„Folyadékkristályok vizsgálata” változatai közötti eltérés
| 40. sor: | 40. sor: | ||
A folyadékkristály (LC = Liquid Crystal) olyan állapota az anyagnak, ami a kristályos szilárd állapot és az amorf folyadék állapot között van. A nematikus LC-k szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tűszerű molekulákból állnak. A molekulák orientációja (irányítottsága) könnyen egy irányba rendezhető és szabályozható elektromos erőtér segítségével. Az LC eszközökhöz azonos vagy jól meghatározott orientációjú LC molekulákra van szükség. A méréshez használt LC cella felépítése az ''1. ábrán'' látható. Az üveg hordozólemezeket először egy vékony, elektromosan vezető, de optikailag átlátszó indium-ón-oxid (ITO = Indium-Tin-Oxide) réteggel vonják be, majd egy vékony polyimid (PI) rendező réteget alakítanak ki. Ezután a PI réteg felszínét megcsiszolják, és ezzel mikroszkopikus árkokat alakítanak ki rajta. Ezek az árkok rendezik egy irányba az LC molekulákat, melyeket szendvicsszerűen két hordozó közé helyeznek. Ezzel a csiszolásos módszerrel a kívánt irányba orientált, jól rendezett LC-molekulák kerülnek a hordozók felszínére, és a molekulák közt ható erők hatására az egész LC-hasáb azonos orientációjú lesz. Egy adott helyen a molekula-orientációt az LC adott helyen lévő direktorának nevezik. | A folyadékkristály (LC = Liquid Crystal) olyan állapota az anyagnak, ami a kristályos szilárd állapot és az amorf folyadék állapot között van. A nematikus LC-k szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tűszerű molekulákból állnak. A molekulák orientációja (irányítottsága) könnyen egy irányba rendezhető és szabályozható elektromos erőtér segítségével. Az LC eszközökhöz azonos vagy jól meghatározott orientációjú LC molekulákra van szükség. A méréshez használt LC cella felépítése az ''1. ábrán'' látható. Az üveg hordozólemezeket először egy vékony, elektromosan vezető, de optikailag átlátszó indium-ón-oxid (ITO = Indium-Tin-Oxide) réteggel vonják be, majd egy vékony polyimid (PI) rendező réteget alakítanak ki. Ezután a PI réteg felszínét megcsiszolják, és ezzel mikroszkopikus árkokat alakítanak ki rajta. Ezek az árkok rendezik egy irányba az LC molekulákat, melyeket szendvicsszerűen két hordozó közé helyeznek. Ezzel a csiszolásos módszerrel a kívánt irányba orientált, jól rendezett LC-molekulák kerülnek a hordozók felszínére, és a molekulák közt ható erők hatására az egész LC-hasáb azonos orientációjú lesz. Egy adott helyen a molekula-orientációt az LC adott helyen lévő direktorának nevezik. | ||
| − | Az LC cellában megfigyelhető az ún. kettőstörés jelensége, amikor az anyagnak kétféle fő törésmutatója van. Ha a fény a direktor irányában terjed, akkor az összes polarizációs összetevő ugyanakkora $ | + | Az LC cellában megfigyelhető az ún. kettőstörés jelensége, amikor az anyagnak kétféle fő törésmutatója van. Ha a fény a direktor irányában terjed, akkor az összes polarizációs összetevő ugyanakkora $v_o=\frac{c}{n_o}$ sebességgel terjed, ahol $n_o$ az ordinárius (rendes) törésmutató. Ezt a terjedési irányt (a direktor irányát) nevezik a cella optikai tengelyének. Ha a fény az optikai tengelyre merőleges irányba terjed, akkor két terjedési sebesség van. A fény elektromos mezejének az optikai tengelyre merőlegesen polarizált része ekkor is $v_o$ sebességgel halad, az optikai tengellyel párhuzamosan polarizált rész sebessége viszont $v_e=\frac{c}{n_e}$, ahol $n_e$ az extraordinárius (különleges) törésmutató. Az optikai anizotrópia (pontosabban annak mértéke) az extraordinárius és az ordinárius törésmutató különbsége: $\Delta n= n_e – n_o$. |
Az LC cella optikai viselkedése a cella elé helyezett polarizátor és a cella mögé helyezett analizátor polárszűrők segítségével vizsgálható. | Az LC cella optikai viselkedése a cella elé helyezett polarizátor és a cella mögé helyezett analizátor polárszűrők segítségével vizsgálható. | ||
| 56. sor: | 56. sor: | ||
====Homogén, párhuzamosan rendezett LC cella==== | ====Homogén, párhuzamosan rendezett LC cella==== | ||
| − | A párhuzamosan rendezett LC cella esetében az elülső és a hátsó hordozón lévő direktorok párhuzamosak egymással. Ha egy polarizált fénysugár úgy esik a párhuzamosan rendezett cellára, hogy polarizációs iránya | + | A párhuzamosan rendezett LC cella esetében az elülső és a hátsó hordozón lévő direktorok párhuzamosak egymással. Ha egy polarizált fénysugár úgy esik a párhuzamosan rendezett cellára, hogy polarizációs iránya párhuzamos az LC cella direktorával (a csiszolt vájatok irányával), akkor semmi lényeges változás nem történik, mivel a fény tisztán extraordinárius sugárként viselkedik. |
| − | + | ||
| + | Másrészt, ha egy lineárisan polarizált fénysugár merőlegesen esik a párhuzamosan rendezett cellára, de polarizációs iránya $\theta=45^\circ$ szöget zár be a cella direktorának irányával (''3. ábra''), akkor fáziskülönbség ($\delta$) lép fel az extraordinárius és az ordinárius sugarak különböző terjedési sebessége miatt. Ebben a $\theta=45^\circ$-os elrendezésben, ha a két polárszűrő egymással párhuzamos ill. merőleges, akkor a rendszer fényáteresztő képességét a következő összefüggések írják le: | ||
| + | $$ T_\parallel = 1-\sin^2 2\theta \sin^2 \frac{\delta}{2} = \cos^2 \frac{\delta}{2}, $$ | ||
| + | $$ T_\perp= \sin^2 2\theta \sin^2 \frac{\delta}{2} = \sin^2 \frac{\delta}{2}, $$ | ||
| + | ahol $\parallel$ és $\perp$ az analizátor és a polarizátor polarizációs irányának párhuzamos ill. merőleges állására utal. | ||
| + | A $\delta$ fáziskülönbség kifejezhető: | ||
| + | |||
| + | $$ \delta = \frac{2\pi d \Delta n(V,\lambda)}{\lambda}, $$ | ||
| + | |||
| + | ahol $d$ az LC réteg vastagsága, $\lambda$ a fény hullámhossza levegőben, $V$ a váltakozó feszültség effektív értéke, és $\Delta n$ (ami $\lambda$ és $V$ függvénye) az LC cella optikai anizotrópiájának mértéke. Azt is meg kell jegyezni, hogy ha $V = 0$, akkor $\Delta n$ maximális, és így $\delta$-nak is ekkor van maximuma. Tehát $\Delta n$ csökken, ha $V$ növekszik. | ||
| + | |||
| + | ===A méréshez használt egyéb optikai eszközök=== | ||
| + | |||
| + | ====Lézerdióda==== | ||
| + | |||
| + | A méréshez használt fényforrás egy 650 nm hullámhosszúságú félvezető lézer. Ha a lézerdióda (LD) árama nagyobb egy küszöbáramnál (threshold current), a dióda monokromatikus, részlegesen polarizált, koherens fényt bocsát ki. Ha a lézerdióda árama kisebb a küszöbértéknél, a kibocsátott fény intenzitása nagyon kicsi. A küszöbáram felett a fényerősség az áramerősség növekedésével rohamosan nő, és a két mennyiség között lineáris kapcsolat van, egészen egy $I_m$ áramértékig. Ha az áram tovább nő, a fényerősség növekedési üteme a lézerdióda melegedése miatt (kis mértékben) csökken. A lézerdióda optimális működési tartománya az, ahol a fényerősség lineárisan függ az áramerősségtől. Az $I_{th}$ küszöbáram definíció szerint az áramerősség tengely és a lineáris tartományra illesztett egyenes meghosszabbításának metszéspontja. | ||
| + | A lézerfény csak részlegesen polarizált. A polarizáció mértékét a $\beta= p \mathcal{I_P}/ ( \mathcal{I_P} + \mathcal{I_u})$ aránnyal lehet jellemezni, ahol $\mathcal{I_P}$ és $\mathcal{I_u}$ a lézerfény polarizált és polarizálatlan összetevőjének intenzitása. | ||
| + | |||
| + | ====Fotodetektor==== | ||
| + | |||
| + | A méréshez használt fotodetektor egy fotodiódából és egy áramerősítőből áll. Ha a fotodiódára tápfeszültség van kapcsolva, akkor a diódára eső fény hatására áram generálódik (fotoáram). Állandó hőmérsékleten, monokromatikus fény estében a fotoáram egyenesen arányos a fényintenzitással. Az áramerősítő ezt a fotoáramot egy kimenő feszültségjellé alakítja. A fotodetektor kétféle erősítéssel működhet: "''high''" és "''low''". Azonban a fotodióda tulajdonságai miatt, ha a fényerősség nagyon nagy, a kimenő feszültség 8 V tájékán telítődik (nem nő tovább), ilyenkor a fotodióda már nem működik helyesen. Emiatt a fotodetektor akkor működik megfelelően, amikor a lineáris tartományban van. Ha a fényerősség olyan nagy, hogy a fotodióda eléri a telítődést, akkor a fotodetektor már nem mutatja helyesen a fényintenzitást. | ||
| + | |||
| + | A lézerdióda (LD) és a fotodetektor (PD) elrendezése és elektromos kapcsolása a ''4.'' és ''5. ábrán'' látható. | ||
| + | |||
| + | ====Polárszűrők==== | ||
| + | |||
| + | A forgatható foglalatba szerelt polárszűrők az áthaladó fényt lineárisan polarizálják. Az első polárszűrőt polarizátornak, a másodikat analizátornak szokás nevezni, de felépítésük azonos. A polárszűrő (''P'') optikai elrendezése a ''6. ábrán'' látható. | ||
| + | |||
| + | ==Mérési feladatok== | ||
| + | |||
| + | *''A mérés elvégzéséhez és a mérési napló elkészítéséhez a dőlt betűs részekben adunk segítséget.'' | ||
| + | |||
| + | ===A lézerdióda és a fotodetektor beállítása és vizsgálata=== | ||
| + | |||
| + | '''1.''' Szereld fel a lézerdiódát és a fotodetektort egy vízszintes egyenes mentés az optikai sínre, ahogy a 4. ábrán látható! Állítsd a fotodetektort „high” állásba, és csatlakoztasd a ki-menetére a voltmérőt. Kapcsold be a lézerdiódát és a fotodetektort! Állítsd be a lézerdióda és a fotodetektor ma-gasságát úgy, hogy a lézersugár vízszintes legyen. A lézerdi-ódán lévő csavarok segítségével állítsad be, hogy a lézerfény a detektoron lévő kis lyukba jusson, és a fotodetektor maximális értéket mutasson! | ||
A lap 2012. október 4., 14:22-kori változata
Szerkesztés alatt!
A mérés célja
- megismerkedni a folyadékkristályok tulajdonságaival és egyszerű elektrooptikai mérésekkel.
Ennek érdekében
- röviden bemutatjuk a nematikus folyadékkristály tulajdonságait,
- optikai és elektrooptikai méréseket végzünk különböző folyadékkristály cellákkal,
- kiértékeljük a mérési eredményeket.
Tartalomjegyzék |
Elméleti összefoglaló
Folyadékkristály
A folyadékkristály (LC = Liquid Crystal) olyan állapota az anyagnak, ami a kristályos szilárd állapot és az amorf folyadék állapot között van. A nematikus LC-k szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tűszerű molekulákból állnak. A molekulák orientációja (irányítottsága) könnyen egy irányba rendezhető és szabályozható elektromos erőtér segítségével. Az LC eszközökhöz azonos vagy jól meghatározott orientációjú LC molekulákra van szükség. A méréshez használt LC cella felépítése az 1. ábrán látható. Az üveg hordozólemezeket először egy vékony, elektromosan vezető, de optikailag átlátszó indium-ón-oxid (ITO = Indium-Tin-Oxide) réteggel vonják be, majd egy vékony polyimid (PI) rendező réteget alakítanak ki. Ezután a PI réteg felszínét megcsiszolják, és ezzel mikroszkopikus árkokat alakítanak ki rajta. Ezek az árkok rendezik egy irányba az LC molekulákat, melyeket szendvicsszerűen két hordozó közé helyeznek. Ezzel a csiszolásos módszerrel a kívánt irányba orientált, jól rendezett LC-molekulák kerülnek a hordozók felszínére, és a molekulák közt ható erők hatására az egész LC-hasáb azonos orientációjú lesz. Egy adott helyen a molekula-orientációt az LC adott helyen lévő direktorának nevezik.
Az LC cellában megfigyelhető az ún. kettőstörés jelensége, amikor az anyagnak kétféle fő törésmutatója van. Ha a fény a direktor irányában terjed, akkor az összes polarizációs összetevő ugyanakkora 
sebességgel terjed, ahol 
az ordinárius (rendes) törésmutató. Ezt a terjedési irányt (a direktor irányát) nevezik a cella optikai tengelyének. Ha a fény az optikai tengelyre merőleges irányba terjed, akkor két terjedési sebesség van. A fény elektromos mezejének az optikai tengelyre merőlegesen polarizált része ekkor is 
sebességgel halad, az optikai tengellyel párhuzamosan polarizált rész sebessége viszont 
, ahol 
az extraordinárius (különleges) törésmutató. Az optikai anizotrópia (pontosabban annak mértéke) az extraordinárius és az ordinárius törésmutató különbsége: 
.
Az LC cella optikai viselkedése a cella elé helyezett polarizátor és a cella mögé helyezett analizátor polárszűrők segítségével vizsgálható.
90°-kal elcsavart nematikus LC cella
A 
-kal elcsavart nematikus cellában (2. ábra) (TN = Twisted Nematic) a hátsó felület LC direktora -kal el van forgatva az első felülethez képest. Elől a helyi direktor párhuzamos a polarizátor (első polárszűrő) polarizációs irányával. A belépő polarizálatlan fény az első polárszűrőben lineárisan polarizált fénnyé változik.
Ha egy lineárisan polarizált fény halad át egy TN cellán, akkor polarizációs iránya követi az LC direktorának csavarodását (a polarizált fény csak -t érzékeli), így a kilépő fénysugár is lineárisan polarizált marad, csak polarizációs iránya -kal elfordul. (Ezt által okozott polarizációs forgató hatásnak nevezzük, ehhez hasonlóan van által okozott forgató hatás is.) Eszerint a TN cella normál fekete (NB = Normal Black) üzemmódjához az analizátor (a második polárszűrő) polarizációs irányát párhuzamosra kell állítani a polarizátor (az első polárszűrő) polarizációs irányával.
Azonban ha az LC cellára kapcsolt 
feszültség értéke elér egy kritikus 
értéket, az LC molekulák igyekeznek beállni az alkalmazott külső elektromos tér irányába, ami itt megegyezik a fény terjedési irányával. Ennél fogva az LC cella polarizációs irányt elforgató hatása folyamatosan csökken, és a fény átjuthat az analizátoron (a második polárszűrőn). A cella elektro-optikai kapcsolási meredekségét a 
képlet definiálja, ahol 
és 
azok a feszültségek, ahol a cellán áthaladó fény intenzitása eléri a maximális fényintenzitás 10 %-át illetve 90 %-át.
Megjegyzendő, hogy egyenfeszültség alkalmazása esetén elektrolízis indulna be a cellában, mely a cella károsodásához vezetne. Emiatt a cella kapcsolásához váltófeszültséget használunk.
Homogén, párhuzamosan rendezett LC cella
A párhuzamosan rendezett LC cella esetében az elülső és a hátsó hordozón lévő direktorok párhuzamosak egymással. Ha egy polarizált fénysugár úgy esik a párhuzamosan rendezett cellára, hogy polarizációs iránya párhuzamos az LC cella direktorával (a csiszolt vájatok irányával), akkor semmi lényeges változás nem történik, mivel a fény tisztán extraordinárius sugárként viselkedik.
Másrészt, ha egy lineárisan polarizált fénysugár merőlegesen esik a párhuzamosan rendezett cellára, de polarizációs iránya 
szöget zár be a cella direktorának irányával (3. ábra), akkor fáziskülönbség (
) lép fel az extraordinárius és az ordinárius sugarak különböző terjedési sebessége miatt. Ebben a -os elrendezésben, ha a két polárszűrő egymással párhuzamos ill. merőleges, akkor a rendszer fényáteresztő képességét a következő összefüggések írják le:
![\[ T_\parallel = 1-\sin^2 2\theta \sin^2 \frac{\delta}{2} = \cos^2 \frac{\delta}{2}, \]](/images/math/8/f/4/8f4abf5c6bdb798c0af27ad5c0b5279a.png)
![\[ T_\perp= \sin^2 2\theta \sin^2 \frac{\delta}{2} = \sin^2 \frac{\delta}{2}, \]](/images/math/9/a/2/9a2c6148219fbc2ff73e49104b8a715a.png)
ahol 
és 
az analizátor és a polarizátor polarizációs irányának párhuzamos ill. merőleges állására utal.
A fáziskülönbség kifejezhető:
![\[ \delta = \frac{2\pi d \Delta n(V,\lambda)}{\lambda}, \]](/images/math/d/6/c/d6c1158301b6623f7b8e4635c06a27e6.png)
ahol 
az LC réteg vastagsága, 
a fény hullámhossza levegőben, 
a váltakozó feszültség effektív értéke, és 
(ami és függvénye) az LC cella optikai anizotrópiájának mértéke. Azt is meg kell jegyezni, hogy ha 
, akkor maximális, és így -nak is ekkor van maximuma. Tehát csökken, ha növekszik.
A méréshez használt egyéb optikai eszközök
Lézerdióda
A méréshez használt fényforrás egy 650 nm hullámhosszúságú félvezető lézer. Ha a lézerdióda (LD) árama nagyobb egy küszöbáramnál (threshold current), a dióda monokromatikus, részlegesen polarizált, koherens fényt bocsát ki. Ha a lézerdióda árama kisebb a küszöbértéknél, a kibocsátott fény intenzitása nagyon kicsi. A küszöbáram felett a fényerősség az áramerősség növekedésével rohamosan nő, és a két mennyiség között lineáris kapcsolat van, egészen egy 
áramértékig. Ha az áram tovább nő, a fényerősség növekedési üteme a lézerdióda melegedése miatt (kis mértékben) csökken. A lézerdióda optimális működési tartománya az, ahol a fényerősség lineárisan függ az áramerősségtől. Az 
küszöbáram definíció szerint az áramerősség tengely és a lineáris tartományra illesztett egyenes meghosszabbításának metszéspontja.
A lézerfény csak részlegesen polarizált. A polarizáció mértékét a 
aránnyal lehet jellemezni, ahol 
és 
a lézerfény polarizált és polarizálatlan összetevőjének intenzitása.
Fotodetektor
A méréshez használt fotodetektor egy fotodiódából és egy áramerősítőből áll. Ha a fotodiódára tápfeszültség van kapcsolva, akkor a diódára eső fény hatására áram generálódik (fotoáram). Állandó hőmérsékleten, monokromatikus fény estében a fotoáram egyenesen arányos a fényintenzitással. Az áramerősítő ezt a fotoáramot egy kimenő feszültségjellé alakítja. A fotodetektor kétféle erősítéssel működhet: "high" és "low". Azonban a fotodióda tulajdonságai miatt, ha a fényerősség nagyon nagy, a kimenő feszültség 8 V tájékán telítődik (nem nő tovább), ilyenkor a fotodióda már nem működik helyesen. Emiatt a fotodetektor akkor működik megfelelően, amikor a lineáris tartományban van. Ha a fényerősség olyan nagy, hogy a fotodióda eléri a telítődést, akkor a fotodetektor már nem mutatja helyesen a fényintenzitást.
A lézerdióda (LD) és a fotodetektor (PD) elrendezése és elektromos kapcsolása a 4. és 5. ábrán látható.
Polárszűrők
A forgatható foglalatba szerelt polárszűrők az áthaladó fényt lineárisan polarizálják. Az első polárszűrőt polarizátornak, a másodikat analizátornak szokás nevezni, de felépítésük azonos. A polárszűrő (P) optikai elrendezése a 6. ábrán látható.
Mérési feladatok
- A mérés elvégzéséhez és a mérési napló elkészítéséhez a dőlt betűs részekben adunk segítséget.
A lézerdióda és a fotodetektor beállítása és vizsgálata
1. Szereld fel a lézerdiódát és a fotodetektort egy vízszintes egyenes mentés az optikai sínre, ahogy a 4. ábrán látható! Állítsd a fotodetektort „high” állásba, és csatlakoztasd a ki-menetére a voltmérőt. Kapcsold be a lézerdiódát és a fotodetektort! Állítsd be a lézerdióda és a fotodetektor ma-gasságát úgy, hogy a lézersugár vízszintes legyen. A lézerdi-ódán lévő csavarok segítségével állítsad be, hogy a lézerfény a detektoron lévő kis lyukba jusson, és a fotodetektor maximális értéket mutasson!
