第17卷 第3期2002年6月 液 晶 与 显 示Chine Journal of Liquid Crystals and Displays Vol .17,No .3 Jun .,2002文章编号:1007-2780(2002)03-0193-06
胆甾相液晶的光学特性十二月份英文
李昌立，孙 晶，蔡红星，翁占坤，高俊杰
(长春光学精密机械学院，吉林长春 130022)
摘 要：基于胆甾相液晶的特殊分子结构，综合阐述了胆甾相液晶的旋光性、选择性光散射和
偏振光二色性等光学特性，揭示了它的光学特性主要源于它螺旋状的分子结构及其光学各相房屋设计图片
异性。
关键词：胆甾相液晶；选择性光散射；螺距；布喇格反射
中图分类号:O753.2 文献标识码:A
收稿日期:2001-12-02；修订日期:2001-12-26
1 引 言
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，又具有晶体的光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料
[1]，具有明显的热光效应、电光效应、电热光效应[2]、磁光效应[3]、压光效应[4,5]等。较一般液晶不同的是它具有螺旋状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。2 胆甾相液晶
胆甾相液晶也称螺旋状液晶，是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物(酯化物或卤代物)以及分子内具有不对称碳原子的高分子化合物，它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。因此，各层间的取向渐变可连成一条空间扭曲的螺旋线，该液晶整体形成螺旋结构(如图1)。
设胆甾相液晶的优先方向(指向矢)为n ，螺距为p ，由于在液晶相中，胆甾相结构沿指向矢方向呈周期性变化，且n 和-n 具有等价性，所以，其螺距周期为p 2，其典型值约为0.3μm ，远远大于分子线度，为可见光波长数量级。因此，胆甾相液晶分子这种周期性的螺旋结构可对可见光产生布喇格(Bragg )反射
[6,7]，使其具有旋光性、选择性光散射和偏
振光二色性等光学特性。
图1 胆甾相液晶的分子结构模型
Fig .1 M olecular structure model of cho lesteric liquid crystal
3 胆甾相液晶的光学性质
由于胆甾相液晶特殊的分子结构以及光学的各向异性，决定了它具有晶体的旋光性、偏振光二色性和它本身特有的选择性光散射等性质。
3.1 使入射光在光前进方向上沿指向矢n (分子长轴)方向偏转
[2]当光线垂直射入两个各向同性均匀介质时(如图2a )，即使折射率不同，光线仍按原方向前进。而对于各向异性的液晶物质，就要考虑分子轴和入射光的方向问题。如果偏振光沿光轴方向(分子长轴方向)入射时(如图2b )，光仍按原方向前进。而光在液晶中传输时，存在着平行于指向矢n 的折射率n
和垂直于指向矢n 的折射率n ⊥,(如图2c )，因此有v =c n ⊥和v ⊥=c ⊥ n ，其中c =
c cos θ,c ⊥=c sin θ(c 真空中光速)，且光在介质中传输，光速总是与折射率成反比，所以v >v ⊥，使入射光在传播过程中沿n 方向发生偏转。同理，对于图2c ′状态下,v 和v ⊥分别由c n ⊥和c ⊥ n 决定
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。
图2 胆甾相液晶中入射光线的前进方向
Fig .2 T he adv ance directio n of incident light in cho lesteric liquid crystal
3.2 能够改变入射光的偏振态(线偏光、圆偏光、椭圆偏光)或改变偏振光的振动方
向[2,8,9]如图3所示，液晶分子的n 与X 轴平行，当线偏振光沿Z 方向入射时，其振动方向与
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图3 胆甾相液晶中入射光的偏振态和偏振方向的变化
Fig .3 T he change of polarization state and polarization direction of the incident light in cholesteric liquid cry stal X 轴成θ角。在液晶中，沿Z 轴方向入射的
电场矢量为E 0，则在0<Z <Z 0范围内，入射
线偏振光在X ,Y 方向上的电场分量为
E X =E 0cos θsin (ωt -k z ) (1)
E Y =E 0sin θsin (ωt -k ⊥z ) (2)
式中,E 为电场强度,ω为光的角频率,k =ωn
c 和k ⊥=ωn ⊥ c 。将式(1)、式(2)改写为不含有ωt
-k z 和ω
t -k ⊥z 项的形式，则E X cos θ2+E Y sin θ2-2E X E Y cos δsin θcos θ
=E 2
0sin 2δ(3)式(3)中,δ(光程差)=(k -
k ⊥)z 。在1 4周期内，当θ=0或θ=π 2时，入射线偏振光的振动方向不变，而当θ=π 2时，式(3)可改写为
E 2
X +E 2Y -2E X E Y cos δ=E 20sin 2δ2(4)
随着光沿Z 方向的前进，偏振光相继出现直线—椭圆—圆—椭圆—直线偏振态，同时偏振方向也发生相应的改变。
3.3 使入射的椭圆偏振光产生相应的反射或透射现象
临江仙辛弃疾[6]外界条件除了引起胆甾相液晶折射率各向异性外，对其螺距也产生非常独特的影响。
胆甾相液晶的螺距随外界环境(温度、压力、磁场、电场等)的变化而变化[3,10,11](如图4、图
5)。
胆甾相液晶的螺距对其光学性质的影响非常重要，光透射和选择性光散射的特性主要由其螺距决定。对于螺距p 与入射光波长相近的右旋胆甾相液晶，若左旋光(与扭曲方向成反旋状态的光)入射时，则产生光透射；若右旋光入射时，则产生与布喇格反射相同的光散射。如图6所示，当液晶薄膜受光照时，入射角为θi ，散射角为θs ，则选择反射可见光的波长(一级布喇格反射波长)为
λ= n p cos sin -1sin θi n +sin -1sin θs n 2(5)
式中 n 为与螺旋轴相垂直平面内的平均折射率,θi 为光的入射角,θs 为光的散射角,p 为螺距。对于固定的系统,θi ,θs ,
n 为常量。所以液晶选择性光散射的波长只与螺距p 有关。
式(5)中，当余弦项等于1时，胆甾相液晶选择反射光的峰值波长为
λm = n p (7)
改变液晶所处的外界条件，引起液晶螺距的变化(如图4、图5)，液晶选择反射可见光的峰值波长λm 也随之变化(如图7)。当温度升高时，液晶螺距变短，螺旋绕紧，反射光的峰值波长向短波方向移动；反之，温度降低时，向长波方向移动。随着温度的变化，反射出不同
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195第3期 李昌立，等：胆甾相液晶的光学特性其其格玛
图4 几种典型胆甾相液晶材料的螺距与温度的
关系。1.胆甾醇壬酸酯;2.胆甾醇癸酸酯;
3.胆甾醇壬酸酯74～76℃。
F ig .4 T he relation between pitch and temperature
of veral typical cholesteral liquid cry stal
materials .1.cholesteryl
nonanoate ;2.cholesteryl
decanoate ;3.cho lestery l nonanoate 74～76℃.图5 胆甾相PAP CA 的螺距随外加电场E E c 的变化(p 0是本征螺距,E c 是阈值电场)Fig .5 T he pitch of cholestery l pha PAP CA with the change of applied electric field (p 0is intrinsic pitch ;E c is threshold electric field
)
图6 胆甾相液晶的布喇格反射(假定所有光线都平行于纸面)
Fig .6 Bragg reflection of cholesteric liquid crystal (supposing all lights being parallel to the paper )
颜色的可见光。其温度灵敏度及工作温度范围可以通过选择不同的液晶及其混合物的不同配比来控制。
当胆甾相液晶的螺距和入射光的波长一致时，液晶对这种波长的光选择反射最强，利用这一特性来提高观察的对比度。如图8a 所示，若在一液晶膜上有T A ,T B 两个温度区域，则液晶就有两条不同的反射曲线A ,B (如图8b )。在二曲线较明显的区域内，选一波长λ0，则得到与反射强度I 相对应的I A ,I
B ，且I A ,I B 的差别较大，这样，在波长为λ0的光波照射下，出现较T A 亮得多的T B 区。若把T A 控制的足够低，就可得到较清晰的可见光T B 的像(如图8a )。若在复色光的照射下，液晶则选择反射不同峰值波长的可见光(如图8b )，显示出不同的颜色(如图8a )。
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图7 几种典型胆甾相液晶材料的最大反射波
长与温度的关系,1.胆甾醇壬酸酯74～
76℃;2.胆甾醇癸酸酯;3.胆甾醇壬酸酯
Fig .7 The relation between the long est reflex
w avelength and temperature of veral
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typical cholesteral liquid cry stal
materials .1.cholesteryl nonanoate 74～
76℃;2.cholesteryl
decanoate ;3.
cholestery l no nanoate
.图8 热色液晶选择反射成像原理(横轴表示反射光波长，纵轴表示反射光强度)
Fig .8 T he lectiv e reflection imaging principle of thermochromatic liquid cry stal (the abscissa
reprents reflection w avelength ,the o rdinate reprents reflectio n intensity ).
4 结 论
环视的近义词胆甾相液晶分子独特的螺旋状结构决定了它特殊的光学特性。选择性光散射、偏振光二色性、旋光性、双折射性等性质是其他物质所没有的。在可见光、红外光、电场、磁场等作用下呈现出在许多领域具有实用价值的非线性光学效应，例如红外激光束斑显示、温度计、变色服饰(迷彩、伪装)、电场
检测、磁场检测、甚至有希望制成红外热像仪器件等。其广泛的应用前景注定了它在材料领域不可替代的作用，随着材料科学的日新月异以及胆甾相液晶新材料的不断出现，它各方面的性质将得到更加深入的研究，其优良的非线性及布喇格散射等特性将给显示领域带来新的革命。
参 考 文 献:
[1]Pascal Hubert ,Pontus J ‐gemalm ,Claudio Oldano ,et al .Optic models for short -pitch and chiral smectic liquid crystals 197
第3期 李昌立，等：胆甾相液晶的光学特性
