我們利用 THz-TDS 系統產生兆赫波，讓兆赫波訊號通過 MBBA 液 晶樣品以及參考樣品，將所得到的資料分析。另外使用加熱溫控系 統改變液晶的溫度，使樣品在不同溫度下進行量測。
4-1-1 電場時域圖
利用 THzTDS 系統量測所得到訊號，及為兆赫波電場時域圖。
實驗中，我們將兆赫波訊號正向打入 MBBA 液晶樣品還有參考樣 品，並且在量測取得訊號過程中，全程對系統注入氮氣以去除水氣，
減少兆赫波訊號對水氣的吸收。
當兆赫波的線偏振方向與液晶樣品配向方向平行時，得到的是非 尋常光(Extraordinary Ray，e-ray)的訊號；當兆赫波的線偏振方 向與液晶樣品配向方向垂直時，得到的是尋常光(Ordinary Ray，
o-ray)的訊號。
圖 4-1-1.1 是在 26℃下 MBBA 液晶樣品的非尋常光以及尋常光與 參考樣品的兆赫波時域訊號。可以看到非尋常光以及尋常光的兆赫 波時域訊號相對於參考樣品的訊號有被時間延遲到比較後面的現 象。此外也可以看到非尋常光以及尋常光的訊號強度相對於參考樣
品的強度有些微減弱的現象，這可能是因為通過液晶樣品的非尋常 光以及尋常光的些許兆赫波訊號有被液晶吸收掉。接著來比較非尋 常光以及尋常光的訊號，可以從圖 4-1-1.1 上看到非尋常光的訊號 比起尋常光的訊號會被時間延遲的後面一點，也就是非尋常光的訊 號比起尋常光的訊號在液晶中的光程較長，因此可以合理推測 MBBA 的非尋常光的折射率
n
e大於尋常光的折射率n
o。圖 4-1-1.2 和圖 4-1-1.3 分別代表非尋常光以及尋常光在溫度 26℃、28℃、30℃、32℃時主訊號附近放大的時域訊號。在圖 4-1-1.2 中，雖著溫度的上升，兆赫波電場時域訊號被延遲的越來越前面。
因此隨著溫度的上升，尋常光的折射率
n
e逐漸變小的趨勢。在圖4-1-1.3 中，雖著溫度的上升，兆赫波電場時域訊號被延遲的越來 越後面。因此隨著溫度的上升，非尋常光的折射率
n
o逐漸變大的趨勢。
4-1-2 光強度頻域圖與相位頻域圖
將 THz-TDS 系統量測下所得到的兆赫波時域訊號利用快速富立 葉轉換 (FFT)，可以得到兆赫波頻域訊號，可以得到在不同頻率下 兆赫波訊號強度以及相位的頻域圖。
圖 4-1-2.1 代表在溫度 26℃下的非尋常光與尋常光的強度頻域 圖。可以從圖上看到非尋常光的強度比尋常光的強度大，所以可以 推論尋常光的折射率虛部
κ
o會大於非尋常光的折射率虛部κ
e。此外可以看到在 1.6THz 之後的訊號雜訊太大，所以將最大可信訊號定 為 1.6THz。
圖 4-1-2.2 代表在溫度 26℃下的非尋常光與尋常光的相位頻域 圖。可以從圖上看到，非尋常光的相位延遲都比尋常光的相位延遲 來的大，所以可以推論非尋常光的折射率實部
n
e會大於尋常光的折射率實部
n
o。綜合兆赫波的時域圖形以及頻域圖形的資訊，可以大致歸納出液 晶 MBBA 會有以下幾個特性：
1. 非尋常光的折射率實部
n
e會大於尋常光的折射率實部n
o2. 尋常光的折射率虛部
κ
o會大於非尋常光的折射率虛部κ
e3. 非尋常光的折射率實部
n
e會隨著溫度的上升而有下降的趨勢；尋常光的折射率實部
n
o會隨著溫度的上升而有上升的趨勢。4-1-3 折射率實部和虛部與頻率的關係
利用第三章折射率理論分析的數學分析原理，藉著比較液晶樣品 訊號以及參考樣品訊號的比較，可以分別得到與頻率有關的非尋常 光的折射率實部
n
e與虛部κ
e以及尋常光的折射率實部n
o 與虛部κ
o。在處理訊號得到折射率的實部和虛部前，我們利用在改變不同溫 度量測樣品前，先對參考樣品取一次兆赫波時域訊號；在取完所有 溫度之後再取一次參考樣品的兆赫波時域訊號。經由快速富立葉轉 換後得到量測前後兩次光強度頻域圖，藉由比較這兩次光強度頻域 圖的比較，若兩次訊號沒有太明顯的差異，則我們可以確定在量測 過程中，所有溫度所量到的訊號是可信的。圖 4-1-3.1 和圖 4-1-3.2 分別代表非尋常光以及尋常光，樣品在改變不同溫度量測前後的光 強度頻域圖。可以看到非尋常光以及尋常光兩次量測前後的訊號沒 有太大的差異，因此之後經由兆赫波訊號所分析出來的資料是可信 的。
可以從圖 4-1-3.3 觀察到，液晶 MBBA 在 26℃下折射率實部跟虛 部隨頻率變化的關係，
n
e>n
o，n
e≈
1.73、n
o≈
1.60；κ
o>κ
e，κ
o小於 0.06，κ
e小於 0.04。從許多文獻可以知道 MBBA 在液晶態 時，在低頻時大約在 3THz ~ 4THz 之間有比較明顯的吸收訊號[13][14][15][16][17] 。我們實驗中得到的可信頻率範圍從 0.2THz
~ 1.6THz，在這個頻率範圍內我們看不到明顯的吸收訊號。
從圖 4-1-3.4 可以觀察到，液晶 MBBA 在 39℃下已經是液態，因 為
n
e與n
o 的值完全重合，n ≈
1.64；κ
o小於 0.07，κ
e小於 0.06。從許多資料可以知道 MBBA 在液態時，在低頻時大約在 4THz 附近有 一個比較明顯的吸收訊號[13][14][15][16][17]，但我們的可信頻 率範圍約略從 0.2THz ~ 1.6THz，所以在這個頻率範圍內我們看不 到明顯的吸收訊號。
除此兩個溫度之外，重複量測 MBBA 液晶在 28℃、30℃、32℃、
34℃、36℃、36.5℃、37℃、41℃不同溫度下的兆赫波時域訊號，
並且經過快速富立葉轉換以及折射率理論分析，得到尋常光以及非 尋常光的折射率實部與虛部(見附錄)。從這些溫度得到的折射率可 以發現，當溫度達到 36.5℃以上，
n
e與n
o 的值幾乎完全重合，MBBA 液晶變成了液態，因此可以合理推測 MBBA 液晶的清亮點約略在 36℃ ~ 36.5℃之間。
圖 4-1-3.5 是 MBBA 液晶在溫度 26℃~36℃之間的折射率實部。
大致可以看到
n
e值隨著溫度的上升而下降；n
o值隨著溫度的上升而上升。
4-1-4 折射率實部與溫度的關係
研究折射率對溫度變化的情形是一件相當重要的事，從中除了可 以得到液晶的雙折射率(birefringence)，進而可以運用到各種光學 元件上。
本節選定幾個特定的頻率，0.271、0.315、0.352、0.388、0.418、
0.447、0.476、0.506、0.535、0.564、0.594、0.623、0.652、0.681、
0.711、0.740、0.769、0.799、0.828、0.857、0.887、0.916、0.945、
0.975、1.003 THz 來觀察折射率對溫度變化的情形。我們將使用方 程式(4-1-4.1)去擬合折射率的趨勢，這方程式本身沒有任何物理意 義，只是為了讓我們更容易去觀察
n
e、n
o變化的趨勢[18]C R) T B ( A
n = × − (4-1-4.1) 其中n是折射率，TR =T−TC，T為量測到的溫度，TC為液晶的清亮 點，A、B、C 為擬合出來的參數。
圖 4-1-4.1 為各頻率下折射率實部對溫度的關係圖。圖中 O、X 分別代表量測到的
n
e、n
o點；實線代表擬合之後的曲線；虛線代 表n
e、n
o平均的折射率，3 n n n 2 o + e
= 。其擬合參數如表 4-1-4.1 所 示。
4-1-5 雙折射率與溫度的關係
液晶的雙折射率定義是指
n
e− n
o 所得到的值。雙折射率通常與 秩序參數(order parameter)有關，秩序參數是指液晶分子的排列整齊程度，定義為
β
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
Tc
1 yT
S ，其中T為量測到的溫度，TC為液
晶的清亮點，y、β 為擬合的參數。而Δn與S的關係為 n 2S
1
ρ
∝
Δ ，其
中ρ是液晶的體積密度，所以液晶的雙折射率可以表示為
F
Tc
T 1 E D
n ⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ − ⋅
×
=
Δ (4-1-5.1)
其中 D、E、F 為擬合的參數。
圖 4-1-5.1 為 MBBA 在頻率 0.271、0.315、0.352、0.388、0.418、
0.447、0.476、0.506、0.535、0.564、0.594、0.623、0.652、0.681、
0.711、0.740、0.769、0.799、0.828、0.857、0.887、0.916、0.945、
0.975、1.003 THz 的雙折射率對溫度的關係圖。從圖上可以發現 MBBA 的
Δ n
隨著溫度的上升而下降，當溫度超過相變溫度時，Δ n
會瞬間趨 近於 0。這可能是因為液晶分子受到的溫度越高，液晶分子的熱擾 動就越劇烈，當溫度超過相變溫度時，液晶分子就會因為熱擾動而 呈現混亂的排列，此時只有一個折射率，所以Δ n
會趨近於 0。4-1-6 清亮點量測
根據許多資料得知，MBBA 的液晶態溫度範圍約略為 21℃~ 47℃，
所以 MBBA 的清亮點溫度為 47℃。但是許多論文都有提及，由於 MBBA 液晶分子(見圖 4-1-6.1)中央基與環狀基間的鍵結對水很敏感，容 易引起水解，所以可能會導致分子分解，因而造成 MBBA 的清亮點不 論在什麼地方，都會有介於 35℃~47℃的溫度範圍在變化的現象發 生[16][19][20]。
由於 MBBA 的清亮點會有變化的現象發生，也為了更準確得知我 的 MBBA 液晶樣品的清亮點溫度，我們利用 2-5 所提到的液晶清亮點 量測原理及方法來量測我的 MBBA 液晶樣品。從圖 4-1-6.2 可以看到 虛線所對到的溫度就是清亮點的溫度，其值約為 36.4℃，與之前推 測的清亮點溫度在 36℃~36.5℃之間吻合。
4-2 PAA 向列型液晶
我們利用 THz-TDS 系統產生兆赫波，讓兆赫波打過 PAA 液晶樣品 以及參考樣品，將所得到的資料分析。另外使用加熱溫控系統改變液 晶的溫度，使樣品在不同溫度下進行量測。
PAA 液晶在室溫下是呈現黃色粉狀晶體，從晶體轉變成液晶態的 相變溫度為 118℃；從液晶態轉變成液態的相變溫度為 136℃，所以 PAA 的液晶態是在 118℃~136℃的高溫範圍下。本量測由於高溫量測 下 PAA 液晶樣品會有液晶向樣品外面滲漏的現象，所以只有量測到 PAA 液晶樣品所能承受到的上限溫度，因此本量測取了溫度 118℃和 119℃兩個溫度。
4-2-1 電場時域圖
利用 THzTDS 系統量測所得到訊號，及為兆赫波電場時域圖。
實驗中，我們將兆赫波訊號正向打入 PAA 液晶樣品還有參考樣 品，並且在量測取得訊號過程中，全程對系統注入氮氣以去除水氣，
減少兆赫波訊號對水氣的吸收。
圖 4-2-1.1 是在 118℃下 PAA 液晶樣品的非尋常光以及尋常光與 參考樣品的兆赫波時域訊號。可以看到非尋常光以及尋常光的兆赫 波時域訊號相對於參考樣品的訊號有被時間延遲到比較後面的現
象。此外也可以看到非尋常光以及尋常光的訊號強度相對於參考樣 品的強度有些微減弱的現象，這可能是因為通過液晶樣品的非尋常 光以及尋常光的些許兆赫波訊號有被液晶吸收掉。接著來比較非尋 常光以及尋常光的訊號，可以從圖 4-2-1.1 上看到，雖然非尋常光 以及尋常光的訊號非常接近，但仍然可以辨認出非尋常光的訊號比 起尋常光的訊號會被時間延遲的後面一點，也就是非尋常光的訊號 比起尋常光的訊號在液晶中的光程較長，因此可以合理推測 PAA 的 非尋常光的折射率