Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7217
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
G 02F 1/00
(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
(21) Номер заявки: u 20100857
(22) 2010.10.14
(23) 2010.08.16
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Брестский государственный уни-
верситет имени А.С.Пушкина" (BY)
(72) Авторы: Косарев Валерий Михайло-
вич; Ворсин Николай Николаевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение обра-
зования "Брестский государственный
университет имени А.С.Пушкина" (BY)
(57)
Установка для изучения электрооптических свойств нематических жидких кристал-
лов, содержащая источник света, линзу, жидкокристаллическую ячейку, фотоэлектриче-
ский преобразователь светового потока, электронный узел, отличающаяся тем, что в
качестве источника света используется красный светодиод, максимум полосы излучения
которого λmax = 634 нм, а полуширина полосы ∆1/2 = 15 нм; на противолежащей источнику
света стороне жидкокристаллической ячейки закреплен фотоэлектрический преобразова-
тель светового потока, причем он закрывает половину рабочего отверстия жидкокристал-
лической ячейки, а открытая часть ее рабочего отверстия расположена напротив отверстия
в корпусе, закрытого матовым стеклом; электронный узел содержит два цифровых инди-
катора.
(56)
1. Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. - М.: Наука. Главная редакция
физико-математической литературы, 1983. - C. 320.
2. Александров В.Н., Бирюков С.В., Васильева И.А. и др. Лабораторный практикум по
общей и экспериментальной физике: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений /
Под ред. Е.М.Гершензона, А.Н.Мансурова. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. -
C. 464.
Фиг. 1
BY7217U2011.04.30

2. BY 7217 U 2011.04.30
2
3. Нагибина И.М., Москалев В.А., Полушкина Н.В., Рудин В.Л. Прикладная физиче-
ская оптика: Учебник для вузов. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - C. 565.
4. Минько А.А. Физика жидких кристаллов: курс лекций. - Минск: БГУ, 2009. - C. 112.
5. Беляков В.А. Жидкие кристаллы. - М.: Знание, 1986. - C. 160.
Установка для изучения электрооптических свойств нематических жидких кристаллов
предназначена для использования ее в учебном процессе высших учебных заведений в ла-
бораторном практикуме по общей физике при изучении тем: распространение света в ани-
зотропных средах, жидкие кристаллы, их особенности, электрооптический эффект.
Несмотря на большое общенаучное значение жидких кристаллов [1], их широчайшее
практическое применение, в лабораторных практикумах по общей физике отсутствуют
работы, посвященные изучению свойств жидких кристаллов [2, 3].
Известны аналоги предлагаемой модели [4, с. 19; 5, с. 13, 20-22]. Они имеют источник
света в виде лампочки накаливания, жидкокристаллическую ячейку (ЖКЯ), для каче-
ственного изучения оптических свойств которой используется поляризационный микро-
скоп. В установке, описанной в [4, с. 78], количественно исследуется зависимость
оптического пропускания жидкокристаллической ячейки от напряжения, в качестве ис-
точника света в ней используется гелий-неоновый лазер.
Оборудование, используемое в указанных выше моделях (лазер, поляризационный
микроскоп), имеет большие габариты и вес, высокую стоимость, не позволяет изучать за-
висимость интенсивности проходящего через жидкокристаллическую ячейку светового
пучка от подаваемого на нее напряжения фотоэлектрическим (количественно) и визуаль-
ным (качественно) способами одновременно.
Задачи, решаемые при создании заявленной полезной модели, заключаются в созда-
нии экономичной, компактной, удобной для применения в учебном процессе, надежной в
эксплуатации установки для изучения наиболее широко используемого в практических
целях электрооптического эффекта, заключающегося в ориентационном влиянии внешне-
го электрического поля на молекулы, следовательно, и на оптическую ось жидкого кри-
сталла, путем измерения на этой установке фотоэлектрическим способом и одновременно
визуального наблюдения (что оправдано с методической точки зрения) зависимости ин-
тенсивности проходящего через ЖКЯ светового пучка от подаваемого на нее постоянного
напряжения.
Установка для изучения электрооптических свойств нематических жидких кристаллов
состоит из источника света, собирающей линзы, жидкокристаллической ячейки, фото-
электрического преобразователя светового потока, электронного узла, в состав которого
входят блок питания, вырабатывающий напряжение питания источника света, напряже-
ние, подаваемое на ЖКЯ, напряжение, запитывающее аналого-цифровые преобразователи
(АЦП), а также два цифровых индикатора.
В качестве источника света, в отличие от известных аналогов, используется красный
светодиод, максимум полосы излучения которого λmax = 634 нм, а полуширина полосы
∆1/2 = 15 нм. Использование красного светодиода, помимо энергосберегающих соображе-
ний, обусловлено тем, что в отличие от лампочек накаливания он не дает излучения в
ближней инфракрасной (ИК) области спектра, которое хорошо чувствуют полупроводни-
ковые фотоэлектрические преобразователи светового потока. К тому же поляроидные
пленки, используемые в ЖКЯ, не обладают поляризующими свойствами в ближней
ИК-области спектра [3]. Поэтому в случае использования в качестве источника света лам-
почки накаливания в световой пучок приходилось вводить тепловой светофильтр, кото-
рый не пропускает излучение в ближней ИК-области.
На противолежащей источнику света стороне жидкокристаллической ячейки закреп-
лен фотоэлектрический преобразователь светового потока, причем он закрывает только

3. BY 7217 U 2011.04.30
3
половину рабочего отверстия жидкокристаллической ячейки. Открытая часть ее рабочего
отверстия расположена напротив отверстия в корпусе, закрытого матовым стеклом.
Предложенная конструкция полезной модели дает возможность изучать зависимость
интенсивности проходящего через ЖКЯ светового пучка от подаваемого на нее напряже-
ния фотоэлектрическим способом и одновременно проводить визуальное наблюдение над
процессом. Наличие двух цифровых индикаторов упрощает процесс измерения зависимо-
сти интенсивности света, проходящего через ЖКЯ, от подаваемого на нее напряжения,
делает более удобным проведение исследований и облегчает оценку их результатов.
Устройство и принцип работы установки поясняют чертежи, показанные на фиг. 1 и
фиг. 2.
На фиг. 1 показана схема установки: 1 - источник света, 2 - собирающая линза, 3 -
ЖКЯ, 4 - фотоэлектрический преобразователь светового потока, 5 - блок питания, 6 и 7 -
АЦП, 8 - матовое стекло, закрывающее отверстие для визуального наблюдения, 9 и 10 -
цифровые индикаторы.
На фиг. 2 показано устройство ЖКЯ: 11 - поляроиды, плоскости поляризации которых
взаимно перпендикулярны, 12 - токопроводящие прозрачные электроды, 13 - стеклянные
пластинки, 14 - нематический жидкий кристалл, 15 - прокладки.
Все узлы и детали установки смонтированы в одном корпусе. Источник света 1, в ка-
честве которого используется красный светодиод, максимум полосы излучения которого
λmax = 634 нм, а полуширина полосы ∆1/2 = 15 нм, устанавливается так, что после линзы 2
идет параллельный пучок света, который падает на жидкокристаллическую ячейку 3.
Ячейка состоит из двух стеклянных пластинок 13, играющих роль опорных поверхностей,
между которыми находится нематический жидкий кристалл 14, поляроидов 11, плоскости
поляризации которых взаимно перпендикулярны. Толщина жидкокристаллического слоя
задается прокладками 15. На стеклянные пластинки наносятся токопроводящие прозрач-
ные электроды 12. К ним от блока питания 5 подводится постоянное напряжение, величи-
на которого изменяется вручную в пределах от 0 до 4 В. При нулевом напряжении на
электродах 12 жидкокристаллический слой 14 образует так называемую твист-структуру,
которая обладает свойством поворачивать плоскость поляризации проходящего через нее
линейно поляризованного светового пучка на 90° [4]. Так как поляроиды 11 скрещены, то
свет через ЖКЯ при нулевом напряжении на электродах проходит. На противолежащей
источнику света 1 стороне жидкокристаллической ячейки 3 закреплен фотоэлектрический
преобразователь светового потока 4, причем он закрывает только половину рабочего отвер-
стия жидкокристаллической ячейки. Открытая часть ее рабочего отверстия расположена
напротив отверстия в корпусе, закрытого матовым стеклом 8. Половина по вертикальному
сечению параллельного светового пучка, проходящего через жидкокристаллическую
ячейку, попадает на фотоэлектрический преобразователь светового потока 4, в качестве
которого используется полупроводниковый фотодиод, а вторая половина освещает отвер-
стие в корпусе, закрытое матовым стеклом 8. Это позволяет контролировать интенсив-
ность светового пучка, проходящего через ЖКЯ, не только фотоэлектрическим способом
(сигнал с фотодиода после оцифровки в АЦП 6 индицируется на цифровом индикаторе 9 в
относительных единицах), но и визуально, что оправдано с методической точки зрения.
Величина подаваемого на ЖКЯ напряжения U, после оцифровки в АЦП 7, индицируется
на цифровом индикаторе 10 в вольтах.
Блок питания 5, АЦП 6 и 7, цифровые индикаторы 9 и 10 входят в состав электронно-
го узла установки.
Величина подаваемого на ЖКЯ напряжения U изменяется путем вращения ручки, распо-
ложенной под цифровым индикатором 10. Если медленно поворачивая ручку, увеличивать
U, то сначала интенсивность светового пучка, прошедшего через ЖКЯ, не меняется. Но
начиная с некоторого U, равного пороговому напряжению Unop, она начинает падать, и
при напряжениях, равных или больших некоторого предельного значения Umax, интенсив-

4. BY 7217 U 2011.04.30
4
ность прошедшего через ЖКЯ светового пучка становится практически равной нулю. Это
обусловлено ориентирующим действием электрического поля на молекулы жидкого кри-
сталла, в результате чего твист-структура разрушается, плоскость поляризации света уже
не поворачивается ею и свет не проходит через второй поляроид.
Зависимость интенсивности проходящего через ЖКЯ светового пучка от подаваемого
на нее постоянного напряжения на установке измеряется снятием показаний с цифровых
индикаторов 9 и 10, а также визуально наблюдается через отверстие на передней панели
корпуса, закрытое матовым стеклом 8.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.