Модуляторы на жидких кристаллах

Среди веществ, которые используются для модуляции света, особое место занимают жидкие кристаллы (ЖК), для которых получены рекордно низкие значения полуволнового напряжения [1].

Электрооптика ЖК имеет иную природу, нежели электрооптика твердых монокристаллов и поликристаллов (керамики). Если в твердых кристаллах управляемое электрическим полем изменение двулучепреломления обусловлено только деформацией оптической индикатрисы, в керамике — ориентацией векторов спонтанной поляризации доменов, с направлениями которых связана оптическая ось, то в ЖК, представляющих собой вязкоупругую диэлектрическую среду, изменение двулучепреломления обусловлено переориентацией самих молекул ЖК, т.е. упругой деформацией слоя.

Каждую из сложных молекул ЖК (как правило, это большие молекулы органических веществ), имеющую удлиненную форму, можно представить в виде элементарного оптически одноосного кристаллика. Если оси молекул параллельны друг другу, то слой такого вещества подобен пластинке одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с осями молекул. В ЖК нематического типа с положительной диэлектрической анизотропией, для которого поляризуемость вдоль длинной оси молекулы больше, чем вдоль поперечной, т.е. > 0, молекулы стремятся выстроиться длинными осями вдоль силовых линий электрического поля. Поэтому первоначально в
таких ЖК молекулы ориентируют длинными осями в плоскости подложек с прозрачными электродами (см. рисунок 13.3).

Для плоскополяризованной электромагнитной волны, распространяющейся перпендикулярно плоскости подложек, такой слой ЖК обладает максимальным двулучепреломлением: , где и соответственно означают показатели преломления для поляризации, совпадающей с длинной осью молекулы и ей ортогональной, т.е. показателями преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей «молекулярного кристаллика». При достижении некоторого порогового значения V_п на электродах (обычно единицы вольт) электрический момент превышает силы упругости, удерживающие молекулы в исходном положении, и начинается их переориентация сначала в центре слоя, где сцепление с подложками слабее, затем по всей глубине слоя (переход Фредерикса [7]).

При напряжении V > V_п направления осей молекул в слое характеризуются некоторыми углами к направлению первоначальной ориентации и являются функциями координаты слоя по толщине. Соответственно уменьшается проекция длинных осей молекул на плоскость слоя и связанная с ней величина большего показателя преломления, тогда как значение показателя n₀ остается неизменным. В результате двулучепреломление ЖК ячейки определяется некоторым эффективным значением , которое максимально для недеформированного слоя ЖК и приближается к нулю (ячейка почти изотропна для проходящего сквозь нее света) при » . Используя поляризаторы, скрещенные по отношению друг к другу и имеющие угол 45⁰ к направлению исходной ориентации молекул, как и в случае эффекта Поккельса для электрооптического монокристалла или электрооптического эффекта в керамике, нетрудно преобразовать изменение двулучепреломления в модуляцию поляризации и соответственно изменение интенсивности проходящего излучения, происходящее по закону, аналогичному (13.9):

~ (13.10)

Учитывая, что для многих ЖК = 0,2…0,4 (!!), изменение двулучепреломления в электрическом поле обеспечивает максимальную глубину модуляции интенсивности для видимого диапазона уже на толщине слоя порядка 1 мкм. В более толстых ячейках можно получить до нескольких пиков или минимумов пропускания света ячейкой, а однозначное изменение интенсивности (в пределах изменения фазового сдвига 0…π) можно осуществить при незначительном изменении ориентации молекул в части слоя ЖК.

Столь поразительное проявление электрооптического эффекта в ЖК может объяснить многие особенности биомедицинской оптики (т.е. закономерностей прохождения излучения оптического диапазона через биологические среды), задача состоит главным образом в нахождении адекватной модели биосреды, проводящей аналогию с ЖК.

Сказанное справедливо и для ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией, у которых поляризуемость вдоль длинной оси молекулы меньше, чем вдоль поперечной ( < 0). Разница лишь в том, что исходно молекулы следует ориентировать вдоль силовых линий электрического поля, и приложение поля ведет к увеличению от 0 до .

Отметим еще одну характерную особенность электрооптического эффекта в ЖК, допускающую глубокие биофизические аналогии, а именно, существенно бóльшее время релаксации по сравнению со временем электрооптического отклика. Вообще быстродействие электрооптического отклика для ЖК определяется временем переориентации больших молекул ЖК и для разных типов ЖК варьируется в пределах 10^-6…1 с при напряжениях, соответствующих полуволновому (10…10^-1 В). Возвращение же молекул к исходному состоянию при выключении поля осуществляется под действием упругих сил и обычно превосходит время отклика на один-два порядка. Время релаксации может быть существенно увеличено выбором типа ЖК или их смесей.

В отличие от ЖК нематического типа, у которых оси молекул в слое ориентируются параллельно друг другу, подобно железным опилкам в магнитном поле, у холестерических ЖК имеет место спирально закрученная структура с углом поворота на соседних участках слоя относительно друг друга [7]:

(13.11)

Здесь s₀ — шаг пространственной спирали в отсутствие электрического поля, L — толщина слоя. Такая структура оптически активна, т.е. вращает плоскость поляризации оптического излучения, распространяющегося вдоль оси спирали (по нормали к подложкам) до 1000⁰ на толщине слоя 1 мм (!!). При нагревании слоя ЖК или при наложении электрического поля молекулярная спираль может растягиваться, т.е. оптической активностью слоя ЖК можно управлять.

На практике чаще всего используется управление оптической активностью слоя нематического ЖК с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости, закрученного наподобие холестерической спирали на угол 90⁰. Это достигается путем задания взаимно ортогональной ориентации молекул на прилегающих у разным подложкам участках слоя ЖК. В отсутствие электрического поля слой вращает плоскость поляризации проходящего света на 90⁰. Приложение поля снимает оптическую активность слоя, и за анализатором интенсивность меняется от нуля до максимума в зависимости от того, как ориентирован анализатор по отношению к направлению поляризации падающего света. Этот эффект носит название твист-эффекта ишироко используется в современной электронной технике (индикаторные устройства, дисплеи и т.п.).

Уникальные свойства ЖК (высокая чувствительность к управляющим воздействиям, выраженные пороговые свойства, высокая крутизна модуляционной характеристики для большинства электрооптических эффектов, высокое оптическое качество тонких слоев ЖК, технологичность изготовления на их основе многоэлементных приборов и устройств большого формата) обуславливают все возрастающее преобладание ПВМЛИ на основе ЖК среди всех типов ПВМЛИ.