法:设恰好使原子电离的X射线的能量为射线的能量被吸收，致使吸收光谱出现尖锐的边界，边界的波长为 则有。由于此方法需用晶体衍射法测量X射线的波长，因 此必须取X射线单位，而且计算时离不开西班格(Siegbahn)因子Λ。 3) 黑体辐射计算法:这是普朗克最初采用的方法，他根据斯特藩(Stefan) 公式和维恩位移定律求出普朗克常量。他假设有 度(可取的黑体在不同温和，=100?，=0?)下每秒辐射到空气的能量分别为 把两者之差与空间的总能量密度 比较，得: (5-5) 其中c为光速。由维恩位移定律可得到能量最大的波长: 其中 近代测量普朗克常量的几种方法 1) 测定 (5-6) 。由上两式及λT的测量值，普朗克得到 的交流约瑟夫森效应法:约瑟夫森(B.D.Josephson)于1962年提 出，两块超导体构成弱耦合时将会出现电子隧道效应。如果在这两块超导体上加一直流电压，就会出现隧道电流，超流电子对能够无阻碍地通过绝缘层或桥，这就是所谓直流约瑟夫森效应;而交流约瑟夫森效应是指这一弱耦合的超导体，具有吸收或发射电磁波的特性，其电磁波的频率 ，系数与电压U 的关系为:称为约瑟夫森常数，这很像一个电压频率转 换器。经过弱耦合的超导体会形成约瑟夫森结。如果在超导结上照射频率为的微波辐射，则在结的两侧将形成的电压台阶，其中n取正整数。通过约瑟夫森结的频率- 电压关系，可以精确测定约瑟夫森常数值，但由于中还包含有基本电荷值，尽管 已达到 以下的精度，但1973 年基本物理常数平差得出的普朗克常量仍有 的不确定度，其值为: 2) 测定 的量子霍尔效应法:冯?克利青(K.von Klitzing)于1980年从金 属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)发现量子霍尔效应，随后他用不同类型的硅MOSFET管在强磁场和深低温下测出霍尔电阻，它随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍尔电阻等于 把 称为冯?克利青常数， ，有了量子霍尔效应，普朗克常量和基本电荷的测定又一次登上新的台阶，由 ，可得到和和，所以，1986，其中i是正整数。年在最新一轮的基本物理常数的平差中，普朗克常量的不确定度下降为 ，数值等于。但这一结果仍要受 到计量不统一的影响，当测量值换算为SI制时，还应考虑转换因子的不确定度。 3) 直接测定的通电动圈法:英国国家物理实验室(NPL)的基布尔(B.Kibble)等 人使用的这种方法，被认为是在直接测定普朗克常量的方法中比较精确的一种，他们用动量装置定义电功率瓦特的SI单位，用交流约瑟夫森效应和量子霍尔效应测电动势和电阻，不经电压转换因子和电阻转换因子，直接求出了。实验时将通电矩形线圈悬于精密天平的一端，使动圈中部处在磁感应强度为B的均匀水平 磁场中，通电流i后，由于安培力作用，需在天平上加质量为m的砝码，设动圈受力部分长度为l，有: 速v垂直下降，则感应出电动势 ，再令动圈以匀，把上两式结合消去B、l，得:(5-7) 在实际测量时，要注意(5-7)式两端的测量标准各不同，右端用SI制，而左端用英国国家实验室的电流、电压标准，分别以。其中 等于 (5-8) 和 表示，因此功率表示功率的转换因子，它 用交流约瑟夫森效应和量子霍尔效应测的分别是电压和电阻，涉及电压转换因子和电阻转换因子，由于 所以 从(5-8)式求出 常数 (5-9) 代入(5-9)式就可以由约瑟夫森常数和冯?克利青，，而， ， ， ，直接计算出。基布尔等人在1990 年报告的测量结果是:，不确定度为，这比1986年 平差结果精确度提高了4倍。 篇三:液晶电光效应实验报告 Guizhou Minzu University 液晶电光效应实验 实验题目:液晶电光效应实验 学院(系): 信息工程学院 专 业: 光电信息科学与工程 年 级: 2013级姓 名: 学 号: 完成时间: 2016年 6月6日 一、 实验目的 1(学习液晶的电光效应原理; 2(测量液晶光开关的电光特性曲线; 3(由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 二、 实验仪器仪器 二、实验原理 2.1 液晶 液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性，粘度，形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与晶体，液体之间的区别是:液体是各向同性的，分子取向无序;液晶分子有取向序，但无位置序; 晶体则既有取向序又有位置序。 液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶又可分为近晶相，向列相和胆甾相。其中向列相液晶显示器件的主要材料。 2.2液晶电光效应 液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场(电流)，随着液晶分子取向结构发生变化，其光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。 液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型(SD)、扭曲向列 相型(TN)、超扭曲向列相型(STN)、有源矩阵液晶显示(TFT)型、电控双折射(ECB)等。其中应用较为广泛的有:TFT型—主要用于液晶电视，笔记本电脑等高档产品;STN型——主要用于手机屏幕等中档产品;TN型——主要电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低端产品，是目前应用最广泛地液晶显示器件。TN型液晶显示器件显示原理较为简单，是 STN TFT 等显示方式的基础。本实验所用的液晶样品即为TN型。 2.3 TN型液晶盒结构 TN型液晶盒结构是在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向列相液晶薄膜层，四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封。玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是以薄层高有机分子，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃板表面，沿定向处理的方向排列。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90，所以称为扭曲向列型。 2.4 扭曲向列型电光效应 无外电场作用时，由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距，当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶 分子轴方向逐渐旋转900，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出(见图1(a)，液晶盒上下表面各附一片偏振片，偏振器方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出);若入射 线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，线偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子轴;当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆，圆，或直线等某种线偏振光形式射出。 对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列(见图1中通电部分)，TN型液晶盒900旋光性随之消失。 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间， 其偏振方向与表面液晶分子取向相同。 不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转900，不能通过检偏器;施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图3;其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。最大透光强度的10,所对应的外加电压值称为阀值电压(Uth)，标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉)，阀值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90,对应的外加电压称为饱和电压(Ur)，标志了获得最大对比所需的外加电压值，且降低显示功耗，Ur小则易获得良好的显示效果，对显示寿命有利。对比度Dr?Imin ，其中Imax为最大观察(接收)亮度(照 th 度)，Imin为最小亮度。陡度??Ur 四、 实验内容及步骤 即饱和电压与阀值电压之比。 1，光学导轨上依次为:半导体激光器—偏振光—液晶盒—偏振片—光电探测器。打开半导体激光器，调节各元件高度，尽量使激光依次穿过光学元件中心，最后打在光功率测试仪的探头上。 2，调整光路后，从光路中取下液晶盒，打开光功率测试仪，旋转两片偏振片，可观察光功率计数值大小变化，若最大透射光强小于200μW，可旋转半导体激光器机身，使最大透射光强大于200μW，最后调节偏振片正交至透射光强值达到最小。 3，将液晶盒加入光路，将液晶盒的控制电箱的“调节”旋转逆时针旋到头后打开电源开关，此时液晶为透光状态。 4，缓慢顺时针旋转“调节”旋钮，使驱动电压升高，同时记录下电压与光功率的关系。可每0.5V记录一次光功率。 注意:液晶的变化比较慢，每次调整电压后，要等光功率基本稳定后在记录。 一次测量过程请勿更改光功率试仪的档位，否则测量数据会有偏差。