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研究生： 丁啟倫
Ting, Chi-Lun
論文名稱： 運用二維時域有限差分法分析液晶元件光學性質
Optical simulation of liquid crystal devices using finite-difference time-domain method
指導教授： 傅永貴
Fuh, Y.G. Andy
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程研究所
Institute of Electro-Optical Science and Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 171
中文關鍵詞： 時域有限差分法 、液晶 、光學 、模擬
外文關鍵詞： cholesteric liquid crystal, FDTD, optical simulation
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    • 　　　　　　　　中文摘要

    　　本論文詳細說明了「時域有限差分法 (FDTD：Finite-Difference Time-Domain Method)」的理論推導過程，以及實際應用此種新型態光學模擬工具來對液晶光學薄膜求解所需的各項技術，包括完美匹配層(Perfect Matching Layer)吸收邊界、週期性邊界條件(Periodic Boundary Condition)、近場轉遠場，以及各種不同波源的寫法。

    　　應用面上，我們首先運用吾人所發展的FDTD模擬程式，對一維的扭轉型向列相(TN)液晶盒的光學性質進行分析，以驗證程式的正確性，並深入探討一維膽固醇相液晶(CLC)盒的光學性質；最後則藉由二維結構的設計，改善了膽固醇相液晶的反射頻寬以及視角關係。

    　　　　　　　　Abstract

    　　In this thesis, we introduced the theorem of Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Method, and the techniques for simulating the optical properties of liquid crystal films, such as Perfect Matching Layer、Periodic Boundary Condition、Near- to Far-field Transformation, and sorts of light sources.

    　　In application, we firstly verified the validity of our FDTD program by analyzing the optical characteristics of one-dimensional Twist-Nematic (TN) cell. It was then used to discuss the Bragg reflection properties of cholesteric liquid crystal (CLC) textures. We successfully broadened the reflection bandwidth and the viewing angle of CLC by designing the two-dimensional structures of CLC.

    目錄 中文摘要 英文摘要 誌謝 目錄 圖表索引 第壹篇‧液晶物理 第一章 緒論 …………………………………………………………… 1 第二章 液晶簡介 ……………………………………………………… 3 　§ 2.1 何謂液晶 ……………………………………………………… 3 　§ 2.2 液晶之分類 …………………………………………………… 4 　§ 2.3 液晶物理 ……………………………………………………… 9 　　2.3.1 液晶的光學異向性與雙折射性…………………………… 9 　　2.3.2電場對絕緣向列相液晶的影響……………………………… 12 　　2.3.3 液晶的連續彈性體理論 …………………………………… 14 　　2.3.3.1 簡介 ……………………………………………………… 14 　　2.3.3.2 液晶的形變 ……………………………………………… 14 　　2.3.3.3 液晶彈性位能 …………………………………………… 16 　　2.3.3.4 電能 ……………………………………………………… 17 　　2.3.3.5 總自由能 ………………………………………………… 18 第三章 一維液晶盒外加電壓下之液晶導軸分佈模擬結果與討論 … 19 　§ 3.1 模擬方法說明…………………………………………………… 19 　§ 3.2 水平配向cell…………………………………………………… 21 　§ 3.3 π-cell…………………………………………………………… 24 　§ 3.4 TN cell……………………………………………………………26 第貳篇‧液晶光學模擬 第四章 傳統矩陣型光學模擬工具簡介 …………………………………28 　§ 4.1 瓊斯矩陣 (Jones Matrix) …………………………………… 28 　§ 4.2 廣義瓊斯矩陣 (Extended Jones Matrix) ……………………36 　§ 4.3 貝里曼矩陣 (4X4 Berreman Matrix) ……………………… 44 第五章 一維液晶盒瓊斯矩陣模擬結果與討論 ……………………… 51 　§ 5.1 聚光干涉儀(conoscopy)檢測水平配向與垂直配向……… 51 　§ 5.2 水平配向cell………………………………………………… 53 　§ 5.3 π-cell………………………………………………………… 56 　§ 5.4 TN-cell………………………………………………………… 58 第六章 時域有限差分法(FDTD)簡介…………………………………… 61 　§ 6.1 FDTD簡介………………………………………………………… 61 　§ 6.2 FDTD發展歷史、相關文獻回顧………………………………… 62 　§ 6.3 FDTD演算法之理論與實現……………………………………… 64 　　6.3.1 Yee的FDTD演算法……………………………………………… 64 　　6.3.2 穩定準則 …………………………………………………… 71 　§ 6.4 波源的處理方式……………………………………………… 73 　6.4.1 硬波源(Hard Source) ………………………………………73 　　6.4.2 軟波源(Soft Source) ………………………………………75 　　6.4.3 散射波解析法(Scattered-Field Method) ……………… 77 　　6.4.4 散射/全電磁場解析法(Scat/Total-Field Method) …… 81 　　6.4.5 單頻連續波與寬頻脈衝波的選擇 ………………………… 84 　§ 6.5 完美匹配層(PML：Perfect Matching Layer)吸收邊界…… 85 　6.5.1 基本概念 …………………………………………………… 85 　　6.5.2 阻抗匹配條件 ……………………………………………… 87 　　6.5.3 PML介質內馬克斯威爾方程式修正 …………………………89 　　6.5.4 PML介質內FDTD修正………………………………………… 93 　　6.5.5 PML介質參數最佳化…………………………………………96 　§ 6.6 週期性結構…………………………………………………… 98 　　6.6.1 均勻平面波垂直入射 …………………………………… 99 　　6.6.2 均勻平面波斜向入射……………………………………… 100 　§ 6.7 近場轉遠場 ………………………………………………… 102 第七章 FDTD光學模擬結果與討論…………………………………… 105 　§ 7.1 一維扭轉型相列型液晶盒(TN-cell) ……………………… 105 　　7.1.1 Mauguin condition………………………………………… 106 　　7.1.2 Gooch-Tarry first minimum condition………………… 108 　§ 7.2 一維膽固醇液晶盒(1-D CLC-cell) ………………………… 110 　　7.2.1 相關參數與FDTD配置簡介 ………………………………… 110 　　7.2.2 FDTD與有限元素分析法(FEM)以及套裝軟體DiMOS的比較 　　7.2.3 膽固醇液晶螺距(pitch0)…………………………………… 115 　　7.2.4 液晶折射率(ne、no、Δn) ………………………………… 118 　　7.2.5 膽固醇液晶螺旋數(pitch number : Np) ………………… 124 　　7.2.6 螺旋軸傾斜角(Θclc) …………………………………………126 　　7.2.7 入射角(Θin) ………………………………………………… 128 　　7.2.8 gradient pitch……………………………………………… 130 　§ 7.3 二維膽固醇液晶盒(2-D CLC-cell) ………………………… 133 　　7.3.1 垂直入射……………………………………………………… 134 　　7.3.1.1 結構1：θa=+12o、-12o…………………………………… 135 　　7.3.1.2 結構2：θa=0o：1o：15o……………………………………137 　　7.3.1.3 結構3：θa=0o：5o：30o………………………………… 141 　　7.3.1.4 結構4：θa=0o：2.5o：40o……………………………… 145 　　7.3.2 斜向入射……………………………………………………… 150 　　7.3.2.1 入射角θin=10o …………………………………………… 151 　　7.3.2.2 入射角θin=20o …………………………………………… 156 　　7.3.2.3 自然環境光(多角度斜向入射)對垂直方向之效應………160 　　7.3.2.3 自然環境光(多角度斜向入射)對斜向觀測之效應………163 第八章 結論 …………………………………………………………… 166 第九章 展望未來 ……………………………………………………… 167 參考文獻 ………………………………………………………………… 168

    參考文獻

    [1] P. G. de Gennes and J. Prost, “The Physics of Liquid Crystals”, 2nd ed., Clarendon Press, Oxford(1993).

    [2] G. W. Gray, “Thermotropic Liquid Crystals”, the Society of Chemical Industry (1987).

    [3] Birendra Bahadur, “Liquid Crystals：Applications and Uses”, Vol.3, World Scientific, Singapore (1990).

    [4] 朱自強, 王仕璠, 蘇顯渝, “現代光學教程 ”, 四川大學出版社, 成都(1990).

    [5] A. Yariv, “Quantum Electronics”, John Wiley & Sons Press, New York (1989).

    [6] L. M. Blinov and V. G. Chigrinov, “Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials”, Springer-Verlag Publishing Co., New York (1994).

    [7] Iam-Choon Khoo, “Liquid Crystals-Physical Properties and Nonlinear Optical Phenomena”, John Wiley  Sons Press, New York (1995).

    [8] C. W. Oseen, Trans. Faraday Soc. 29, 883(1933).

    [9] H. Zocher, Trans. Faraday Soc. 29, 19 (1933).

    [10] F. C. Frank, Discuss. Faraday Soc. 25, 19 (1958).

    [11] Pochi Yeh, Claire Gu, “Optics of Liquid Crystal Displays”, Wiley Interscience, New York (1999).

    [12] D. W. Berreman, J. Opt. Soc. Am. 62, 502 (1972).

    [13] J. Nehring, J. Chem. Phys. 75, 4326 (1981).

    [14] H. Wöhler, G. Haas, M. Fritsch, and D. A. Mlynski, J. Opt. Soc. Am. A. 5, 1554 (1988).

    [15] K. H. Yang, J. Appl. Phys. 68, 1550(1990).

    [16] W. D. St. John, W. J. Fritz, Z. –J. Lu and D. -K. Yang, Phys. Rev. E 51, 1191(1995).

    [17] K. S. Yee, IEEE Trans. Antennas and Propagation, 14 (1966)

    [18] Taflove, A., and M. E. Brodwin, IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 23, 888-896. (1975)

    [19] Holland, R., IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 23, 2416 (1975)

    [20] Kunz, K. S., and K. M. Lee, IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility. 20, 328-333. (1978)

    [21] Mur, G., IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, 23, 377. (1978)

    [22] Berenger, J. P., J. Computational Physics, 114. 185. (1994)

    [23] O. M. Raamahi, IEEE Trans. Antennas and Propagation, 45, 753 (1997)

    [24] Kesler, M. P., J. G. Maloney, and G. Smith, Microwave and Optical Technology Lett., 11, 169. (1996)

    [25] B. Witzigmann, P. Regli, W. Fichtner, J. Opt. Soc. Am. A 15, 753 (1998)

    [26] C. M. Titus, P. J. Bos, J. R. Kelly, E. C. Gartland, J. Appl. Phys. 38, 1488 (1999)

    [27] E. E. Kriezis, S. J. Elston, Opt. Comm. 177, 69 (2000)

    [28] E. E. Kriezis, Microwave and Optical. Technology Letters 35, 437 (2002)

    [29] Christian Bohley, “Polarization Optics of Periodic Media”, University of Neuchatel (2004)

    [30] Masaki Tanaka and Susumu Sato, Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001)

    [31] Masaki Tanaka and Susumu Sato, Jpn. J. Appl. Phys. PART 2-LETTERS 40 : L1123 (2001)

    [32] Bin Wang, Japanese Journal of Applied Physics, 43, No. 1, 176-181 (2004)

    [33] 林振華編譯, “電磁場與天線分析：使用時域有限差分法(FDTD)”, 全華, 台灣(1999)

    [34] A. Taflove, “Computational Electromagnetic：The Finite-Difference Time-Domain Method”, Artech House,1995.

    [35] QI HONG, THOMAS X. WU, and SHIN-TSON WU, “Optical wave propagation in a cholesteric liquid crystal using the finite element method”, Liquid Crystals, 30, No.3, 367 (2003)

    [36] Shin Tson Wu and Deng Ke Yang, ”Reflective liquid crystal displays”, John Wiley & Sons, LTD, West Sussex (2001)

    [37] C. H. Gooch, H. A. Tarry, J. Phys. D 8, 1575 (1975)

    [38] A. Lien, Appl. Phys. Lett. 57, 2767 (1990)

    下載圖示 校內：2006-08-01公開
    校外：2007-08-01公開
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