液晶的光学特性分析

液晶的光学特性分析
光的偏振性
光矢量
麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明：在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E，所以规定E 为光矢量，我们把E的振动称为光振动，光矢量E的方向就是光振动的方向。

自然光：
一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更占优势，这种光就叫自然光。

自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状态会发生变化。

例如阳光是自然光，但经天空漫射后是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒，在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结果。

自然光的分解：
在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。

应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差，但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动的光强各为自然光光强的一半。

如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个振动之一的一部分，则称为部分偏振光。

偏振光
线偏振光：如果光矢量在一个固定平面内只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光，也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的振动面是固定不变的。

部分偏振光：
这是介于偏振光和自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。

值得注意的是，这种偏振光的各方向振动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全偏振光。

圆偏振光和椭圆偏振光：
这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋)，如果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光；如果光矢
量端点的轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。

起偏器和检偏器
把自然光转化为线偏振光的过程叫做起偏，用于这种转化的光学器件称为起偏器。

当自然光通过某些晶体时，晶体对两个相互垂直的特定方向的振动吸收的程度不同，如果能把某一方向的振动全部（或几乎全部）吸收，而对另一方向的振动吸收很少（或根本不吸收），那么没有被吸收的振动透过晶体就形成了线偏振光，具有这种性质的晶体称为二色性晶体。

能透过偏振片的振动方向叫做偏振片的透光轴，注意的是，透光轴是一个方位，决不是一条确定的直线。

偏振片不但可以起偏，而且也可以用来判别光束是否为线偏振光，所以偏振片也可以做为检偏器对光束进行检偏。

由于它几乎吸收了一个方向上的光振动，因此光的能量损失也非常大，在50％以上，这也是液晶显示器件光效率低的主要原因。

马吕斯定律
一束自然光(光强为O I )通过起偏器后，变成线偏振光，然后通过一个检偏器，则透过检偏器后的光强 随检偏器透光轴的夹角而变化，即：
2O I I COS α=
α是起偏器与检偏器的透光轴之间的夹角
分析：由马吕斯定律可知，当两偏振器透光轴平行时，透射光强最大；当两偏振器的透光轴互相垂直时，透射光强为零，没有光从检偏器出射，此时检偏器处于消光位置，从而实现黑白控制。

如果在外电场的作用下，由于液晶的光学各向异性，使得偏振光在通过液晶盒时透光轴发生变化，则检偏器出射的光便形成具有灰度特征的图像，这就是液晶屏的基本光学显示原理。

为什么液晶屏必须加偏振片呢？
这是因为液晶盒施加电压后会引起液晶分子的重新排列，为了使这种重新排列被检测到，变为可见的、为人眼所感知或实现最大对比度，所以必须使用偏振片，当然加上偏振片后会引起光的能量减少，致使亮度会降低。

晶体的双折射
某些晶体（比如液晶）具有一种特殊的性质，当一束光入射于这些晶体时，会产生两束折射光，这种现象称为双折射。

实验表明：两束折射光之一遵守通常的折射定律，这一折射光称为寻常光，简称o光；但另一束折射光不遵守折射定律，这一折射光称为非常光，简称e光。

为进一步理解寻常光和非常光的概念，我们可以作如下实验：
上图清晰地再现了寻常光和非常光在晶体中的光路，如果保持入射光束的光强和方向不变，我们去旋转晶体，会发生什么现象呢？
实验发现：当旋转晶体时寻常光的折射方向不变，而非常光的折射方向随着旋转的方向而发生改变，这说明了晶体对寻常光和非常光具有不同的折射率，寻常光在晶体内各个方向的折射率相等，光速相等，因此光的折射方向不变；而非常光在各个方向的折射率不相等，光速也就不等，因此光的折射方向发生变化 。

还是上面的实验，当我们旋转晶体至某一方向时，发现寻常光的折射方向与非常光的折射方向重合，我们把这一方向称为晶体的光轴。

应当注意，光轴仅表示晶体内的一个方向，不是一条确定的直线，在晶体内任何一条与上述光轴平行的直线均为光轴，只含有一个光轴的晶体称为单轴晶体。

下面我们来简单研究液晶相关的光学性质，主要是分析线偏振光在液晶介质中的传播原理。

1、当入射光是线偏振光（振动垂直于纸面），媒质是液晶，光在晶体中如何传播呢？
我们知道自然光经波晶片双折射产生的o 光和e 光，是两束光强各为入射光强一半的振动方向互相垂直的偏振光。

当偏振光（o 光或e 光）经波晶片时也发生双折射现象（不要认为只有自然光才能发生双折射，才能分出o 光和e 光 ），同样产生产生o 光和e 光，其光强的计算同样遵循马吕斯定律：
2sin O I I α= 2cos e I I α=
式中I 为入射偏振光的光强，α为入射偏振光的振动方向与晶片光轴方向的夹角。

对于本例情况，由于α=90o ，0e I =，故液晶片中只有单一的o 光无e 光，且 故o 光折射的方向就是偏振光入射的方向，也就是偏振光在液晶介质中传播方向不变，且o 光的光强就等于入射偏振光的光强
2、当入射光是线偏振光（振动平行于纸面），在液晶介质中既有e 光也有o 光，
光的传播方向是e光和o光的合成方向。

特别地，当入射偏振光的振动方向与液晶分子长轴成90o时，由马吕斯定律可得：
上式说明寻常光（o光）的光强达到最大，且在液晶中的传播方向不变，光振动方向也不变，而非常光（e光）的光强为零，如下图所示：
液晶盒加电时的分子排列：
由于寻常光（o光）的速度就是v11 ，它的方向平行于液晶的光轴，另外由于o 光的偏振方向与光轴垂直，所以偏振光入射到液晶盒时，光的传播方向不变，光的偏振性也不变。

晶体的旋光现象
4、1811年阿拉果发现，当线偏振光沿某些晶体如石英的光轴传播时，透射光虽然是线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面却旋转了一个角度，这种现象称为旋光现象，能产生旋光现象的物质称为旋光物质，它的这种特性称为旋光性。

5、实验还表明，振动面的旋转具有方向性，迎着光观看，如振动面按顺时针方向旋转的称为右旋物质，反之称为左旋物质。

6、液晶在一定条件下也具有旋光性，向列型液晶分子呈长棒形，正常情况下彼此平行排列，但是如果采取特殊工艺使得液晶分子的初始排列呈扭曲方式排列，从而产生旋光性，即在不加电时液晶分子表现出一定的旋光性，加电时在外场的作用下液晶分子重新排列，旋光性消失，这种加电与不加电所呈现的不同的光学特性非常适合用来制成显示器件。

线偏振光在扭曲向列液晶中的传播
在向列相液晶中加入少量旋光性物质，或把液晶盒的两个内表面作扭曲分子排列处理，并使线偏振光的振动方向与上表面液晶分子的指向矢在同一个平面内且互相平行，这样便可得到(螺距)的情况，如下图所示：
当入射光的电矢量振动方向与入射面液晶分子指向矢n的长轴成时，则出射面根据偏振光的平行分量Ex和垂直分量Ey的光程差的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。

如上所述，由于液晶折射率的各向异性，使入射光波偏向液晶分子长轴方向，或使偏振光状态和偏振光方向发生变化等，这就是液晶显示器件工作的物理光学基础。

当线偏振光电矢量的振动方向与分子的指向矢在同一平面内且互相平行，则当液晶扭曲螺距Pλ
>>时，入射光将沿平行于入射口的液晶分子n的扭曲方向发生旋转，最终出射光的振动方向平行于出口处的液晶分子指向矢n 的方向；
当线偏振光电矢量的振动方向与入射面分子的n垂直时，则出射光的电矢量的振动方向仍保持与出射面液晶分子指向矢n的方向相垂直；
液晶盒不加电时呈扭曲方式排列。