內容簡介

本研究模擬液晶試片的反射係數與超音波能量分布，探討兩種不 同尺寸的液晶試片受聲導波影響液晶排列的機制，並配合沒水式超音 波實驗量測。全文共分五章，第二章簡述液晶的種類與光學的特性，

推導液晶試片的反射係數與超音波能量分布，第三章敘述實驗量測。

第四章討論聲導波對液晶試片的影響，並比較聲導波對兩種不同尺寸 液晶試片的影響程度。第五章為結論與未來工作展望。

第二章 液晶聲光理論

本章主要介紹液晶的光學性質與液晶試片的反射係數與超音波 能量分布，液晶本身所擁有固態結晶的材料異向性，為了降低其複雜 性，將液晶簡化為具黏滯係數的等向性液體，本研究以水為等向性液 體進行模擬，液晶試片所包含的材料參數如表 1 所列，並利用純量勢 函數與向量勢函數推導反射係數與聲導波在液晶層的能量分布。

2.1 液晶簡介

不同的溫度及壓力條件下，物質有固體、液體、氣體三種不同的 狀態，一般稱為固相、液相、氣相。固體具有一定的形狀，微觀下的 分子晶格排列是井然有序的，可承受外力而產生一定比例的變形。液 體具有高流動性，無法承受較大的剪力，分子的排列在局部區域與另 一局部區域是不一樣的，所以形狀受外界因素影響。氣體的分子排列 沒有規則，其運動更是劇烈。

由固態升溫轉變成液態的過程時，分子規則的排列逐漸開始被破 壞，達至一定的溫度區間時，分子會因不同的溫度區段而形成不同排 列，溫度區間的起點稱為熔點，終點稱為清亮點。最先形成的分子排 列會有層狀結構，接著此層狀結構會被破壞，但分子的取向仍然保持 一規律的排列。此時的物質不但擁有固相的晶體異向性，又存在著液 相的高流動性，也就是所謂的液晶相，溫度超過清亮點就會成為等向 性的液相。因為液晶相介於固相與液相之間，所以液晶相也稱為中間 相，液晶也被稱為中間物。

2.1.1 液晶的分類

依照分子的排列構造，液晶可分成向列型、層列型、膽固醇型三

類，是1992 年法國的 G. Friedel [16]所分類。如圖 2.1 所示，向列型

定義秩序參數(order parameter) 為 a

2.1.3 液晶的物理特性

2.2.2 光學理論

(2.3)式必須滿足非零解的充分條件如下：

忽略徹體力的作用下，線彈性體之運動方程式與本構方程式為 波(plane harmonic wave)，其波向量(wave vector)具有x 分量 ，藉助₁

純量勢函數 與向量勢函數

此處，k =( / )sinω c₀ θ為x 方向之波數(wave number)，₁ 是平面波在

2 1

定義一位移與曳力構成的狀態向量(state vector)函數為

其中，

2.3.2 液晶試片能量分布

式、(2.9b)式與(2.10a)式、(2.10c)式可得

第三章 實驗架構與量測

本研究採用類似Letcher et al [5]的實驗架構，進行量測向列型液 晶試片的聲光效應。將液晶試片設置於壓克力水槽內，以沒水式超音 波換能器激發壓力波，斜束入射於液晶試片，觀察穿透試片的氦氖雷 射光強度變化，討論液晶之聲光效應。

3.1 實驗平台設計

本研究採用日商 EHC 公司製作的空液晶盒填充液晶，空試片的 玻璃性質如表 2 所列。蘇裕為[14]採用的液晶試片與 EHC 液晶盒的 差異在於幾何尺寸的不同，如表 3 所列。為了確定空液晶試片液晶層 的間隙，以光譜分析儀量測其間隙厚度，實驗儀器如圖3.1 所示。採 用 NOA65 的 UV 膠將非灌口的兩側封住，再以 UV 燈烘焗十分鐘。

為了避免紫外光傷及眼睛，可利用鋁箔紙擋住紫外光，如圖3.2 所示。

待UV 膠硬化之後，把空試片置放於加熱板上加熱至 60°C，如圖 3.3 所示。再以毛細棒沾適量液晶準備灌入試片，灌完液晶後，關掉加熱 板，使液晶試片的溫度隨著室溫下降至清亮點之下，液晶將產生較佳 的垂直配向排列。液晶填充完畢之後，將另外兩側灌口以 UV 膠封 邊，再以AB 膠進行四邊的補強，製作完成的液晶試片如圖 3.4 所示。

最後，以偏光顯微鏡檢察液晶排列是否良好。

3.1.2 沒水式聲光實驗

本研究實驗架構如圖3.5 所示。實驗系統架設於光學桌上，在兩 個正交的偏光板之間設置一個容積為42×40×20cm 的壓克力水槽，液 晶試片浸沒於水槽中，以沒水式超音波換能器激發壓力波，斜射於液

晶試片。液晶試片內的液晶材料為大立高分子工業股份有限公司生產 的正型向列型液晶5CB，兩側覆蓋玻璃，如圖 3.6 所示。向列型液晶 5CB 的材料參數如表 4 所列。5CB 液晶材料的向列型排列狀態會受 環境溫度影響，因此在水中加設一溫度控制器，將溫度控制於 30°C。

使用波長 632.8nm 的氦氖雷射為光源，經透鏡聚焦於光接收器(New Focus Model 1801, 125-MHz)，量測穿透液晶試片的光強度變化。

激發超音波換能器的正弦波訊號由函數產生器(Aglient 33250A function generator)產生，電壓振幅為 80mV ，以功率放大器(ENI _pp model 325LA)將訊號增益 50dB。驅動電壓選定 80~100mV 是為了避_pp 免燒壞換能器。

所以只能確定有限區域的液晶排列受聲導波影響。

3.1.3 洩漏蘭姆波實驗

洩漏蘭姆波實驗採用兩個相同中心頻率的超音波換能器，以一個 發射、一個接收的方式進行實驗，發射端經由函數產生器產生80mV_pp 的正弦訊號，經功率放大器增益 50dB，實驗示意圖如圖 3.8 所示。

超音波經水傳遞至液晶試片，產生幾何反射波和洩漏蘭姆波，再由接 收端接收兩者的干涉訊號。接收的訊號經前級放大後，以數位示波器 擷取。為了減少人為誤差，個人電腦透過GPIB 介面卡連接函數產生 器與數位示波器，並以LabVIEW 進行實驗控制。

實驗架構類似沒水式聲光實驗，水槽上方架設兩個超音波換能 器，兩者均可進行三個自由度θ、x、y 的位移調整，其中一個可以 分厘卡進行y 方向的微調，找出偵測洩漏蘭姆波訊號的最佳位置。採 用 Panametrics 1MHz 的沒水式超音波換能器進行掃頻，實驗進行前 需將入射角調整等於反射角，並以超音波換能器的近場距離極限為換 能器與液晶試片的間距。

3.2 實驗的初始條件

氦氖雷射光路準直的校正包括鉛直仰角及水平轉角的校正。前者 先在氦氖雷射的正前方放置一平面鏡，確定平面鏡沒有任何鉛直傾角 與水平轉角，調整氦氖雷射光路的傾角，使雷射光點自平面鏡反射至 雷射射出口的水平位置，但是盡量不要使雷射反射回出射口，以免造 成氦氖雷射內部的損傷。

接著進行轉角校正，在氦氖雷射的正前方架設一移動平台，移動 路徑與雷射準直路徑平行。在移動平台上架設一屏幕，使雷射在屏幕

上呈現光點。接著使平台前後移動，觀察光點在屏幕上的位置，利用 相似三角形估算氦氖雷射光路的轉角偏移量。當光點在屏幕上幾乎都 保持同一個位置時，氦氖雷射光路即為準直。

液晶試片的環境溫度影響液晶的透光性。實驗時，將初始水溫調 至攝氏30 度左右，之後利用溫控棒加溫，將水槽溫度維持在 30 度左 右。

每次實驗前，先將氦氖雷射開啟三十分鐘以上，使光強度穩定。

水槽內注入水後，靜置三十分鐘，避免水中微小顆粒的布朗運動會造 成光的散射，使光通過偏光鏡時，發生漏光而影響光的穿透率。溫控 棒的位置要離光路遠一點，因為溫控棒附近的水受熱時，會令周遭的 微小顆粒產生較劇烈的擾動，影響光的穿透率。此外，當穿透光強度 明顯超出初始強度時，停止控溫，穿透光強會慢慢下降至初始強度。

3.3 實驗訊號量測

全部實驗都以LabVIEW 圖形化程式操控，指令經 GBIP 介面卡，

傳至函數產生器產生正弦波函數，激發超音波換能器產生連續縱波。

再以 NI-DAQ 訊號擷取卡(PCI-6036E)擷取光接收器所接收的穿透光 強度訊號，光接收器的規格如表6 所示。

為避免超音波換能器連續激發造成過熱，須留意換能器每次激發 的時間不宜持續過久。每一次量測之後，預留約 30~40 秒之緩衝時 間，使換能器冷卻下來，才進行下一次的超音波激發。洩漏蘭姆波實 驗與聲光實驗都需要掃頻，所費時間較長，都是以LabVIEW 程式操 控，前者是採用高頻的數位示波器擷取超音波訊號，後者則以低頻的 DAQ 卡擷取光強度訊號。

第四章 實驗結果與模擬分析討論

4.1 沒水式聲光實驗結果比較

沒水式聲光實驗將液晶試片沒入水槽內，試片內的液晶層受到超 音波照射，部分聲波折射進入試片，形成沿著試片波傳的聲導波。聲 導波在試片厚度方向的共振模態使得分子排列改變，調整超音波換能 器的驅動電壓、掃頻範圍及入射角會影響穿透液晶試片的光強度變 化。實驗以一部光接收器News Focus 1801 擷取穿透光強度的暫態響 應，取樣時間設為 0.25 秒，每一操作條件下，擷取 80 點數據，繪出 穿透光強度的歷時曲線(time-history)。再將所擷取的最後 16 點數據平 均，獲得接近穩態或已達穩態之平均穿透光強度。為了瞭解聲導波對 液晶試片的影響程度，給予適當的頻率掃瞄範圍，觀察穿透光強度的 變化。實驗共採用 3 枚超音波換能器，中心頻率分別為 1、2.25 及 5MHz，各換能器的頻率掃瞄範圍分別為 0.2~2.0 MHz、1.5~4.0 MHz 及4.0~7.0 MHz，掃瞄的頻率間隔為 0.02 MHz，驅動電壓經 50dB 增 益後，固定為 25.28V ，超音波的入射角自 20°至 25°，每 1°量測一_pp 次，比較兩種液晶層厚度的試片反應。

4.1.1 影響液晶排列的導波模態

平面聲波照射液晶試片的反射係數與入射角度、頻率、試片幾何 尺寸及材料性質相關，反射係數的絕對值小於或等於1。在特定頻率 下，反射係數會趨於局部極小值，代表入射聲場的能量大部分折射進 入試片，形成聲導波，僅有極少量或沒有能量反射。

反射係數絕對值的極小值發生頻率稱為液晶試片內聲導波的模 態頻率，反對稱聲導波在試片厚度中央的液晶層之正向應力趨近於