液晶折射率测量装置的设计研究

2020-06-08刘佳豪刘汉子乌日娜

沈阳理工大学学报 2020年1期

刘佳豪，刘汉子，乌日娜

(沈阳理工大学理学院，沈阳110159)

液晶作为一种新材料，即有液体自然流动性、粘滞性，又有晶体各向异性[1-2]，可如其他晶体一样发生双折射、旋光效应[3]等光学现象，现在已广泛应用于生产生活和科学技术的各个领域，并表现出巨大的技术优越性。在液晶的诸多特性中，液晶的外部电控双折射特性[4]是其最重要的特性之一。液晶[5]的电控双折射效应主要是由于其外加电场与控制各向异性液晶光轴转动的作用共同引起，因而液晶的双折射电导率[6-7]也直接受到这种电场的影响。目前实验室设备中测量电控双折射率的设备和方法采用的主要是基于阿贝折射光度计法、正交偏振光干涉法[8]、1/4 波片法、迈克尔逊干涉法[8]、基于激光回馈效应法[9]，但在测量液晶电控双折射率的特性上仍存在一定的技术局限性。

本文设计制作一套基于多光束干涉原理、可实时测量液晶随电压变化的等效折射率、液晶盒厚度等数据的实验系统并配套相应算法程序。该实验系统的测量方法与常规方法相比，通过多角度并采用拟合算法，可理论上明显提高数据精确度，具有操作简单、实用，维护、运转费用低，测量精度高等特点，对研究液晶的电控双折射特性具有现实意义。

1 测量装置的设计

图1为干涉光路及数据采集处理系统的示意图。采用波长为632.8nmHe-Ne激光器为装置的相干光源。出射激光通过滤光片后照射样品，同时通过控制步进电机带动液晶盒转动，使入射角均匀变化。透过样品的光通过凸透镜和光阑。光电池通过采集光强信号将其转换为光强电信号，由单片机对光强电信号和数据进行a/d转换和简单的滤波处理，并将单片机处理后的信号和数据发送到移动计算机。最后由Matlab语言编写的EXE文件进行数据分析和曲线拟合，获得入射角与透射光强的关系图，计算得到空盒厚度和液晶的折射率。图2为设计的Matlabgui界面，测量结束后在此界面中输入参数，即可显示液晶盒厚度或液晶折射率值。

图1 干涉光路及数据采集处理系统的示意图

图2 Matlabgui界面

2 理论分析与推导

据干涉原理，干涉光束必要条件是相位差等于相位整数倍，液晶盒的多光束干涉原理如图3所示。

图3 液晶盒的多光束干涉原理图

根据折射定律

sinθ=n1sinθ′

(1)

(2)

透射光束的光程差为

Δ=2hn1cosθ′

(3)

由式(2)、式(3)可得

(4)

相位差为

(5)

干涉的透射光光强条件为

(6)

式中：θ为入射角；θ′为折射角；A为光强；n1为液晶盒内部物质折射率；h为液晶盒厚度；Δ为透射光束光程差；δ为透射光束相位差；λ为入射光波长。

干涉光强度条件为δ=2mπ时，干涉效应加强，透射光强度极大。干涉光强度条件为δ=2(m+1)π时，干涉效应减弱，透射光强度极小。

通过样品旋转得到连续干涉入射角、连续变化的干涉相位差和对应的透射光强。透射光由液晶盒的光电信号探测器接收并将其转化为对应的光电信号。由入射角θ和接收的光电信号绘制出透射光强随入射角θ发生变化的曲线，得出第m个干涉波峰对应的入射角和第m+n个干涉波峰对应的入射角，n为已知；由干涉波峰入射角个数可知，当液晶盒未灌入液晶时，n1=1，则

(7)

当液晶盒灌入液晶后

(8)

式中：n′1为液晶折射率；m、n、m+n为波峰的次序；h为已经测得的空盒的厚度。使用逐次逼近法，得到液晶的等效折射率n′1。

用10μm厚的标准盒，测量液晶空盒的厚度并比较测试结果。注入TEB30A 型向列相液晶后，在25℃室温条件下TEB30A 型向列相液晶温度折射折光率的测量平均值一般为1，ne=1.69，n0=1.52。

3 数据分析

测得10μm厚标准盒的结果如图4所示。液晶盒厚度显示12323.69nm，即12.32μm，进行多次测量取得平均值，如图5所示，平均值约为10.47μm。

注入TEB30A 型向列相液晶，分别测量液晶外加电压0～6V时的液晶折射率值，折射率值随外加电压的增大而减少，变化如图6所示。测得外加液晶电压0V、3V、6V时的液晶折射率分别为1.63、1.56和1.53。折射率减小值正好介于平均值ne与n0之间，符合液晶折射率随外加液晶电压减小且在一定范围内减少的变化规律。因外加电场、电导率各向异性使液晶分子长轴受到转矩，进而发生反向旋转，说明双折射率也会受电场影响。当不加电压时，折射率值为ne；而电压足够大时，折射率值为n0。图7为外加电场下液晶内部变化图。但由于液晶的动态散射等因素，使得测量曲线与空盒比较不够光滑，噪声较大。