平行向列相液晶法_珀滤光片的光学特性分析
第34卷第10期 光电工程V ol.34, No.10 2007年10月 Opto-Electronic Engineering Oct, 2007文章编号：1003-501X(2007)10-0114-04
平行向列相液晶法-珀滤光片的光学特性分析
何杰1，宋立涛2，罗崇泰1，马勉军1，王多书1，熊玉卿1，黄良甫1
( 1. 中国空间技术研究院兰州物理研究所表面工程技术国家级实验室，甘肃兰州 730000；
2. 郑州大学物理工程学院，河南郑州 450052 )
摘要：采用一种简单、稳定的方法-差分迭代法对平行向列相液晶在外电场作用下指向矢的空间分布进行了模拟计
算。在此基础上，利用琼斯矩阵方法对平行向列相液晶法布里-珀罗滤光片的本征偏振态及光学特性进行了研究。
结果表明，平行向列相液晶法布里-珀罗滤光片的共振模式是两组互相垂直的线性偏振态，且具有调谐范围宽，偏振敏感等特点。
关键词：可调谐滤光片；液晶；指向矢；琼斯矩阵；法布里-珀罗腔
中图分类号：TN713 文献标志码：A
Optical performance analysis of nematic liquid crystal fabry-perot filter
HE Jie1，SONG Li-tao2，LUO Chong-tai1，MA Mian-jun1，
WANG Duo-shu1，XIONG Yu-qing1，HUANG Liang-fu1
( 1. National Laboratory of Surface Engineering Technology, Lanzhou Institute of Physics,
the Chinese Academy of Space Technology, Lanzhou 730000, China ;
2. Physical Engineering College, Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China )
Abstract:The configuration of nematic liquid crystal director was calculated with a difference iterative method which is simple and stable. Based on this method, the optical performance and the eigen modes of a nematic liquid crystal fabry-perot filter were analyzed by the Jone matrix method. Results show that there are always two modes propagating in the FP cavity at various voltages which are orthogonal linear polarization state. And the filter has a wide tunable range, but it is sensitive to polarization.
Key words: tunable filter; liquid crystal; director; Jones matrix; Fabry-Perot cavity
引 言
波长调节器是光谱学和高密度波分复用系统中的重要器件。常用的光栅和棱镜能起到很好的挑选波长
的作用，但体积太大；后来采用的机械控制式滤波器和压电陶瓷光纤法布里-珀罗滤光器控制电压高、响应慢；而声光可调滤光器虽然应用灵活、调谐范围宽，但结构复杂、能量消耗高。与以上波长调节器相比较，电可调液晶法布里-珀罗(LCFP)滤光片控制电压低、调谐范围宽、能量消耗低、精细度高、结构紧凑。这种滤光片以液晶作为有源介质，通过外加电压改变液晶折射率进行波长调节，具有很广阔的应用前景[1-2]。
本文对平行向列相LCFP滤光片进行了较全面的理论分析。从液晶指向矢的空间分布与外加电压的关系入手，采用差分迭代法对平行向列相液晶指向矢的空间分布进行了模拟。以此为基础，采用琼斯矩阵法对平行向列相LCFP滤光片的光学特性以及本征态进行了研究。
1 指向矢空间分布与外加电压的关系
为了对LCFP滤光片的透射光谱以及本征态进行研究，首先需要正确计算液晶在外加电场作用下指向
收稿日期：2006-10-20；收到修改稿日期：2007-07-26
作者简介：何杰(1978-)，女(汉族)，河北唐山人，博士研究生，主要从事光学滤光片的设计研究。E-mail: hejiehb@https://www.wendangku.net/doc/3d10626963.html,
2007年10月 何 杰 等：平行向列相液晶法-珀滤光片的光学特性分析
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矢的空间分布，这是液晶器件整个模拟计算过程的关键。液晶指向矢在外加电场作用下达到平衡状态的过程中，液晶的吉布斯自由能趋向最小值。根据这一原理，本文采用差分迭代法对液晶指向矢的空间取向进行计算。与牛顿法[3]和张弛法相比[4]，该方法具有简单、稳定和计算速度快等优点。例如，牛顿法需要先计算指向矢倾角的最大值θm ，张弛法则引入了时间参量和黏滞系数。由于需要求解或调整这些中间变量，增加了计算的复杂性，并且由于方程的非线性特征，在稳定性和收敛性方面也存在一些问题。差分迭代法则没有这些限制，应用Matlab 语言，整个求解过程仅需十几条程序语句。
根据液晶连续体弹性形变理论[5]，在外加电场中，液晶总的吉布斯自由能[3]：
∫∫∫???+=?==d d e s d G G z z
K K z F F z F W 022*******d })d d ()sin cos {(21d )(d E D θ
θθ (1)
其中：K 11、K 33分别是液晶的展曲、弯曲弹性参量，E 为外加电场，D 为电位移矢量，θ为在电场作用下液晶指向矢相对于基板的倾角。对于没有自由电荷和电流的介质，由麦克斯韦方程组得：
0=??D (2) 0=×?E (3)
假设电场平行于z 方向，由公式(2)可知D z 为一常数。将E 沿着平行指向矢和垂直指向矢的方向分解，根据D =εE 得
)cos sin (22||θεθε⊥+=z z E D (4)
由此得
})()cos sin ()()sin cos {(2
1
222||2233211dz dU dz d K K F G ??+??+=⊥θεθεθθθ (5)
根据变分原理，由公式(1)得到下列两个方程：
0)d /d (d d =??
?
????????z F z F G G θθ (6) 0)d /d (d d =??
?????????z U F z U F G
G (7) 将(5)式带入(6)～(7)式，得到一组非线性偏微分方程：
)d d (cos sin )()d d (cos sin )()d d )(sin cos (2
||21133222
332
11=??+?+
+⊥z
U z K K z
K K θθεεθ
θθθθθ (8) 0
d d d d cos sin )(2)d d )(cos sin (||22
22||=?+
+⊥⊥z
z U z U
θ
θθεεθεθε (9) 为了求解该非线性偏微分方程组，利用中心差分公式将(8)～(9)式离散化并转化形式如下：
2
/)sin cos /(})2(cos sin )()2(cos sin )())(sin cos {(23321122
11||2111133211233211i i i i i i i i i i i i i i i K K h h
U U h
K K h K K θθθθεεθ
θθθθθθθθ+???+
??+++=?+⊥?+?+ (10)
2
/)cos sin /()}2)(2(cos sin )(2))(cos sin {(22||21111||21122||i i i i i i i i i i i i i h h
h U U h
U
U U θεθεθθθθεεθεθε⊥?+?+⊥?+⊥+????
?+++= (11)
选取未加电压时的指向矢分布为求解上述方程组的初始值，以液晶表面强锚泊为边界条件，通过迭代
计算，即可求得液晶指向矢在外加电场作用下的空间分布。
1.0
Position z /d T i l t a n g l e θ / r a d i a n
0.8 0.6 0.4 0.20
00.51.0
1.5图1 平行向列相液晶指向矢的空 间分布与外加电压的关系 Fig.1 Relation between nematic liquid crystal director and voltage
光电工程 第34卷第10期
116 图1是对E7液晶指向矢分布的计算结果。其参量为：K 11=12×10-12N ，K 33=19.5×10-12N ，ε||=19.6，ε⊥=5.1，在λ=1.5μm 波长处的折射率为n ||=1.71，n ⊥=1.50。可以看出，随着电压的升高，中间部分的液晶分子倾角逐渐接近90°，当电压达到8V 时，曲线形状已基本保持不变，表明液晶分子指向矢的分布已趋于饱和状态。
2 LCFP 滤光片本征态和光学特性分析
液晶折射率与在腔中的位置有关，为便于分析，将整个液晶平均分成N 层，每层的厚度很薄，以至于每层液晶都可以看作是单轴的双折射率薄层(如图2)。光波入射到液晶后，输入偏振态E i 和输出偏振态E o 可由介质的琼斯矩阵来联系：
??
?
???=??????y x y x E E E E i i o o J (12) 第i 层的琼斯矩阵可表示为
??
????=??N d k n N d k n i i /j /)(j 0o 0e e 00e θJ ，( i =1, 2, …, N ) (13) 其中：d 为液晶的厚度，n e 为异常光折射率，n o 为寻常光折射率。
n e 和n o 与液晶材料的n ||和n ⊥之间的关系为
θ
θθ2222||||e cos sin )(⊥⊥
+=
n n n n n (14)； ⊥=n n o (15) 单向传播矩阵G 和往返传播矩阵D 可分别表示为
121J J J J G ???=?N N (16)
G G J J J J J J J J D T N N N N =??????=??121121 (17)
式中G T 是G 的转置矩阵。经往返传播后，偏振态没有发生改变的状态为本征偏振态。本征偏振态是理解
LCFP 滤光片共振特征的关键。LCFP 滤光片的本征偏振态可以通过求解往返传播矩阵D 的本征方程获得：
±±±=υμυD (18) 其中：±υ、±μ分别为传播矩阵D 的本征态和本征值。考虑到反射镜处多次的反射和透射，整个滤光片的琼斯矩阵F 为
)()1(2422???+++?=D D I G F r r r (19)
其中：r 是反射镜的振幅反射率，I 是2×2阶的单位矩阵。由(18)和(19)两式可以得到整个滤光片的本征偏振态为
±±
±±??=???+++?=′υμυυG D D I G 22
2
4
2
2
11)()1(r r r r r (20)
由于单向传播矩阵G 是幺正矩阵，由此本征偏振态的透射率±T 可表示为
2
22
11±
±??=
μr r T (21)
图3展示了对平行向列相LCFP 滤光片的透射光谱模拟计算的结果。可以看到，非偏振透射谱存在两种本征模式的谱线(图3(a))。在阈值电压以下(E7液晶阈值电压0.98V)，这两组谱线的透射波长均不随电压改变。当电压超过阈值电压时，一种模式透射波长仍不随电压改变，另一模式的透射波长随电压升高迅速向短波方向移动，当电压大于4V rms 时透射波长移动幅度降低，并逐渐趋于一定值，其调谐范围可达140nm 。
ITO
1
2 34
N N -1N -2N -3图2 向列相LCFP 滤光片结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of nematic LCFP filter
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其中，透射波长始终没有发生改变的谱线是o 光透射谱(图3(c))，随电压变化的谱线是e 光透射谱(图3(b))。这是由于o 光折射率不受外加电压变化的影响，而e 光折射率随着外加电压的升高而减小，最后趋于饱和。该结果与J. H. Lee 等人的报道一致[6]。
3 结 论
本文采用差分迭代的方法计算了平行向列相液晶指向矢的空间分布。与以往的方法[3-4]比较，这种方法简单、稳定、计算速度快。利用琼斯矩阵方法对平行向列相LCFP 滤光片的本征态和透射光谱进行了分析。结果表明，平行向列相LCFP 滤光片存在两组相互垂直的本征偏振态，调谐范围宽，并具有偏振敏感性。该结果可为分析设计LCFP 滤光片提供理论依据。 参考文献：
[1] Patel J S ，Saifi M A ，Berreman D W ，et al. Electrically tunable optical filter for infrared wavelength using liquid crystals in a
Fabry-Perot etalon [J]. Appl. Phys. Lett ，1990，57(17)：1718-1720.
[2] Hirabayashi K ，Tsuda H ，Kurokawa T. Tunable liquid-crystal Fabry-Perot interferometer filter for wavelength-division
multiplexing communication systems [J]. J. Lightwave Technol ，1993，11(12)：2033-2043.
[3] Deuling H J. Deformation of nematic liquid crystals in an electric field [J]. Mol. Cryst. Liq. Cryst ，1972，19：123-131. [4] Dickmann S ，Eschier J ，Cossalfer O ，et al. Simulation of LCDs including elastic anisotropy and inhomogeneous fields [J]. SID
93 Digest ，1993，24：638-641.
[5] 谢毓章. 液晶物理学[M]. 北京: 科学出版社，1988.
XIE Yu-zhang. Physics of Liquid Crystal [M]. Beijing ：Science Press ，1988.
[6] Lee J H ，Kim H R ，Lee S D. Polarization-insensitive wavelength selection in an axially symmetric liquid-crystal Fabry-Perot
filter [J]. Appl. Phys. Lett ，1999，75(6)：859-861.
JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
( 上接第68页 )
[4] 罗长洲，孙 岩，高立民，等. 码盘偏心对叠栅条纹信号相位影响的理论分析[J]. 光学学报，2003，8(8)：1013-1016.
LUO Chang-zhou ，SUN Yan ，GAO Li-ming ，et al. Theoretical Analysis on Phase of Moiré Fringes Signal Affected by Shaft Eccentricity[J]. Acta Optica Sinica ，2003，8(8)：1013-1016. [5] 张善钟. 计量光栅技术[M]. 北京：机械工业出版社，1985：1-33.
ZHANG Shan-zhong. Measurement Grating Technique [M]. Beijing ：Mechannical Industry Press ，1985：1-33. [6] 李殿奎. 光栅计量技术[M]. 北京：中国计量出版社，1987：4-13.
LI Dian-kui. Grating Measurement Technique [M]. Beijing ：China Measurement Press ，1987：4-13.
Wavelength /μm
A p p l i e d v o l t a g e /(V r m s )
2
4 6 8 1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.60
A p p l i e d v o l t a g e /(V r m s )
2
4 6 8 Wavelength /μm
1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.60
(a) 非偏振透射谱 (b) e 光透射谱 (c) o 光透射谱 (a) unpolarized light (b) e ray (c) o ray
Wavelength /μm
1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.60
A p p l i e d v o l t a g e /(V r m s )
2
468 图3 LCFP 滤光片的透射光谱(d=15μm, r=0.98)
Fig.3 Transmission spectrum of LCFP filter (d=15μm, r=0.98)
胆甾相液晶的光学性质
一、胆甾相液晶的光学性质 胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。 （1）选择性反射 有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。 一级反射光的波长为： λ=2nPsinφ 其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为 入射波与液晶表面的夹角。 （2）旋光效应 在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。 （3）圆二色性 圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。 二、胆甾相液晶的电光效应
光学分析部分习题.docx
第二章光分析方法导论 一、选择题 1、 请按能量递增的次序，排列下列电磁波谱区：红外、射频、可见光、紫外、X 射线、微波、丫射 线（ A 、 微波、射频、红外、可见光、紫外、X 射线、丫射线 B 、 射频、微波、红外、可见光、紫外、X 射线、丫射线 C 、 丫射线、X 射线、紫外、可见光、红外、微波、射频 D 、 丫射线、X 射线、紫外、可见光、红外、射频、微波 2、 请按波长递增的次序，排列下列电磁波谱区：红外、射频、可见光、紫外、X 射线、微波、丫射线（ 微波、射频、红外、可见光、紫外、X 射线、丫射线 射频、微波、红外、可见光、紫外、X 射线、丫射线 Y 射线、X 射线、紫外、可见光、红外、微波、射频 丫射线、X 射线、紫外、可见光、红外、射频、微波 请按能量递增的次序，排列下列电磁波谱区：远红外、可见光、近紫外、近红外、远紫外（ 某分了的转动能级差△ E=0.05eV ,产生此能级跃迁所需吸收的电磁辐射的波长为（ 248pm D 、2480pm A 、 B 、 D 、 3、 A 、 远红外、 近红外、 可见光、近紫外、 远紫外 B 、 远红外、 近红外、 可见光、远紫外、 近紫外 C 、 远紫外、 近紫外、 可见光、近红外、 远红外 D 、 近紫外、 远紫外、 可见光、近红外、 远红外 4、 A 、 请按波长递增的次序，排列下列电磁波谱区：远红外、可见光、近紫外、近红外、远紫外（ 可见光、近紫外、 远红外、 近红外、 远紫外 B 、 远红外、 近红外、 可见光、远紫外、 近紫外 C 、远紫外、 近紫外、 可见光、近红外、 远红外 D 、 近紫外、 远紫外、 可见光、近红外、 远红外 5、 下列哪种光谱分析法不属于吸收光谱（ A 、 C 、 分了荧光光谱法 原了吸收光谱法 B 、 D 、 紫外■可见分光光度 法 6、 A 、 下列哪种光谱分析属于发射光谱法（ 紫外■可见分光光度法 B 、 原了吸收分光光度法 C 、 原了荧光光谱法 D 、 激光拉曼光谱法 7、 A 、 2.48pm 24.8屮Yi C 、
液晶的电光特性
液晶的电光特性 液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质（材料），它是在1888年内奥地利植物学家首先发现的。在我们的日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前人们发现、合成的液晶材料已近十万种之多，有使用价值的也有4-5千种。随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发展，以及市场的巨大需求。人们对它的研究也进入了一个空前的状态。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为量级，并按一定规律排列。根据排列的方式不同，液晶一般被分为三大类1）近晶相液晶，结构大致如图1，图1 图2 图3 这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。且垂直或倾斜于层面。2、向列相液晶，结构如图2。这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。3、胆甾相液晶，结构大致如图3。分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一
种螺旋结构。 以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征，当我们对这些液晶施加外界影响时，他们的状态将会发生改变，从而表现出不同的物理光学特性。 下面我们以最常用的向列液晶为例，分析了解它在外界人为作用下的一些特性和特点。 我们在使用液晶的时候往往会将液晶材料夹在两个玻璃基片之间，并对四周进行密封。为了我们的使用目的，将会对基片的内表面进行适当的处理，以便影响液晶分子的排列。这里介绍相关的三个处理步骤。1、涂覆取向膜，在基片表面形成一种膜。2、摩擦取向，用棉花或绒布按一个方向摩擦取向膜。3、涂覆接触剂。经过这三个步骤后，就可以控制紧靠基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我们使上下两个基片的取向成一定角度，则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。如图4的情况(取向成90度)。 即每一层内的分子取向基本一致，且平行于层面。相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。从而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。这种排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。
反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构的形成及相变的研究
研究与试制 反射型胆甾相液晶显示器件多畴结构的 形成及相变的研究 Ξ 张 俊1,李 青1,韦 静2,傅伟涛1,庞春霖3 (1.东南大学电子工程系,南京,210096;2.中国电子科技集团公司第五十五研究所,南京,210096; 3.清溢精密光电[深圳]有限公司,广东深圳,518057) 摘 要:主要讨论了采用摩擦工艺形成的胆甾相液晶显示器件的多畴结构。研究在电场作用下多畴结构胆甾相液晶显示器件相变,包括平面织构态(P 态)到焦锥织构态(FC 态)的相变;场致向列态(H 态)到P 态和FC 态的相变。通过显微镜下液晶屏的上电观察,调节脉冲数量和幅度,得到P 态FC 态和H 态之间相变的微观过程,得出胆甾相液晶相变的过程和规律,为实际工艺制作提供了理论指导。 关键词:胆甾相液晶;多畴结构;P 态;FC 态;H 态中图分类号:TN 141.9 文献标识码:A 文章编号:10052488X (2005)0420226203 Re s e a rch on the Fo r m a tion a nd P ha s e T ra ns ition of Re fle c tive CHLCD M ulti 2dom a in S truc ture ZHAN G Jun 1,L IQ ing 1,W E I J ing 2,FU W ei 2tao 1 ,PAN G Chun 2lin (1.E lectron ic E ng ineering D ep a rt m en t ,S ou theast U n iversity ,N anj ing ,210096,CH N ; 2.N o .55R esea rch Institu te ,Ch ina E lectron ics T echnology G roup Corp ora tion ,N anj ing ,210016,CH N ; 3.S up er m ask Co .L td ,S henz hen ,Guang d ong ,518057,CH N ) Abstract :T h is paper in troduces the fo r m ati on of m u lti 2dom ain structu re by rubb ing tech 2no logy in the reflective cho lesteric L CD (CHL CD ).T he phase tran siti on s under electric field are researched w h ich include p lanar tex tu re state (P state )to focal con ic tex tu re state (FC state )and hom eo trop ic state (H state )to p lanar tex tu re state o r focal con ic tex tu re state .T h rough m odu lating the am oun t and the p eak value of w avefo r m ,the phase tran siti on p rocess has been ob served under the m icro scope .It p rovides the theo retical foundati on fo r the p ractical p rocess . Key words :cho lesteric L CD ;m u lti 2dom ain structu re ;P state ;FC state ;H state 第25卷第4期2005年12月 光 电 子 技 术O PTO EL ECTRON I C T ECHNOLO GY V o l .25N o.4 D ec .2005 收稿日期:2005207227 作者简介:张 俊(1981—),男,硕士研究生。主要研究反射型胆甾相液晶多畴结构的形成及其工艺。 李 青(1964—),女,教授。多年从事胆甾相液晶和PD P 显示研究。 韦 静(1966—),女,工程师。长期从事液晶显示的研发和质量管理工作。
光学分析法导论练习题
光学分析法导论练习题 1.对下列的物理量单位进行换算： （1） 150pm X射线的波数（cm-1）； （2） 670.7nm Li线的频率（Hz）； （3） 3300cm-1波数的波长（μm）； 答案:(1)；（2）；（3）3.03μm。 2.计算下列电磁辐射的频率（Hz）、波数（cm-1）及光量子的能量（用电子伏eV、尔格erg及千卡/摩尔表示）： （1）波长为589.0nm的钠D线； 答案:；（2）在12.6μm的红外吸收峰。 答案:。 3.将波长443nm的光通过折射率为1.329的甲醇溶液时，试计算： （1）在甲醇溶液中的传播速度；（2）频率； （3）能量（J）；（4）周期（s）。 答案:（1）；（2）；（3）；（4）。 4.辐射通过空气（n=1.00027）与某玻璃（n=1.7000）界面时，其反射损失的能量大约有多少？ 答案: 6.7% 5.何谓光的二象性？何谓电磁波谱？ 6.请按照能量递增和波长递增的顺序，分别排列下列电磁辐射区：红外线，无线电波，可见光，紫外光，X射线，微波。 7.光谱法的仪器通常由哪几部分组成？它们的作用是什么？
自测题 1.电磁辐射的二象性是指: A．电磁辐射是由电矢量和磁矢量组成； B．电磁辐射具有波动性和电磁性； C．电磁辐射具有微粒性和光电效应；D．电磁辐射具有波动性和电磁性。 2.光量子的能量与电磁辐射的哪一个物理量成正比？ A．紫外；B．波长；C．波数；D．周期。 3.可见区、紫外区、红外光区、无线电波四个电磁波区域中，能量最大和最小的区域分别为： A．紫外区和无线电波区；B．可见光区和无线电波区； C．紫外区和红外区；D．波数越大。 4.有机化合物成键电子的能级间隔越小，受激跃迁时吸收电磁辐射的 A．能量越大； B．频率越高； C．波长越长； D．波数越大。 5.波长为0.0100nm的电磁辐射的能量是多少eV？(已知) A．0.124；B．12.4eV；C．124eV； D．eV。 6.下列四种波数的电磁辐射，哪一种是属于可见光区？ A. B. C. D. 7.频率为MHz的电磁辐射是处在哪个光区？ A．紫外光区； B．可见光区； C．红外光区； D．无线电波区。 8.可见光的能量是在下列的哪个范围内？(已知) A. B. C. D. 9.当光由空气(n＝1.00027)通过玻璃(n约为1.5)时，在每一个空气－玻璃介面上，光能损失约为多少？ A．2％； B．4％；C．6％； D．8％。 10.钠D线在真空中的波长是589.99nm，它通过空气(n＝1.00027)以折射率为1.275溶液时的波数分别是多少？ A. B.
光学分析方法的发展
光学分析方法的发展 北京温分分析仪器技术开发有限公司 光学分析法是利用待测定组分所显示出的吸收光谱或发射光谱，既包括原子光谱也包括分子光谱。利用被测定组分中的分子所产生的吸收光谱的分析方法，即通常所说的可见与紫外分光光度法、红外光谱法；利用其发射光谱的分析方法，常见的有荧光光度法。利用被测定组分中的原子吸收光谱的分析方法，即原子吸收法；利用被测定组分的发射光谱的分析方法，包括发射光谱分析法、原子荧光法、X射 线原子荧光法、质子荧光法等。 （一）比色法 分光光度法的前身是比色法。比色分析法有着很长的历史。1830年左右，四氨络铜离子的深蓝色就被用于铜的测定。奈斯勒的氨测定法起源于1852年，大约在同一年，硫氰酸盐被用来分析铁。1869年，舍恩报道说钛盐与过氧化氢反应会产生黄色，1882年，韦勒（Weller）将此黄色反应改进成一种钛的比色法。钒也能与过氧化物发生类似的反应，生成一种橙色络合物。1912年，梅勒一方面利用1908年芬顿发现的一个反应（二羟基马来酸与钛反应呈橙黄色，与钒反应无此色），另一方面利用与过氧化物的反应，得出了一种钛和钒这两种元素的比色测定法。 吸收光度分析法提供了非化学计量法的一个很好例子。有色化合物的光吸收强弱随着所用辐射波长的大小而变化。因此早期的比色法主要凭经验将未知物与浓度近似相等的标准溶液进行对比。比如象奈斯勒在氨测定法中所作的比较。比色剂，如杜波斯克比色计，是通过改变透光溶液的厚度和利用比尔定律，来对未知物的颜色与标准液的浓度进行对比的，这种仪器并不适用于所有的有色物质，它充其量也不过经验程度很高罢了。 1729年，P·布古厄（Bouguer）观察到入射光被介质吸收的多少与介质的厚度成正比。这后来又被J·H·兰贝特（Lambert，1728—1777）所发现，他对单色光吸收所作的论述得到了下列关系式： 上式中I是通过厚度为x的介质的光密度，a是吸收系数。利用边界条件x=0时，I=I0，积分得到： I=I0e-ax 1852年，A·比尔（Beer）证实，许多溶液的吸收系数a是与溶质的浓度C成正比的。尽管比尔本人没有建立那个指数吸收定律公式，但下列关系式 I=I0e-acx 仍被叫做比尔定律，式中浓度和厚度是作为对称变数出现的。这个名称似乎是在1889年就开始使用了。
仪器分析各章习题与答案
第一章绪论 问答题 1. 简述仪器分析法的特点。 第二章色谱分析法 1．塔板理论的要点与不足是什么? 2．速率理论的要点是什么? 3．利用保留值定性的依据是什么? 4．利用相对保留值定性有什么优点? 5．色谱图上的色谱流出曲线可说明什么问题? 6．什么叫死时间?用什么样的样品测定? ． 7．在色谱流出曲线上，两峰间距离决定于相应两组分在两相间的分配系数还是扩散速率?为什么? 8．某一色谱柱从理论上计算得到的理论塔板数n很大，塔板高度H很小，但实际上柱效并不高，试分析原因。 9．某人制备了一根填充柱，用组分A和B为测试样品，测得该柱理论塔板数为4500，因而推断A和B在该柱上一定能得到很好的分离，该人推断正确吗?简要说明理由。 10．色谱分析中常用的定量分析方法有哪几种?当样品中各组分不能全部出峰或在组分中只需要定量其中几个组分时可选用哪种方法? 11．气相色谱仪一般由哪几部分组成?各部件的主要作用是什么? 12．气相色谱仪的气路结构分为几种?双柱双气路有何作用? 13．为什么载气需要净化?如何净化? 14．简述热导检测器的基本原理。 15．简述氢火焰离子化检测器的基本结构和工作原理。 16．影响热导检测器灵敏度的主要因素有哪些?分别是如何影响的? 17．为什么常用气固色谱分离永久性气体? 18．对气相色谱的载体有哪些要求? 19．试比较红色载体和白色载体的特点。
20．对气相色谱的固定液有哪些要求? 21．固定液按极性大小如何分类? 22．如何选择固定液? 23．什么叫聚合物固定相?有何优点? 24．柱温对分离有何影响?柱温的选择原则是什么? 25．根据样品的沸点如何选择柱温、固定液用量和载体的种类? 26．毛细管色谱柱与填充柱相比有何特点? 27．为什么毛细管色谱系统要采用分流进样和尾吹装置? 28．在下列情况下色谱峰形将会怎样变化?(1)进样速度慢；(2)由于汽化室温度低，样品不能瞬间汽化；(3)增加柱温；(4)增大载气流速；(5)增加柱长；(6)固定相颗粒变粗。 29．二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷的沸点分别为40℃，62℃，77℃，试推测它们的混合物在阿皮松L柱上和在邻苯二甲酸二壬酯柱上的出峰顺序。 30．流动相为什么要预先脱气?常用的脱气方法有哪些? 31．高压输液泵应具备什么性能? 32．在HPLC中，对流动相的要求是什么? 33．何谓梯度洗脱?适用于哪些样品的分析?与程序升温有什么不同? 33．什么是化学键合固定相?化学键合相的特点有哪些? 34．反相键合相色谱法具有哪些优点? 35．为何高效液相色谱法一般采用全多孔微粒型固定相? 36．指出下列物质在正相色谱和在反相色谱中的洗脱顺序： 37．在硅胶柱上，用甲苯为流动相时，某物质的保留时间为28 min，若改用CCl4或CHCl3。为流动相，指出哪一种溶剂能减少该物质的保留时间? 第三章光学分析法导论 一、选择题 1.在光学分析法中, 采用钨灯作光源的是( ) (1)原子光谱(2)分子光谱(3)可见分子光谱(4)红外光谱 2.可见光的能量应为( ) (1) 1.24×104～1.24×106eV (2) 1.43×102～71 eV (3) 6.2 ～3.1 eV (4) 3.1 ～1.65 eV 3.已知：h=6.63×10-34 J×s则波长为0.01nm的光子能量为( )
液晶的电光特性实验报告含思考题
西安交通大学实验报告 第1页（共9页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日 专业班号______组别_______交报告日期：年月日 姓名__Bigger__学号__报告退发：（订正、重做） 同组者__________教师审批签字： 实验名称：液晶的电光特性 一、实验目的 1)了解液晶的特性和基本工作原理； 2)掌握一些特性的常用测试方法； 3)了解液晶的应用和局限。 二、实验仪器 激光器，偏振片，液晶屏，光电转换器，光具座等。 三、实验原理 液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状，长度在十几埃，直径为4～6埃， 液晶层厚度一般为5-8微米。排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向 列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆 甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。扭曲向列排列的液晶对入射光会 有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取 向夹角。 对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋 于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。这也称为退螺旋效应。由于 液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶 分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出 各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。
从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。根据液晶分子的结构特点,假定液晶分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图1中的排列形式。这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图1液晶分子的扭曲排列变化 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上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90°，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2；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阈值电压(U th)，标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉)，阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(U r)，标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，U r小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。对比度D r=I max/I min，其中I max为最大观察(接收)亮度(照度)，I min 为最小亮度。陡度β=U r/U th即饱和电压与阈值电压之比。
胆甾相液晶在显示中的应用
胆甾型液晶显示的研究及进展 摘要 胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子和周期性螺旋结构。在液晶相状态下具有独特的光学特性，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景。本文系统阐述了其在光学显示领域的研究进展 关键字：胆甾相液晶，用途，特性，进展 1.胆甾型液晶简介 液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质，具有光电动态散射特性；它有多种液晶相态，例如胆甾相，近晶相，向列相等。由于液晶分子的有序排列，使得其呈现有选择的散射，也因此使其具有显示功能的潜力。 胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子 和周期性螺旋结构。在液晶相状态下具有独特的光学特性，类似一维光子晶体，具有选择性布拉格反射，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景[1]。 2.胆甾型液晶组成及排列 2.1.胆甾型液晶组成 单一成分的胆甾型液晶：此类胆甾相液晶分子本身就具有旋光性，大部分是胆甾醇的卤化物、脂肪酸或碳酸酯等衍生物，分子结构通式如图2-1所示，其中-R1为饱和碳链, -R2为任意原子团[2]。 图2-1 胆甾醇酯分子通式 此外对氧化偶氮苯甲醚类、对正甲氧基苯甲醛类化合物，具有不对称碳原子，呈长棒状的化合物等通常都可能成为胆甾相液晶。 多组分的胆甾型液晶：为满足液晶各方面性质的要求，故用于显示的胆甾相液晶一般是混合物，可以由胆甾型液晶与胆甾型液晶互混而成，也可以通过向具
有不对称碳原子、存在相互成对应体的旋光异构体的向列相液晶分子中添加手性掺杂剂来获得[3]。 2.2.胆甾型液晶分子排列 胆甾型液晶具有层状的分子排列结构，层与层间相互平行，其分子细长，长轴具有沿某一优先方向取向，相邻两层分子间的取向不同，一般相差15°左右，且该优先方向取向在空间沿螺旋轴(光轴方向) 螺旋状旋转。这种特殊的螺旋状结构使得胆甾相晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性布拉格反射。 图2-2 胆甾型液晶分子排列 按照螺旋轴的取向，胆甾相液晶主要分为两种组织结构，一种是平面结构，其螺旋轴与基片垂直；另外一种是焦锥结构，其螺旋轴与基片平行。 图2-3 胆甾相液晶两种组织结构 3.胆甾型液晶特性及用途 由于液晶分子头尾、两侧所接分子基团的不同，使得分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的物化性质。因此，液晶分子在外场作用下表现出介电各向异性、磁各向异性以及光学折射率各向异性。 胆甾型液晶具有双稳态特性（SSCT、PSCT），这是其应用于电子纸显示的基础。在施加不同强度外电场作用的情况下，胆甾型分子的螺旋结构发生改变而分别呈现亮和暗的状态。在亮的状态下，液晶分子处于平面态，液晶分子螺旋轴与基板表面基本都垂直，这时若螺距与入射光波长相近或相等，满足布拉格反射条件，则该波长的入射光就会被反射。相反，如果螺旋轴与基板表面在暗态时基本都平行，液晶分子呈现不规则排列时，入射光被散射，或被下基板表面的吸收层所吸收，没有光线射出。作为一种反射式显示技术，胆甾型液晶显示可采用无源矩阵方式进行驱动，不需要背光源和偏振片。若需要获得彩色显示，可以通过
光分析习题解答
第二章 光学分析法导论 3、 计算：（1）670.7 nm 锂线的频率；（2）3300 cm -1谱线的波长；（3）钠588.99 nm 共振线的激发电 位。 解：（1）1141 101047.47.670100.3--?=??==s nm s cm c v λ （2）nm cm 303033001 1 1 == = -σ λ （3）J eV nm s cm s eV c h E 19-110151077.33107.299.588) 100.3()10136.4(?==?????=?=--λ 第三章 紫外－可见吸收光谱法 1、已知丙酮的正己烷溶液的两个吸收峰 138nm 和279nm 分别属于л→л*跃迁和n→л*跃迁，试计算л、n 、 л*轨道间的能量差，并分别以电子伏特（ev ），焦耳（J ）表示。 解：对于л→л*跃迁，λ1＝138nm ＝1.38×10－ 7m 则ν＝νC ＝C/λ1=3×108/1.38×10－ 7=2.17×1015s -1 则E=hv=6.62×10-34×2.17×1015=1.44×10-18J E=hv=4.136×10 －15 ×2.17×1015＝8.98ev 对于n→л*跃迁，λ2＝279nm ＝2.79×10－ 7m 则ν＝νC ＝C/λ1=3×108/2.79×10－ 7=1.08×1015s -1 则E=hv=6.62×10-34×1.08×1015=7.12×10-19J E=hv=4.136×10 －15 ×1.08×1015＝4.47ev 答：л→л*跃迁的能量差为1.44×10-18J ，合8.98ev ；n→л*跃迁的能量差为7.12×10-19J ，合4.47ev 。 2、何谓生色团及助色团？试举例说明。 生色团（Chromophore ）：分子中能吸收紫外或可见光的结构单元。生色团是指含有π键的不饱和基团。如--C=C--，苯等 助色团（Auxochrome ）：它们本身不能吸收紫外或可见光，但是当它们与生色团相连时能使化合物的λmax 向长波方向位移（红移）并增强其强度的官能团（氧、氮、卤素、硫等）。这些基团中都含有孤对电子。如-NH 2，-OH ，-SR ，-Cl 、-Br 、-I 等。 3、作为苯环的取代基，－NH 3＋ 不具有助色作用，－NH 2却具有助色作用；－OH 的助色作用明显小于 －O － 。试说明原因。 答：助色团中至少要有一对非键电子n ，这样才能与苯环上的л电子相互作用产生助色作用，由于 －NH 2中有一对非键n 电子，因此有助色作用，而形成－NH 3＋ 基团时，非键n 电子消失了，则助色作用也就随之消失了。 由于氧负离子O － 中的非键n 电子比羟基中的氧原子多了一对，因此其助色作用更为显著。 8、比较双波长分光光度计与双光束分光光度计有什么不同？
大物实验4——液晶的电光特性(二)
液晶的电光特性（二） 实验目的 1、测量液晶扭曲角； 2、对比度的测量； 3、上升沿时间T1 与下降沿时间T2的测量； 4、通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸； 5、观察、测量衍射斑的偏振状态； 实验原理 1、液晶的分类及特点： 大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。 根据排列的方式不同，液晶一般被分为三大类 1）近晶相液晶；这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。且垂直或倾斜于层面。 2）向列相液晶；这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再
分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。 3）胆甾相液晶；这种液晶的结构特点是：分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一种螺旋结构。 2、液晶盒： TN型液晶盒结构如图1所示 1.电极 2.液晶 3.7.配向膜 4.6玻璃 5.胶框 图1 TN型液晶盒结构图 在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，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，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，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度，所以称为扭曲向列型。 3、液晶对外电场的响应速度： 液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般来说液晶的响应速度是比较低的。我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度情况。 实验仪器介绍： 主机箱“液晶驱动电源”主要功能为液晶合的工作电压、间歇频率、驱动频率的调节，以及液晶合的工作状态等。各面板元器件作用与功能如下：液晶实验主机前面板 1）表头：3位半数字表头，用于指示液晶合工作电压的大小，可通过驱动电压旋钮进行调节。
(整理)光学分析习题
第二章 光分析方法导论 一、选择题 1、请按能量递增的次序，排列下列电磁波谱区：红外、射频、可见光、紫外、X 射线、微波、γ射线（ B ） A 、微波、射频、红外、可见光、紫外、X 射线、γ射线 B 、射频、微波、红外、可见光、紫外、X 射线、γ射线 C 、γ射线、X 射线、紫外、可见光、红外、微波、射频 D 、γ射线、X 射线、紫外、可见光、红外、射频、微波 2、请按波长递增的次序，排列下列电磁波谱区：红外、射频、可见光、紫外、X 射线、微波、γ射线（ C ） A 、微波、射频、红外、可见光、紫外、X 射线、γ射线 B 、射频、微波、红外、可见光、紫外、X 射线、γ射线 C 、γ射线、X 射线、紫外、可见光、红外、微波、射频 D 、γ射线、X 射线、紫外、可见光、红外、射频、微波 3、请按能量递增的次序，排列下列电磁波谱区：远红外、可见光、近紫外、近红外、远紫外（ A ） A 、远红外、近红外、可见光、近紫外、远紫外 B 、远红外、近红外、可见光、远紫外、近紫外 C 、远紫外、近紫外、可见光、近红外、远红外 D 、近紫外、远紫外、可见光、近红外、远红外 4、请按波长递增的次序，排列下列电磁波谱区：远红外、可见光、近紫外、近红外、远紫外（ C ） A 、远红外、近红外、可见光、近紫外、远紫外 B 、远红外、近红外、可见光、远紫外、近紫外 C 、远紫外、近紫外、可见光、近红外、远红外 D 、近紫外、远紫外、可见光、近红外、远红外 5、下列哪种光谱分析法不属于吸收光谱（ A ） A 、分子荧光光谱法 B 、紫外-可见分光光度法 C 、原子吸收光谱法 D 、红外吸收光谱法 6、下列哪种光谱分析属于发射光谱法（ C ） A 、紫外-可见分光光度法 B 、原子吸收分光光度法 C 、原子荧光光谱法 D 、激光拉曼光谱法 7、某分子的转动能级差0.05eV E ?＝，产生此能级跃迁所需吸收的电磁辐射的波长为（ B ） A 、2.48μm B 、24.8μm C 、248μm D 、2480μm 8、产生能级差 2.5eV E ?＝的跃迁所需吸收的电磁辐射的频率为（ B ） A 、Hz 100.613? B 、Hz 100.614 ? C 、Hz 100.615? D 、Hz 100.616?
胆甾相液晶可见光布拉格反射实验
胆甾相液晶可见光布拉格反射实验 阮 亮 丁慎训 杨秀珍 (清华大学现代应用物理系，北京 100084) 摘 要 胆甾相液晶可见光反射行为，在某种意义上与晶体粉末样品X光衍射相似，本文主要提供一个巧妙而又直观的布拉格反射实验方法，并测量胆甾相结构周期——螺距与温度的关系，进而揭示胆甾相液晶热色效应的机理. 关键词 胆甾相液晶；布拉格反射 分类号 O 734.2 研究布拉格反射规律通常是使用X射线或微波，本文则提供了一个更直观的实验来达到这一目的.实验用胆甾相的多畴螺旋结构代替晶体粉末样品，由胆甾相螺旋结构的周期——半螺距P/2代替晶体的晶格常数a，用可见光来代替X射线或微波，既可用肉眼观察，又可用实验装置定量的测量. 为了进一步阐明实验原理，有必要对物质中介态——液晶态作一简单介绍.某些具有各向异性的分子(如棒状、板状、盘状)组成的有机化合物可以为液晶，它是一个介于固相和液相之间的中介相，加热过程中液晶有一个固相到液晶相转变的温度T m(熔点)，继而有一个液晶相到各向同性液相的转变温度T c(清亮点——由混浊的液晶相变为清彻透明的液相而得名)，因此，仅在T m～T c温度范围内为液晶相.它具有晶体的各向异性，又具有液体的流动性，此类液晶属热致液
晶，其结构可分为三大类：近晶型、向列型、胆甾型，分别如图1的(a)、(b)、(c).向列相中长棒状分子的位置是无序的， 图1 液晶的分子排列 但分子取向是有序的，沿某一从优方向取向，此从优方向用一单位矢量n(称为指向矢)来描述，液晶相中n和-n是不可区别的.胆甾相可以认为是螺旋向列相，指向矢n在空间不是恒定的，沿螺旋轴(光轴)螺旋状旋转.胆甾相结构沿光轴呈周期变化，由于n和-n的等价性，所以其重复周期为半螺距P/2.由于其结构的特征，胆甾相光学性质是独特的，指向矢n旋转上千圈/mm；又由于半螺距的典型值约为 3 000，它远大于分子的线度，与可见光波长相当，所以这种周期结构可以产生可见光的布拉格反射.当然，胆甾相螺距由材料本身的组分确定，并随外界温度(电场、磁场等因素)而变化，产生色彩鲜明的布拉格反射谱，形成有趣而实用的胆甾相热色(温度)效应(电光、磁光效应)，较固定晶格常数的晶体具有更丰富、更奇妙的性质.
液晶的电光特性实验报告含思考题
液晶的电光特性实验报 告含思考题 Revised as of 23 November 2020
西安交通大学实验报告 第 1 页（共 9 页） 课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日 专业班号______组别_______交报告日期：年月日 姓名__Bigger__学号__报告退发：（订正、重做） 同组者__ ________教师审批签字： 实验名称：液晶的电光特性 一、实验目的 1)了解液晶的特性和基本工作原理； 2)掌握一些特性的常用测试方法； 3)了解液晶的应用和局限。 二、实验仪器 激光器，偏振片，液晶屏，光电转换器，光具座等。 三、实验原理 液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状，长度在十几埃，直径为4～6埃， 液晶层厚度一般为5-8微米。排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲 向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天 然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。扭曲向列排列的液晶对入 射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲 方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两 基片之间的取向夹角。
对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。这也称为退螺旋效应。由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。根据液晶分子的结构特点,假定液晶分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图1中的排列形式。这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图1 液晶分子的扭曲排列变化 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上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
第二章 光学分析法导论
第二章 光学分析法导论 1、解释下列名词 （1）原子光谱和分子光谱 （2）发射光谱和吸收光谱 （3）统计权重和简并度 （4）分子振动光谱和分子转动光谱 （5）禁戒跃迁和亚稳态 （6）光谱项和光谱支项 （7）分子荧光、磷光和化学发光 （8）拉曼光谱 答：（1）由原子的外层电子能级跃迁产生的光谱称原子光谱； 由分子成键电子能级跃产生的光谱称分子光谱。 （2）原子受外界能量（如热能、电能）作用时，激发到较高能态，但很不稳定，再返回基态或较低能态而发射特征谱线形成的光谱称原子发射光谱。 由基态原子蒸气选择性地吸收一定频率的光辐射后跃迁到较高能态产生的原子特征光谱称原子吸收光谱。 （3）由能级简并引起的概率权重称为统计权重。 在磁场作用下，同一光谱支项会分裂成2J+1个不同的支能级，2J+1称为简并度。 （4）由分子在振动能级间跃迁产生的光谱称分子振动光谱； 由分子在不同转动能级间跃迁称分子转动光谱。 （5）不符合光谱选择定则的跃迁叫禁戒跃迁； 若两光谱项之间为禁戒跃迁，处于较高能级的原子有较长寿命，称为亚稳态。 （6）光谱项：用n 、L 、S 、J 四个量子数来表示能量状态，符号n 2S+1L J ； 光谱支项： J 值不同的光谱项。 （7）荧光和磷光都是光致发光。 荧光是物质的基态分子吸收一定波长范围的光辐射激发至单重激发态，再由激发态回到基态产生的二次辐射； 磷光是单重激发态先过渡到三重激发态，再由三重激发态向基态跃迁产生的光辐射； 化学发光是化学反应物或产物受反应释放的化学能激发产生的光辐射。 （8）拉曼光谱：入射光子与溶液中试样分子间非弹性碰撞引起能量交换而产生的与入射光频率不同的散射光谱。 2、阐明光谱项中各符号的意义和计算方法。 答：光谱项：n 2S+1L J ； 其中 n 为主量子数，与个别单独价电子的主量子数相同，取值仍为1，2，3，…任意正整数。 L 为总角量子数，其数值为外层价电子角量子数l 的矢量和，即：∑=i i l L 两个价电子耦合所得的总角量子数与单个价电子的角量子数l 1、l 2有如下的取值关系： L = (l 1+l 2)，(l 1+l 2 －1)，(l 1+l 2 －2)，…，｜l 1－l 2｜ 其值可能为L ＝0，1，2，3，…，相应的光谱项符号为S ，P ，D ，F ，…。若价电子数为3时，应先把2个价电子的角量子数的矢量和求出后，再与第三个价电子求出矢量和，就是3个价电子的总角量子数，依此类推。 S 为总自旋量子数，价电子自旋与自旋之间的相互作用也是较强的，多个价电子的总自旋量子数是单个价电子量子数m s 的矢量和，即：∑=i i s m S ,
胆甾相液晶的光学性质
?一、胆甾相液晶的光学性质 胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。 （1）选择性反射 有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。这是它选择反射某些波长的光的结果。实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。 一级反射光的波长为： λ=2nPsinφ 其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为 入射波与液晶表面的夹角。 （2）旋光效应 在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。 （3）圆二色性 圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。 二、胆甾相液晶的电光效应
光学分析法导论发射光谱习题
第二章光学分析法导论习题（P223） 1、光谱法的仪器由哪几部分组成？它们的作用是什么？ 2、单色器由几部分组成？它们的作用是什么？ 3、简述光栅和棱镜分光的原理。 4、影响光栅色散率（线色散率）的因素有哪些？线色散率的单位是什么？ 5、波长为500nm和520nm的光谱线垂直照射到光栅上，经焦距为两米的成像物镜系统进 行光谱测量，若光栅刻线数分别为600条/mm，1200条/mm，问一级光谱和二级光谱中这两条线之间的距离为多少？ 6、一台配有长63.5mm，刻线数为600条/mm光栅的光谱仪，理论上至少要用哪一级光谱 才能分辨开309.990nm和309.997nm的铁双线？ 7、某光谱仪光栅长5cm，刻线数为1000条/mm，暗箱物镜焦距为1m，光线垂直光栅入射， 问分别用一、二级光谱时在衍射为30°处的波长各为多少？在此波长下所能分辨开的最小波长差各为什么？此时的倒线色散率为多大？ 第三张原子发射光谱法习题（P242） 1、光谱项的意义是什么？ 2、光谱分析常用的激发光源有哪几种？比较它们各自的特点？ 3、发射光谱分析中，如何选择分析线和分析线对？ 补充题 1、原子发射光谱是怎样产生的？其特点是什么？ 2、原子发射光谱仪由哪几部分组成？其主要作用是什么？ 3、名词解释：（1）激发电位；（2）电离电位；（3）原子线；（4）；离子线；（5）共振线；（6） 灵敏线（7）等离子体；（8）自吸；（9）基体效应 4、简述ICP的形成原理及其特点。 5、光谱定性分析摄谱时，为什么要使用哈特曼光阑？为什么要同时摄取铁光谱？ 6、光谱定量分析的依据是什么？为什么要采用内标法？简述内标法的原理。 7、为什么原子发射光谱可采用内标法来消除实验条件的影响？ 8、采用原子发射光谱分析下列试样时，选用什么光源为宜？ （1）矿石中组分的定性、半定量分析； （2）合金中铜的质量分数（10-2数量级） （3）钢中锰的质量分数（10-4~10-3数量级） （4）污水中的Cr、Mn、Cu、Fe等的质量分数（10-6~10-3数量级） 9、某合金中Pb的光谱的定量测定，以Mg作为内标，实验测得数据如下：根据下面数据，（1） 绘制工作曲线； （2）求溶液中A、B、C的质量浓度。 溶液黑度计读数（透光率）Pb的浓度（mg mL-1） Mg Pb 1 7.3 17.5 0.151 2 8.7 18.5 0.201 3 7.3 11.0 0.301 4 10.3 12.0 0.402 5 11. 6 10.4 0.502 A 8.8 15.5 B 9.2 12.5 C 10.7 12.2