Динамически управляемые дифракционные структуры на основе фотополимерных жидкокристаллических материалов для оптических систем связи

Устюжанин, Сергей Владимирович

Динамически управляемые дифракционные структуры на основе фотополимерных жидкокристаллических материалов для оптических систем связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Устюжанин, Сергей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Динамически управляемые дифракционные структуры на основе фотополимерных жидкокристаллических материалов для оптических систем связи»

Автореферат диссертации на тему "Динамически управляемые дифракционные структуры на основе фотополимерных жидкокристаллических материалов для оптических систем связи"

На правах рукописи

005050^ і®*

Устюжанин Сергей Владимирович

ДИНАМИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ

01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Р МАР 7073

ТОМСК-2013

005050314

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», на кафедре сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники.

Научный кандидат физико-математических наук,

руководитель: старший научный сотрудник

Шарангович Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

Гейко Павел Пантелеевич, доктор физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, лаборатория экологического приборостроения, ведущий научный сотрудник

Волошинов Виталий Борисович, кандидат физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», кафедра физики колебаний, доцент

Ведущая Федеральное государственное бюджетное

организация: учреждение науки Институт автоматики и

электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск)

Защита состоится 14 марта 2013 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (Главный корпус, ауд. 119).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан 11 февраля 2013 г.

Ученый секретарь **

диссертационного совета ршМф&с-? Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяется интенсивным развитием современных оптических систем связи, обеспечивающих возможность передачи на значительные расстояния большого объема данных с высокой скоростью. Не смотря на то, что такие системы связи нашли широкое применение, проблема их совершенствования и развития остается по-прежнему актуальной. Передача большого количества данных при помощи оптических систем связи связана с применением дифракционных структур (ДС) в технологиях, таких как пассивные оптические сети (PON), спектральное уплотнение (WDM/DWDM) [1,2].

Для применения ДС в оптических системах связи необходимы новые материалы, обеспечивающие долговременную стабильность, низкий уровень шумов и высокую фоточувствительность. Более того, наиболее технически простым и экономически выгодным методом создания дифракционных структур в ФПМ-ЖК является голографический метод. На основе отражательных ДС для оптических систем связи возможно создавать селективные устройства, а на основе пропускающих ДС - широкополосные. Также для обеспечения высоких показателей качества связи необходимы управляемые элементы систем связи.

В последнее время все больше внимание уделяется средам для голографической записи, таким как, фоторефрактивные кристаллы, фотополимерные материалы (ФПМ), фотополимерные материалы с жидкокристаллической (ЖК) компонентой (ФПМ-ЖК). Помимо указанных достоинств перспективность ФПМ-ЖК также обусловлена высокой разрешающей способностью, высокой дифракционной эффективностью, возможностью управления селективными и дифракционными свойствами, относительной дешевизной материала, отсутствием необходимости дополнительной химической обработки голограмм после записи [3,4].

Используя пропускающие топографические ДС, сформированные в ФПМ-ЖК (ДС в ФПМ-ЖК), возможно создать широкополосные динамически управляемые электрическим полем устройства для оптических систем связи.

Существующие математические модели голографического формирования пропускающих ДС в ФПМ-ЖК представлены с учетом соотношения вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи, нелинейности процесса фотополимеризации [5-7]. Но в них не приняты во внимание: неоднородный характер скорости фотополимеризации и диффузии, оптическое поглощение, пространственная неоднородность записывающих пучков.

Существующие дифракционные модели взаимодействия световых пучков с периодическими пропускающими ДС, сформированными в ФПМ-ЖК описывают взаимодействие плоских волн с однородной периодической ДС [3, 4, 8]. Эти модели не учитывают амплитудную неоднородность профиля показателя преломления ДС, влияние оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма, обусловленной воздействием краевых эффектов образца на переориентацию молекул ЖК под действием управляющего электрического поля.

Создание моделей голографического формирования и дифракции световых пучков на периодических пропускающих ДС, сформированных в ФПМ-ЖК, с учетом указанных недостатков, позволит моделировать и оптимизировать характеристики данных структур. Поставленные вопросы представляют практический интерес и являются важным этапом в создании динамически управляемых ДС для систем оптической связи.

Цель работы состояла в определении возможности применения амплитудно-неоднородных периодических электрически управляемых пропускающих ДС, сформированных в ФПМ-ЖК голографическим способом в качестве элементов систем оптической связи.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. разработка математической модели нелинейной записи пространственно неоднородных топографических ДС для пропускающей геометрии в поглощающих ФПМ-ЖК с учетом неоднородного характера скорости фотополимеризации и диффузии, оптического поглощения, пространственной неоднородности записывающих пучков;

2. разработка математических моделей дифракции световых пучков на пропускающих голографических ДС в ФПМ-ЖК с учетом пространственной неоднородности амплитудного профиля первой гармоники показателя преломления ДС, влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма, обусловленной воздействием краевых эффектов образца на переориентацию молекул ЖК под действием управляющего электрического поля;

3. исследование кинетик формирования и трансформации вида пространственных амплитудно-неоднородных распределений пропускающих ДС в ФПМ-ЖК на основе полученной модели с учетом

о пространственно-неоднородного характера и произвольной скорости фотополимеризации и диффузии, обусловленных оптическим поглощением и неоднородностью записывающих пучков;

о произвольного соотношения скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС;

4. на основе полученных моделей дифракции световых пучков на неоднородных ДС в ФПМ-ЖК исследование дифракционных свойства ДС в ФПМ-ЖК с учетом пространственной неоднородности амплитудного профиля первой гармоники показателя преломления ДС, влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма;

5. расчет характерных параметров динамически управляемого электрическим полем разветвителя для оптических систем связи на основе неоднородных голографических ДС в ФПМ-ЖК с учетом пространственной неоднородности амплитудного профиля первой гармоники показателя

преломления ДС, влияния приложенного электрического поля на оптическую плавную неоднородность ФПМ-ЖК.

Методы исследований.

Теоретический анализ формирования ДС в ФПМ основывался на теории радикальной фотополимеризации, а дифракции - на решении уравнений связанных волн методом медленно-меняющихся амплитуд.

Для численного исследования кинетики и вида пространственных амплитудно-фазовых распределений ДС и расчета их дифракционных характеристик использовались методы компьютерного моделирования.

В работе также используются: теория диффузии, элементы геометрической и волновой оптики, преобразование Фурье.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. При голографическом формировании дифракционных структур в оптически поглощающих ФПМ-ЖК и соотношении времен фотополимеризиции ко времени диффузии мономера Тр/Тт<1, вследствие пространственной неоднородности фотополимеризационного и диффузионного механизмов записи вдоль глубины решетки формируется сначала спадающий профиль первой гармоники показателя преломления дифракционной структуры, затем- усеченный куполообразный и далее-возрастающий.

2. С ростом управляющего напряжения, приложенного к ФПМ-ЖК дифракционной структуре с концентрацией молекул ЖК 0,9<р<0,95, для отношения ширины спектра пространственных частот светового пучка к ширине соответствующего спектра дифракционной структуры меньшего единицы, - за счет влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма - дифракционная эффективность снижается быстрее, чем при концентрации молекул ЖК р<0,9. При этом, в сравнении с результатом, полученным по формуле Когельника, снижение нормированной дифракционной эффективности для Е/Ес= 1,2 больше в 2 раза для однородного профиля, в 4 и 8 раз - для симметричного и

несимметричного усеченных по уровню 0,1 куполообразных профилей соответственно, где Ес — критическое напряжение.

Достоверность и обоснованность результатов работы.

Достоверность первого защищаемого положения обеспечивается переходом полученной в работе модели к результатам, приведенным в [9, 10], при уменьшении концентрации молекул ЖК в образце до нуля, а также переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования к результатам, полученным в работах [5 - 7], при следующих упрощениях: однородный характер скорости фотополимеризации и диффузии, отсутствие оптического поглощения, однородные записывающие пучки.

Достоверность второго защищаемого положения подтверждается переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования к результатам, полученным в работах [3, 4, 8, 11] при следующих упрощениях: однородный амплитудный профиль показателя преломления ДС, отсутствие влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма.

Новизна защищаемых положении.

Новизна первого защищаемого положения заключается в том, что впервые представлена модель формирования пропускающих голографических ДС в поглощающих ФПМ-ЖК, которая позволяет установить закономерности кинетик голографического формирования и трансформации амплитудно-неоднородных распределений, а также учитывает

о неоднородный характер скорости фотополимеризации и диффузии,

о оптическое поглощение;

о произвольность соотношения скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС.

Новизна второго защищаемого положения заключается в том, что впервые представлены модели дифракции световых пучков на управляемых электрическим полем пропускающих ДС в ФПМ-ЖК, учитывающие

о неоднородность амплитудного профиля первой гармоники показателя преломления ДС,

о влияние оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма.

Новизна работы заключается в разработанном на основе созданных математических моделей программном обеспечении: «Программный комплекс для исследования процессов формирования и дифракционных характеристик голографических фотонных структур». Данный программный продукт зарегистрирован в «Объединенном фонде электронных ресурсов «наука и образование» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса №17057 от 10.05.2011г.).

Научная ценность защищаемых положений.

Научная ценность первого защищаемого положения заключается в том, что представленная математическая модель голографического формирования пропускающих ДС в поглощающих ФПМ-ЖК позволяет определить условия формирования заданного профиля показателя преломления.

Научная ценность второго защищаемого положения заключается в том, что

о представленная математическая модель дифракции световых пучков на амплитудно-неоднородных ФПМ-ЖК ДС позволяет установить влияние оптической плавной неоднородности на дифракционные и электрооптические свойства;

о впервые представлен фазовый способ управления дифракционными характеристиками ДС в ФПМ-ЖК, основанный на изменении условий фазового синхронизма вследствие наведенной управляющим электрическим полем в ФПМ-ЖК оптической плавной неоднородности.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что:

1. содержание первого защищаемого положения позволяет определить условия голографического формирования, при которых наличие неоднородного характера скорости фотополимеризации и диффузии, оптического поглощения, пространственной неоднородности записывающих пучков приводит к аподизации пространственного амплитудного профиля ДС, позволяющей:

о увеличить дифракционную эффективность на 50%,

о снизить уровень боковых лепестков до —22,5 дБ;

2. содержание второго защищаемого положения позволяет снизить величину управляющего напряжения ДС в ФПМ-ЖК до 8 раз;

3. на основе разработанных математических моделей голографического формирования амплитудно-неоднородных пропускающих ДС в ФПМ-ЖК и дифракции на них световых пучков даны рекомендации для разработки элементов систем оптической связи с плавной регулировкой коэффициента передачи для систем оптической связи в диапазоне длин волн 1260 нм- 1650 нм;

4. разработанное на основе созданных математических моделей программное обеспечение позволяет осуществить динамическую оптимизацию передаточной функции ДС, определить оптимальные условия формирования (время и углы записи, амплитудно-фазовое распределение записывающих пучков, соотношение времен диффузии и полимеризации) для получения ДС с заданными дифракционными характеристиками (эффективность дифракции, ширина полосы пропускания, уровень боковых лепестков) и электрооптическими параметрами (величина управляющего напряжения, время переключения).

Личный вклад автора

Большинство результатов получено лично автором либо при его непосредственном участии. Автором работы проводились некоторые математические выводы, численное моделирование. Постановка задач

исследований, обработка и интерпретация полученных результатов осуществлялась совместно с научным руководителем, к.ф.-м.н., с.н.с С.Н. Шаранговичем. Вклад основных соавторов заключался в помощи при проведении математических выкладок (Б.Ф. Ноздреватых, Е.А. Довольное).

Работа выполнялась в период с 2005 г. по 2012 г. на базе Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) на кафедре сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР).

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: седьмая всероссийская с международным участием научно-техническая конференция молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (КГТУ, Красноярск, 2005г.); XLIII, XLIV, XLVII международных научно-студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (НГУ, Новосибирск, 2005, 2006, 2009 гг.); всероссийские научно-технические конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Научная сессия ТУСУР - 2005, 2006, 2008-2010 гг.» (ТУСУР, Томск); XI международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, Москва, 2005 г.); Fifth Asia - Pacific Conference and Workshop "Fundamental problems, of opto-and microelectronics" (APCOM'2005) (Vladivostok, 2005 г.); Ill - VI международные научно-практические конференциии «Электронные средства и системы управления» (ТУСУР, Томск, 2005, 2007, 2008, 2010 гг.); всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных «ВНКСФ-12» (НГУ, Новосибирск, 2006 г.), «ВНКСФ-15» (Кемерово-Томск, 2009 г.); X Российская научно-студенческая конференция «Физика твердого тела» (ТГУ, Томск, 2006 г.); IV международный оптический конгресс «Оптика-XXI век» «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО-2006» (СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2006 г.); шестая международная научно-

техническая конференция «Квантовая электроника» (БГУ, Беларусь, Минск, 2006 г.); XI всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» (МГУ, г.Москва, 2007 г.); XXVI школа по когерентной оптике и голографии (ИВВАИУ (Военный институт), Иркутск, 2007 г.); 4-th international Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Alushta, Crimea, Ukraine, 2008); международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» «АПР-2008», (ТГУ, Томск, 2008 г.); VI международная конференция «0птика-2009» (СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2009 г.); The 8th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO/Pacific Rim 2009), (Shanghai, China, 2009 г.); XIII всероссийская школа-семинар "Волны-2010" (МГУ, Москва, 2010 г.).

Внедрение

Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований кафедры СВЧиКР ТУСУРа, и результаты работы были включены в отчеты НИР:

■ НИР Проект-5 ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005 г. Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации по проекту №711: «Исследование наноразмерных динамически управляемых дифракционных периодических структур в фотополимеризующихся жидкокристаллических композиционных материалах»;

■ НИР ГБ 1.6.05 «Исследование фоторефрактивных, фотоиндуцированных, опто- и акустоэлектронных явлений в монокристаллах, оптических волноводах и фотополимерах для определения принципов построения оптических датчиков и систем связи» по тематическому плану Министерства образования и науки РФ;

■ НИР № 2097 по проекту № 17 «Эффекты самовоздействия световых пучков в динамических и стационарных периодических структурах в объемных фоторефрактивных и фотополимерных материалах и в оптических волноводах на их основе», задание Рособразования по аналитической

ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)»;

■ проект № 2.1.1/429 «Эффекты нелинейного пространственного и спектрального преобразования световых полей в квазирегулярных дифракционных, волноводно-оптических и доменных структурах на основе фотополимерных материалов, электрооптических и сегнетоэлектрических кристаллов» аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)", г. Томск 2009-2010 гг;

■ проекте № 2.1.1/9701 «Эффекты нелинейного пространственного и спектрального преобразования световых полей в квазирегулярных дифракционных, волноводно-оптических и доменных структурах на основе фотополимерных материалов, электрооптических и сегнетоэлектрических кристаллов» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)», г. Томск 2011 г.;

■ по государственному контракту от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0553 по теме «Стабильные периодические и периодически-поляризованные структуры, фотонные решетки и сверхрешетки в кристаллах, фотополимерных композициях и оптических волноводах на их основе» (промежуточный, этап № 1, № 2, № 3), г. Томск 2010-2011 гг.

Работа поддерживалась грантом У.М.Н.И.К. фонда содействия развитию МФП в НТС (договор № КР_409/08 от 20.02.2009г. и Госконтракт № 13139 от 14.01.2011 г.) по теме «Программное обеспечение для исследования и моделирования динамически управляемых дифракционных структур в ФПМ-ЖК материалах для цифровых оптических систем связи».

Результаты работы использовались в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Новосибирский институт органической химии им. H.H. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук» (НИОХ СО РАН) в виде программного обеспечения «Программный комплекс для исследования процессов формирования и дифракционных характеристик голографических фотонных структур» при проведении

исследовательской работы в Лаборатории органических светочувствительных материалов НИОХ СО РАН по разработке фотополимерных голографических материалов, при проведении учебных занятий и в ходе выполнения дипломных работ студентов.

Результаты работы используются на кафедре СВЧиКР ТУСУРа в учебном процессе с 2008/2009 учебного года

■ при выполнении практических занятий студентов 4 курса по дисциплинам группового проектного обучения «Моделирование оптоэлектронных элементов и устройств», «Автоматизированное проектирование оптоэлектронных элементов телекоммуникационных систем», при выполнении НИР и УИР студентов пятого курса, при курсовом и дипломном проектировании студентов по специальности «Физика и техника оптической связи»;

■ в виде модуля моделирования энергетических, угловых, поляризационных и переключательных характеристик электрически-управляемых ФПМ-ЖК ДС пропускающей геометрии в составе «Программного комплекса для исследования процессов формирования и дифракционных характеристик голографических фотонных структур».

Публикации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 20 научных изданиях, включая 7 статей в отечественных журналах из перечня ВАК, а также 13 работ в сборниках трудов Международных и Всероссийских конференций и семинаров. Полный список публикаций по теме приведен в конце диссертационной работы [90-94, 98-101, 109-129, 132-146, 152-153].

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 4 таблицы, 52 рисунка и список литературы в количестве 157 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цель и задачи работы, сформулированы выносимые на защиту научные положения, определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ литературы, посвященной исследованиям ФПМ-ЖК. Анализ приведен на основе теоретических и экспериментальных исследований.

В подразделе 1.1 подробно описаны все основные технологии получения ФПМ-ЖК пленок, рассмотрены существующие модели записи и разновидности ДС в ФПМ-ЖК.

В указанном подразделе описан процесс образования ЖК-капсул в ФПМ-ЖК при топографическом формировании, рассмотрено влияние параметров топографического формирования и ФПМ-ЖК на размер ЖК-капсул. Так же рассмотрена ориентация директора нематического жидкого кристалла в ЖК-капсуле во внешнем электрическом поле и без него.

В подразделе 1.2 описаны дифракционные свойства ДС в ФПМ-ЖК, рассмотрены параметры топографического формирования и ФПМ-ЖК влияющие на дифракционные свойства и методы улучшения дифракционных характеристик.

Так же в указанном подразделе рассмотрены элекгрооптические свойства ДС в ФПМ-ЖК, временные характеристики, рассеяние, усадка, долговечность, и описано влияние параметров топографического формирования и ФПМ-ЖК на указанные характеристики.

В подразделе 1.3 описано применение ФПМ-ЖК в качестве элементов оптической связи и гибких дисплеев.

Проведенный аналитический обзор показал актуальность исследования ДС, сформированных топографическим методом в ФПМ-ЖК в качестве элементов оптической связи, а так же необходимость комплексного исследования формирования и считывания ДС в ФПМ-ЖК.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию топографического формирования пропускающих ДС в ФПМ-ЖК.

В подраздел 2.1 дано описание компонентов исследуемого образца ФПМ-ЖК: геометрические размеры молекул мономера, полимера, ЖК, их средний молекулярный вес и показатели преломления.

В подразделе 2.2 кратко рассмотрено распространение света в ФПМ-ЖК, получены выражения, описывающие амплитудные и поляризационные параметры распространяющихся световых пучков в ФПМ-ЖК образце. Показано, что анизотропные свойства ФПМ-ЖК обуславливают две независимые собственные волны: обыкновенная и необыкновенная. Причем, для необыкновенной волны показатель преломления зависит от ориентации директора ЖК в образце, которая, в свою очередь, является функцией приложенного электрического поля.

В подразделе 2.3 рассмотрено двухпучковое топографическое формирование ДС в ФПМ-ЖК. Показано, что под действием света в ФПМ-ЖК происходит процесс фотополимеризации, и согласно распределению света в образце формируются фазовые дифракционные структуры на обыкновенных и необыкновенных волнах.

Кратко описан механизм радикальной фотополимеризации в ФПМ-ЖК, приводящий к локальным изменениям показателя преломления. Эволюция пространственно-временного распределения показателя

преломления пт( г, £), формируемого на обыкновенных (т=о) и необыкновенных волнах (т=е) зависит от распределения компонентов в образце и описывается при помощи кинетических уравнений для мономера, полимера, жидкого кристалла. Показано, что распределение молекул мономера происходит за счет фотополимеризационного механизма, а распределение жидкого кристалла за счет диффузионного.

Получен общий вид решения задачи нелинейной записи пространственно-неоднородных голографических ДС в поглощающих ФПМ-ЖК в виде суммы пространственных гармоник показателя преломления с

учетом неоднородного характера скорости фотополимеризации и диффузии, оптического поглощения, пространственной неоднородности записывающих пучков. Установлена связь между показателем преломления и тензором диэлектрической проницаемости, также получено решение задачи для линейного режима.

В подразделе 2.4 на основе полученной модели записи ДС в ФПМ-ЖК было проведено численное моделирование нормированного пространственно-временного распределения амплитуды первой гармоники показателей преломления фотополимерной п^ и ЖК л{с составляющих записываемой необыкновенной ДС при записи плоскими волнами.

При сравнении полученных результатов установили, что кинетики п(

и п11 имеют различный характер (рисунок 1). Так, при отношении времени полимеризации Тр(у,2) ко времени диффузии мономера Тм Ъ5< 1 (Ья = Тр(у,г) / Тм) поглощение приводит к трансформации профилей

показателя преломления ДС вдоль глубины образца (ось у) от спадающего (повторяющего распределение интенсивности света) до возрастающего. Этот факт обуславливается изменением Ь3 вдоль оси у. При Ъ5> 1 вдоль оси у наблюдается только спадающий профиль показателя преломления.

Также установлено, что с ростом времени фотополимеризации ЖК составляющая ДС п(с всегда возрастает при любых Ъ,.

Показано, что при 1 формируется более сильная ДС.

В указанном подразделе численно исследован нормированный пространственный профиль решетки записанной гауссовыми пучками. Установлено, что в начале записи пространственные профили решеток повторяют пространственное распределение интенсивности интерференционной картины (рисунок 2): неоднородность профиля вдоль поперечной координаты г обусловлена амплитудным профилем записывающих пучков, а неоднородность вдоль координаты у - затуханием записывающих пучков по глубине материала вследствие поглощения.

Рисунок 1 - Пространственно-временные профили амплитуд решеток при Ь.5=0.1, ас!= 1! 1сп (а, б), и Ь,=5, ас!- 1Нсп (в, г)

Рисунок 2 - Нормированный пространственный профиль решетки при Ь5= 0.1, а^=1Неп (а) и 6.,=5, аяМНеп (б)

Третья глава посвящена исследованию дифракционных характеристик пропускающих ДС, сформированных в ФПМ-ЖК при малой концентрации молекул ЖК (р <0,9).

В подразделе 3.1 представлено пространственно-неоднородное распределение тензора диэлектрической проницаемости сформированной ДС в ФПМ-ЖК. Показано, что в процессе формирования ДС в ФПМ-ЖК, при малой концентрация молекул ЖК в образце, за счет диффузионного и

инкапсуляционного механизмов, вызванных процессом фотополимеризации, молекулы ЖК группируются в капсулы. Ориентация молекул ЖК в капсуле различна, так как ориентация молекул ЖК слабо зависит от границ образца. В этом случае наблюдается преимущественная ориентация молекул ЖК в капсуле, и, с учетом большого количества молекул, статистику распределения ориентации директора ЖК в капсуле можно принять гауссовой.

В подразделе 3.2 показано, что ввиду анизотропных свойств ФПМ-ЖК световую волну на границе раздела сред можно записать в виде суммы собственных волн для обыкновенных и необыкновенных волн, показатели преломления и поляризации которых определяются в нулевом приближении метода ММА, а их комплексные амплитуды определяются в первом приближения метода ММА и находятся из уравнений связанных волн (УСВ).

Представлен амплитудный способ управления дифракционными характеристиками ДС, сформированных в ФПМ-ЖК при помощи приложенного электрического поля. Показано, что данный способ управления основан на изменении показателей преломления и поляризаций собственных волн под действием приложенного электрического поля.

В подразделе 3.3 показано, что фазовая расстройка АКт из УСВ является функцией управляющего электрического поля, частоты светового поля, угла ее падения и может быть аппроксимирована линейным соотношением.

В подразделе 3.4 приведены решения УСВ в апертурных координатах методом Римана.

В подразделе 3.5 получены передаточные функции (ПФ) ДС в ФПМ-ЖК, при помощи которых определены угловые спектры и пространственные распределения дифракционного поля в дальней зоне.

В подразделе 3.6 при помощи ПФ получены выражения, описывающие поляризационные характеристики.

В подразделе 3.7 проведено численное моделирование ПФ, амплитудных профилей световых пучков, энергетических и поляризационных характеристик для однородного, спадающего, куполообразного и возрастающего профилей показателя преломления.

Установлено, что однородный профиль показателя преломления обладает узкой полосой пропускания и высоким уровнем боковых лепестков, а куполообразный профиль показателя преломления - узкой полосой пропускания и низким уровнем боковых лепестков, спадающий и возрастающий - широкой полосой пропускания.

Из численного моделирования также установлено, что пространственное смещение светового пучка нулевого порядка дифракции по апертурной координате для всех профилей показателя преломления зависит от приложенного электрического поля, а для симметричных профилей показателя преломления пространственное смещение дифрагированого пучка по апертурной координате ^ не зависит от приложенного электрического поля и составляет где

g = ^зт(Э™0 + / 2Жсо8(8^) - геометрический параметр дифракции, 6™- - углы между групповой нормалью светового пучка и осью у,

направленной вдоль глубины образца (/=0 соответствует пучку нулевого порядка дифракции, у=1 - первому), с/ - толщина образца, 2IV - ширина амплитудного профиля падающего пучка на входе ДР.

Оценка энергетических характеристик ДС в ФПМ-ЖК представлена при помощи интегральной дифракционной эффективности ту. В данном подразделе получено, что с увеличением приложенного электрического поля дифракционная эффективность ту уменьшается для всех профилей показателя преломления ДС за счет амплитудного способа управления при любой расходимости считывающего светового пучка. Более того, зависимость ту имеет спадающий характер с ростом расходимости светового пучка (рисунок 3) для всех профилей показателя преломления.

Рисунок 3 - Зависимости интегральной дифракционной эффективности от g.

Профиль показателя преломления: 1 - однородный, 2 - спадающий и возрастающий, 3 - куполообразный

Полученные результаты исследования дифракционных

характеристик неоднородных ДС, образованных в ФПМ-ЖК материале с маленькой концентрацией молекул ЖК, показывают, что эффект динамической апподизации

амплитудных профилей позволяет получить более высокие

энергетические и селективные характеристики ДС с минимальными искажениями пространственной

структуры светового поля.

Четвертая глава диссертационной работы представляет результаты теоретического исследования дифракционных характеристик пропускающих ДС, сформированных в ФПМ-ЖК при большой концентрации молекул ЖК (0,9<р<0,95).

В подразделе 4.1 представлено пространственно-неоднородное распределение тензора диэлектрической проницаемости сформированной ДС в ФПМ-ЖК. Показано, что при большой концентрации ЖК в образце в процессе формирования ДС происходит группировка молекул жидкого кристалла между слоями полимера. В этих областях ориентация молекул ЖК определяется границами образца и описывается уравнением Фредерикса (рисунок 4а). Установлено, что указанная среда является плавно- оптически неоднородной.

В этом случае фазовая расстройка ДКт(г) из УСВ становиться функцией от координаты у и приобретает вид параметра интегральной

фазовой расстройки 0™(г) = /ДКя(г)Л", что показано в подразделе 4.2.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 у/<], отн. ед.

а)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 у/с!, отн. ед.

б)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 уМ, отн. ед.

В)

Рисунок 4 - Зависимость угла поворота директора ЖК Ф (а), ДК (б), 0 (в)от у. Ес - критическое напряжение

В подразделе 4.3 проведено численное моделирование, из которого следует, что возмущенную область ФПМ-ЖК можно разбить на N слоев толщиной с1„ (рисунок 46,в) с неоднородными оптическими

свойствами в каждом слое, использовать параболическую

аппроксимацию ®еп(г) = ®п(у,Е) из УСВ для каждого слоя, и получить их решения в каждом слое.

В подразделе 4.4 получены амплитудные профили

дифракционного поля для малой (при дифракционной эффективности меньше 30%) и большой дифракционной эффективности.

Для малой дифракционной эффективности решение УСВ получено в апертурных координатах (^0,^1) в приближении заданного поля. Решения УСВ при большой дифракционной эффективности

получены для ступенчатой аппроксимации амплитудного профиля показателя преломления и параболической аппроксимации фазового профиля каждого слоя ДС толщиной с1„. В этом случае решения УСВ в каждом слое были найдены в аналитическом виде методом Римана в апертурных координатах (^>,40 и представлены в виде рекуррентных соотношений, с помощью которых последовательно можно описать процесс образования

пространственных профилей и " (?]] необыкновенных волн на

выходе каждого п-го слоя через распределения " Х (С) и -Е* ( п) на его входе.

Для описания процессов преобразования пространственных профилей световых пучков необыкновенных волн в подразделе 4.5 применены матричные рекуррентные соотношения, которые записаны при помощи ПФ ФПМ-ЖК дифракционной структуры и описывают изменения параметров среды от слоя к слою.

В подразделе 4.6 численно исследованы дифракционные характеристики и управление ими при малой и большой дифракционной

Установлено, для всех профилей показателя преломления характерно смещение зависимости ту „(Е,АК) по координате АК с приложением эклектического поля Е (рисунок 5),

Анализ результатов

численного моделирования

показывает, что управление внешним электрическим полем осуществляется не только за счет зависимости амплитудного коэффициента связи от величины напряженности приложенного электрического поля Е (рисунок 6а), но и за счет зависимости линейного члена параметра интегральной фазовой расстройки ®(у,Е) от приложенного электрического поля Е (рисунок 66), которая обусловлена зависимостью ориентации молекул ЖК от продольной координаты. Так же получено, что с увеличением приложенного поля Е для несимметричных профилей показателя преломления нормированная дифракционная

Рисунок 5 - Зависимость Г|,/Н(£,ДЛГ) для однородного профиля показателя преломления

эффективность снижается быстрее чем для симметричных (рисунок 7), а для куполообразного профиля показателя преломления нормированная дифракционная эффективность снижается быстрее чем для однородного.

Рисунок 6 - Зависимость Т| л н {Е, АК) (а) и Л,/„(£-,ЛА" = 0) (б). Профиль показателя преломления: 1 - однородный, 2 - спадающий,

3 - куполообразный, 4 - возрастающий; 5 - результат, полученный при помощи формулы Когельника [4, 8]

Также установлено, что квадратичный член зависимости ®(уД) оказывает влияние на полосу пропускания ДС. Так, с увеличением величины приложенного электрического поля Е полоса пропускания для симметричных профилей показателя преломления уменьшается, а для не симметричных — возрастает.

Пятая глава диссертации посвящена применению пропускающих ФПМ-ЖК ДС в качестве активного элемента управляемого электрооптического разветвителя с плавной регулировкой коэффициента деления приложенным электрическим полем (рисунок 8). Данная глава содержит

Рисунок 7 - Нормированная зависимость Х[1)и (Е, АК = 0). Профиль показателя преломления: 1 - однородный, 2 - спадающий и возрастающий, 3 - куполообразный; 4 - результат, полученный при помощи формулы Когельника [4]

предложения по практической реализации полученных в предыдущих главах результатов в виде разветвителя для систем оптической связи.

Рисунок 8 - Схематическое изображение управляемого электрооптического разветвителя

К достоинствам такого устройства можно отнести: простое схемотехническое решение, голографическое формирование ДС в ФПМ-ЖК, низкое значение управляющего напряжения (до десятков вольт), плавная регулировка коэффициента деления, отсутствие механических переключений, малое время переключения (до 50 мс),

перекрытие всего оптического диапазона рабочих длин волн систем связи (1260 нм- 1650 нм).

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана математическая модель нелинейной записи пространственно неоднородных голографических дифракционных структур для пропускающей геометрии в поглощающих ФПМ-ЖК материалах для оптических систем связи, позволяющая определить кинетику и вид пространственного амплитудно-фазового распределения создаваемых ДС. Модель представлена с учетом неоднородного характера скорости фотополимеризации и диффузии, пространственной неоднородности записывающих пучков.

2. Впервые разработаны математические модели дифракции световых пучков на пропускающих голографических ДС в ФПМ-ЖК с

учетом пространственной неоднородности амплитудного профиля первой гармоники показателя преломления ДС, влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма, обусловленной воздействием краевых эффектов образца на переориентацию молекул ЖК под действием управляющего электрического поля. Полученные аналитические решения и передаточные функции описывают эволюцию пространственных профилей световых пучков при произвольной геометрии и эффективности дифракции.

3. Исследованы два способа управления дифракционными свойствами решеток, сформированных в ФПМ-ЖК приложенным электрическим полем:

■ амплитудный, обусловленный зависимостью показателей преломления и поляризаций собственных волн от приложенного электрического поля,

■ фазовый, основанный на изменении условий фазового синхронизма вследствие наведенной управляющим электрическим полем в ФПМ-ЖК оптической плавной неоднородности. Фазовый способ исследован впервые.

4. Установлено, что при концентрации молекул ЖК в ФПМ-ЖК р<0,9 преобладает амплитудный способ управления дифракционными характеристиками ДС, при концентрации молекул ЖК 0,9<р<0,95 -амплитудный и фазовый способы.

5. Установлено, что плавная оптическая неоднородность вдоль глубины образца, обусловленная наличием концентрации молекул ЖК в образце 0,9<р<0,95 позволяет:

■ снизить величину управляющего напряжения за счет фазового способа управления;

■ управлять селективными свойствами ФПМ-ЖК ДС.

6. Установлено, что при концентрации молекул ЖК 0,9<р<0,95 в ФПМ-ЖК управление дифракционной эффективностью ФПМ-ЖК ДС посредством управления условиями фазового синхронизма возможно только для симметричных профилей показателя преломления.

7. Даны рекомендации для разработки широкополосного разветвителя для оптических систем связи основанного на ФПМ-ЖК ДС, принцип работы которого основан на управлении дифракционными характеристиками при помощи приложенного электрического поля. Показано, что такой разветвитель будет характеризоваться плавным управлением коэффициентом деления, низким управляющим напряжением и малыми временами переключения.

Список цитируемой литературы

1. Allan Ashmead The Application Of Electrically Switchable Bragg Gratings // Optical communication. - 2001. - № 3. - P. 14-16.

2. Multiplexed holographic transmission gratings recorded in holographic polymer-dispersed liquid crystals: static and dynamic studies / S. Massenot, J. Kaiser, M. Camacho Perez, R. Chevallier, J. de Bougrenet de la Tocnaye // Applied optics. - 2005. - Vol. 44, No. 25. - P. 5273-5280.

3. Dynamical Electro-Optical Characterization of Policryps Gratings / G. Aabbate, A. Marino, F. Vita // Acta Physica Polonica A. - 2003. - Vol. 103, №2-3-P. 177-186.

4. Richard L. Sutherland. Polarization and switching properties of holographic polymer-dispersed liquid-crystal grating. I. Theoretical model // JOSA B. - 2002. - Vol. 19. - № 12. - P. 2995-3003.

5. Study of the dynamic formation of transmission gratings recorded in photopolymers and holographic polymer-dispersed liquid crystals / S. Massenot, J. Kaiser, R. Chevallier, Y. Renotte // Applied optics - 2004. - Vol. 43, № 29. -P. 5489-5497.

6. Study of the inhibition period prior to the holographic grating formation in liquid crystal photopolymerizable materials / A. Galstyan, R. Hakobyan, S. Harbour, T. Galstian // Electronic-Liquid Crystal Communications. - 2004, May 07. - P. 1-15.

7. Mass transfer processes induced by inhomogeneous photo-polymerization in a multicomponent medium / R. Caputo, A.V. Sukhov,

N.V. Tabirian, С. Umeton, R.F. Ushakov // Chemical Physics. - 2001. - 217. -P. 323-335.

8. Selective optical properties of induced cholesteric containing dispersed network polymer / G.M. Zharkova, I.V. Samsonova, L.A. Kutulya, V.V. Vashchenko, S.A. Streltsov, V.M. Khachaturyan // Functional materials. -2000.-Vol. 7, № l.-P. 126-131.

9. Формирование голографических дифракционных решеток пропускающего типа в поглощающих фотополимерных средах / Е.А. Довольное, Е.Ф. Пен, С.Н. Шарангович, В.В. Шелковников // Изв. вузов. Физика. - 2004. - Т. 48, № 7. - С. 78-87.

10. Holographic photopolymer materials: nonlocal polymerization-driven diffusion under nonideal kinetic conditions / J.V. Kelly, F.T. O'Neill, J.T. Sheridan, C. Neipp, S. Gallego, M. Ortuno // J. Opt. Soc. Am. B. - 2005. -Vol. 22, № 2. - P. 407-416.

11. Richard L. Sutherland. Polarization and switching properties of holographic polymer-dispersed liquid-crystal grating. II. Experimental investigations // JOSA B. - 2002. - Vol. 19, № 12. - P. 3004-3012.

Список основных публикаций автора

Статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий:

1. Устюжанин С.В. Формирование пропускающих и отражающих голографических дифракционных решеток в фотополимерах при фотоиндуцированном изменении поглощения / С.В. Устюжанин, Е.А. Довольное, С.Н. Шарангович // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2006. - Т. 49, № 10. - С. 81-89. - 0,44 / 0,15 п.л.

2. Устюжанин С.В. Векторная модель дифракции света на электрически-управляемых неоднородных дифракционных структурах в фотополимеризующихся жидкокристаллических композиционных материалах / С.В. Устюжанин, С.Н. Шарангович // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2007. - № 2(16). - С. 192-197. - 0,25 / 0,13 пл.

3. Устюжанин C.B. Импульсная запись пропускающих и отражающих голографических дифракционных решеток в поглощающих фотополимерах. 1. Теоретический анализ / C.B. Устюжанин, Е.А. Довольное, С.Н. Шарангович // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2007. - Т. 50, № 1. - С. 58-65. - 0,44 /0,15 п.л.

4. Устюжанин C.B. Последовательная запись наложенных голографических структур в фотополимерных композитных материалах с учетом фотоиндуцированного поглощения / C.B. Устюжанин, Е.А. Довольное, С.Н. Шарангович // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, - 2008.— №1(17).-С. 34-40. - 0,35 / 0,12 п.л.

5. Ноздреватых Б.Ф. Дифракционные характеристики пропускающих неоднородных фотонных структур в фотополимеризующихся жидкокристаллических композиционных материалах / Б.Ф. Ноздреватых, C.B. Устюжанин, С.Н. Шарангович // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. — № 1(21), ч. 2. - С. 109-117. - 0,53 / 0,18 п.л.

6. Устюжанин C.B. Преобразование амплитудных и поляризационных характеристик световых пучков электрически управляемыми неоднородными ФПМ-ЖК голографическими фотонными структурами / C.B. Устюжанин, С.Н. Шарангович // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2010. -№ 2(22), ч. 2. - С. 88-92. -0,3/0,15 пл.

7. Устюжанин C.B. Аналитическая модель дифракции световых пучков на неоднородных электрически управляемых одномерных пропускающих фотонных ФПМ-ЖК структурах / C.B. Устюжанин, С.Н. Шарангович // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. -Т. 54, № 2. - С. 41-47. - 0,33 / 0,16 п.л.

Статьи в других научных изданиях:

8. Устюжанин C.B. Формирование апподизированных дифракционных решеток в фотополимерных жидкокристаллических композиционных материалах / C.B. Устюжанин, Е.А. Довольное,

Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Современные проблемы радиоэлектроники: сборник научных трудов под ред. А.И. Громыко, A.B. Сарафанова. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - С. 632-635. -0,16/0,04 пл.

9. Устюжанин C.B. Дифракция света на электрически-управляемых неоднородных дифракционных структурах в фотополимеризующихся жидкокристаллических композитных материалах / C.B. Устюжанин, Е.А. Довольнов, В.Г. Миргород, Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Электронные средства и системы управления: доклады Международной научно-практической конференции. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. В двух частях. Ч. 1. - С. 227-230. - 0,16 / 0,03 п.л.

10. Устюжанин C.B. Векторная модель взаимодействия световых пучков с электрически управляемой топографической дифракционной решеткой в ФПМ-ЖК материале / C.B. Устюжанин, В.Г. Миргород, Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Труды IV Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики». - Санкт-Петербург, 2006. - С. 159-162. - 0,15 / 0,04 п.л.

11. Устюжанин C.B. Топографическое формирование дифракционных структур в фотополимерно-жидкокристаллических композитах/ C.B. Устюжанин, В.Г.Миргород, Е.А. Довольнов, Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Двенадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-12): материалы конференции, тезисы докладов. - Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 2006. -С. 477^78.-0,1/0,02 п.л.

12. Устюжанин C.B. Топографическая компенсация амплитудных неоднородностей фазово-апподизированных фотополимерных дифракционных решеток / C.B. Устюжанин, Е.А. Довольнов, Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР-2006». Ч. 3. - Томск: Томск, гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2006. - С. 280-283. - 0,12 / 0,03 пл.

13. Двумерная дифракционная модель электрически управляемой топографической дифракционной структуры в ФПМ-ЖК композиционном материале/ C.B. Устюжанин, В.Г.Миргород, Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Физика твердого тела. Сборник материалов X Российской научной студенческой конференции. - Томск, 2006. - С. 210-213. -0,11/0,03 п.л.

14. Влияние динамической неоднородности на дифракционные свойства структур, сформированных топографическим способом в ФПМ-ЖК материалах / C.B. Устюжанин, A.C. Лыков, Е.С. Черкашин, Б.Ф. Ноздреватых // Электронные средства и системы управления: доклады Международной научно-практической конференции. - Томск: В-Спектр, 2007. В двух частях. Ч. 1. - С. 241-244. - 0,1 / 0,02 пл.

15. Ustyuzhanin S.V. Anisotropic Light Beam Diffraction On Electrical Controlled Holographic Gratings In Photopolymer-Dispersed Liquid Crystals/ S.V. Ustyuzhanin, S.N. Sharangovich // Proceeding of 4-th international Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers. - Alushta, 2008. - P. 407-409.-0,13/0,07 п.л.

16. Устюжанин C.B. Дифракция световых пучков на неоднородной ФПМ-ЖК топографической структуре с учетом статистики ЖК молекул/ C.B. Устюжанин, С.Н. Шарангович // Известия высших учебных заведений. Физика. Тематический выпуск «Физика взаимодействия электромагнитного излучения с веществом». - 2008. - Т. 51, № 9/3. - С. 171-172. - 0,1 / 0,05 п.л.

17. Устюжанин C.B. Исследование селективных свойства неоднородной ФПМ-ЖК топографической структуры / C.B. Устюжанин, Б.Ф. Ноздреватых, С.Н. Шарангович // Сборник тезисов, материалы Пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15, Кемерово - Томск): материалы конференции, тезисы докладов. Т. 1. — Екатеринбург — Кемерово: изд-во АСФ России, 2009. - С. 387-388. - 0,09 / 0,03 пл.

18. Устюжанин C.B. Дифракция световых пучков на неоднородных электрически управляемых одномерных фотонных ФПМ-ЖК структурах / С.В.Устюжанин, С.Н. Шарангович // 0птика-2009. Труды шестой

международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2009». - Санкт-Петербург, 2009. - С. 383-385. - 0,14 / 0,07 п.л.

19. Ustyuzhanin S.V. Transfer Functions of Nonuniform Transmission Photonic Structures in Polymer-Dispersed Liquid-Crystal Materials / S.V. Ustyuzhanin, B.F. Nozdrevatykh, S.N. Sharangovich // Physics of Wave Phenomena. - 2010. - Vol. 18, No. 4. - P. 289-293. - 0,14 / 0,05 п.л.

20. Свидетельство о регистрации электронного ресурса. Программный комплекс для исследования процессов формирования и дифракционных характеристик голографических фотонных структур/ С.В. Устюжанин, Б.Ф. Ноздреватых, В.Г. Миргород, С.Н. Шарангович. — № 17057; заявл. 04.05.2011; опубл. 10.05.2011. - 1 е.: ил.

Заказ 89. Тираж 100 экз. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Устюжанин, Сергей Владимирович, Томск

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

На правах рукописи

04201355761

Устюжанин Сергей Владимирович

Специальность 01.04.05 - оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник С.Н. Шарангович

Томск - 2012

Содержание

Введение...........................................................................................................................5

1. Аналитический обзор................................................................................................16

1.1. Формирование ФПМ-ЖК..................................................................................16

1.1.1. Технология получения ФПМ-ЖК пленок.............................................16

1.1.2. Фотополимеризация в ФПМ-ЖК...........................................................18

1.1.3. Разновидности ФПМ-ЖК.......................................................................19

1.1.4. Кинетика показателя преломления........................................................20

1.1.5. Размер ЖК-капсул...................................................................................25

1.1.6. Ориентация директора нематического ЖК в ФПМ-ЖК.....................26

1.2. Свойства ФПМ-ЖК...........................................................................................28

1.2.1. Дифракционные свойства ДР в ФПМ-ЖК............................................28

1.2.2. Электрооптические свойства..................................................................32

1.2.2.1. Зависимость ДЭ ДР в ФПМ-ЖК от напряжения...........................32

1.2.2.2. Время отклика...................................................................................34

1.2.3. Рассеяние..................................................................................................37

1.2.4. Усадка.......................................................................................................38

1.2.5. Пространственная частота......................................................................39

1.2.6. Долговечность..........................................................................................40

1.3. Применение ФПМ-ЖК.......................................................................................41

1.4. Выводы по разделу.............................................................................................45

1.5. Постановка задачи..............................................................................................46

2. Формирование ДС в ФПМ-ЖК................................................................................47

2.1. Описание ФПМ-ЖК материала.........................................................................47

2.2. Распространение света в ФПМ-ЖК материале...............................................48

2.3. Голографическое формирование ДС в ФПМ-ЖК...........................................52

2.3.1. Механизмы фотополимеризации в ФПМ-ЖК......................................54

2.3.2. Кинетические уравнения голографической записи.............................56

2.3.3. Общий вид решения задачи записи ДС в ФПМ-ЖК............................62

2.3.4. Тензор диэлектрической проницаемости ФПМ-ЖК...........................64

2.3.5. Решение задачи записи для линейного режима...................................66

2.4. Численное моделирование.................................................................................68

2.5. Выводы по главе.................................................................................................78

3. Дифракционные свойства ФПМ-ЖК ДС при малой концентрации

молекул ЖК....................................................................................................................80

3.1. Тензор диэлектрической проницаемости.........................................................80

3.2. Уравнения связанных волн................................................................................82

3.3. Фазовая расстройка.............................................................................................85

3.4. Амплитудные профили дифракционного поля...............................................86

3.5. Передаточные функции......................................................................................87

3.6. Поляризационные характеристики...................................................................89

3.7. Численное моделирование.................................................................................91

3.7.1. Передаточные функции...........................................................................92

3.7.2. Амплитудные профили...........................................................................94

3.7.3. Энергетические характеристики............................................................98

3.7.4. Поляризационные характеристики......................................................101

3.8. Выводы по главе...............................................................................................104

4. Дифракционные свойства ФПМ-ЖК ДС при большой концентрации молекул ЖК..................................................................................................................106

4.1. Тензор диэлектрической проницаемости.......................................................106

4.2. Уравнения связанных волн..............................................................................109

4.3. Фазовая расстройка...........................................................................................110

4.4. Амплитудные профили дифракционного поля.............................................114

4.4.1. Малая дифракционная эффективность................................................114

4.4.2. Большая дифракционная эффективность............................................116

4.5. Передаточные функции....................................................................................118

4.6. Управление дифракционными характеристиками........................................120

4.6.1. Малая дифракционная эффективность................................................120

4.6.2. Большая дифракционная эффективность............................................129

4.7. Выводы по главе...............................................................................................133

5. Управляемый электрооптический разветвитель с плавной регулировкой коэффициента деления................................................................................................135

5.1. Угловой и частотный спектры ВОСП............................................................137

5.2. Характеристики сплиттера...............................................................................138

5.2.1. Частотные характеристики сплиттера.................................................138

5.2.2. Вносимое затухание..............................................................................139

5.2.3. Управляющие напряжение...................................................................140

5.2.4. Время переключения.............................................................................141

5.2.5. Температура эксплуатации...................................................................142

5.2.6. Поляризационные потери.....................................................................143

5.3. Сравнение полученных результатов...............................................................143

5.4. Применение.......................................................................................................144

5.5. Выводы по главе...............................................................................................145

Заключение...................................................................................................................146

Список использованных источников.........................................................................148

Приложение А. Свидетельство о регистрации электронного ресурса...................168

Приложение Б. Вывод некоторых уравнений и соотношений................................169

Введение

Для применения ДС в оптических системах связи необходимы новые материалы, обеспечивающие долговременную стабильность, низкий уровень шумов и высокую фоточувствительность. Более того, наиболее технически простым и экономически выгодным методом создания дифракционных структур в ФПМ-ЖК является голографический метод. На основе отражательных ДС для оптических система связи возможно создавать селективные устройства, а на основе пропускающих ДС - широкополосные. Также для обеспечения высоких показателей качества связи необходимы управляемые элементы систем связи.

Существующие математические модели голографического формирования пропускающих ДС в ФПМ-ЖК представлены с учетом соотношения вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи, нелинейности процесса фотополимеризации [5 - 8]. Но в них не приняты во внимание: неоднородный характер скорости фотополимеризации и диффузии, оптическое поглощение, пространственная неоднородность записывающих пучков.

Создание моделей голографического формирования и дифракции световых пучков на периодических пропускающих ДС, сформированных в ФПМ-ЖК с учетом указанных недостатков позволит моделировать и оптимизировать характеристики данных структур. Поставленные вопросы представляют практический интерес и являются важным этапом в создании динамически управляемых ДС для систем оптической связи.

Цель работы состояла в определении возможности применения амплитудно-неоднородных периодических электрически управляемых пропускающих ДС, сформированных в ФПМ-ЖК голографическим способом, в качестве элементов систем оптической связи.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. разработка математической модели нелинейной записи пространственно неоднородных голографических ДС для пропускающей геометрии в поглощающих ФПМ-ЖК с учетом неоднородного характера скорости

фотополимеризации и диффузии, оптического поглощения, пространственной неоднородности записывающих пучков;

3. исследование кинетик формирования и трансформации вида пространственных амплитудно-неоднородных распределений пропускающих ДС

в ФПМ-ЖК на основе полученной модели с учетом ^

' у, ■

о пространственно-неоднородного характера и произвольной скорости фотополимеризации и диффузии, обусловленных оптическим поглощением и ' неоднородностью записывающих пучков;

о произвольного соотношения скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС; ф,

Методы исследований

Научные положения, выносимые на защиту

1. При голографическом формировании дифракционных структур в оптически поглощающих ФПМ-ЖК и соотношении времен фотополимеризиции ко времени диффузии мономера Тр/Тт<1, вследствие пространственной неоднородности фотополимеризационного и диффузионного механизмов записи вдоль глубины решетки формируется сначала спадающий профиль первой гармоники показателя преломления дифракционной структуры, затем -усеченный куполообразный и далее - возрастающий.

2. С ростом управляющего напряжения, приложенного к ФПМ-ЖК дифракционной структуре с концентрацией молекул ЖК 0,9<р<0,95, для отношения ширины спектра пространственных частот светового пучка к ширине соответствующего спектра дифракционной структуры меньшего единицы, - за счет влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма - дифракционная эффективность снижается быстрее, чем при концентрации молекул ЖК р<0,9. При этом, в сравнении с результатом, полученным по формуле Когельника снижение нормированной дифракционной эффективности для Е/Ес= 1,2 больше в 2 раза для однородного профиля, в 4 и 8 раз - для симметричного и несимметричного усеченных по уровню 0,1 куполообразных профилей соответственно, где Ес - критическое напряжение.

Достоверность и обоснованность результатов работы

Достоверность первого защищаемого положения обеспечивается переходом полученной в работе модели к результатам, приведенным в [16, 103], при уменьшении концентрации молекул ЖК в образце до нуля, а также переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования к результатам, полученным в работах [5 - 8], при следующих упрощениях: однородный характер скорости фотополимеризации и диффузии, отсутствие оптического поглощения, однородные записывающие пучки.

Достоверность второго защищаемого положения подтверждается переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования к результатам, полученным в работах [3-5, 44] при следующих упрощениях: однородный амплитудный профиль показателя преломления ДС, отсутствие влияния оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма.

Новизна защищаемых положений

о неоднородный характер скорости фотополимеризации и диффузии, о оптическое поглощение;

о произвольность соотношения скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС.

о неоднородность амплитудного профиля первой гармоники показателя преломления ДС,

о влияние оптической плавной неоднородности ФПМ-ЖК на условия фазового синхронизма.

Новизна работы заключается в разработанном на основе созданных математических моделей программном обеспечении: «Программный комплекс для исследования процессов формирования и дифракционных характеристик топографических фотонных структур». Данный программный продукт зарегистрирован в «Объединенном фонде электронных ресурсов «наука и образование» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса №17057 от 10.05.2011 г. (Приложение А)).

Научная ценность защищаемых положений

Научная ценность второго защищаемого положения заключается в том, что

Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что

1. содержание первого защищаемого положения позволяет определить условия голографического формирования, при которых наличие неодн