Электрооптические свойства жидкокристаллических слоев со случайными планарными условиями на границах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Шерман, Мария Михайловна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Саратов
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
005011279
На правах рукописи
Шерман Мария Михайловна
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ СО СЛУЧАЙНЫМИ ПЛАНАРНЫМИ УСЛОВИЯМИ НА ГРАНИЦАХ
01.04.05 - оптика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
1 Ш.Р ш
Саратов-2012
005011279
Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники физического факультета Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук Яковлев Дмитрий Анатольевич
Официальные оппоненты:
Названов Василий Федорович доктор физик математических наук, профессор, профессор кафе ры физики твердого тела факультета нано-биомедицинских технологий Саратовского госуда ственного университета
Перепелицын Юрий Николаевич кандидат физик математических наук, ведущий научный сотрудш Саратовского филиала Института радиотехники электроники им. В.А. Котельникова РАН
Ведущая организация:
Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина
Защита состоится «15» марта 2012 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационног совета Д212.243.01 при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышев ского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская 83, 3-й корпус СГУ.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. В.А. Артисеви Саратовского государственного университета.
Автореферат разослан « $ » февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Аникин Валерий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время, благодаря своим уникальным электро-ическим свойствам, жидкие кристаллы (ЖК) используются во многих оптических ройствах (дисплеи, амплитудные и фазовые модуляторы, управляемые светофильт-
устройства управления поляризацией, дефлекторы и т.д.), и постоянно [аруживаются новые интересные эффекты, еще более расширяющие область практи-кого использования ЖК. Одним из потенциально полезных эффектов является сматриваемый в данной работе эффект спектральной фильтрации, наблюдающийся тонких мелкодоменных нематических ЖК слоях со случайными пленарными гранич-ми условиями, которые реализуются в ЖК ячейках с ненатертыми полимерными 1ентирующими слоями. Нематические и холестерические слои, реализующиеся при их граничных условиях, мы будем условно называть RPA (randomly planarly aligned) 1ями. Эффект спектральной фильтрации на нематических RPA-слоях был впервые 1сан в работе [1] автором данной диссертации в соавторстве с Д. А. Яковлевым. В этой тье было экспериментально показано, что тонкие нематические RPA-слои могут об-[ать смешанным, диффузно-направленным, характером пропускания с сильной зипериодической зависимостью коэффициента пропускания для нерассеянной компо-1ты (коллимированного пропускания) от частоты падающего света. Ввиду раженного квазипериодического характера спектров коллимированного пропускания условно назвали данный эффект CSS (channeled spectrum scattering). Характерной Ценностью CSS является большая амплитуда спектральной модуляции интенсивности «ссеянной компоненты: в спектральных областях, соответствующих максимумам шимированного пропускания, почти весь свет проходит через ЖК слой без рассеяния, о время как в областях, соответствующих минимумам коллимированного пропуская, практически весь прошедший свет является рассеянным. Существенно, что CSS оявляется как в поляризованном, так и в неполяризованном свете, причем в равной меД. А. Яковлевым [2] была предложена простая теоретическая модель, объясняющая качественном уровне основные особенности CSS. В рамках данной модели RPA-слой едставляется как монослой идентичных по структуре доменов, имеющих случайную мутальную ориентацию; далее эта модель будет называться эквидоменной моделью и эквидоменной теорией. Одной из целей настоящей работы было выяснение, в какой пени структура и реальные оптические свойства RPA-слоев соответствуют эквидо-нной модели, и выявление основных факторов, требующих учета при разработке более чной теории. Помимо качественного объяснения CSS эффекта эквидоменная модель едсказывает интересные и потенциально полезные электрооптические свойства нема-ческих и холестерических RPA-слоев, в частности, смещение экстремумов ллимированного пропускания под действием электрического поля в случае нематиче-их ЖК и поворот плоскости поляризации нерассеянной компоненты прошедшего света сохранением его линейной поляризации под действием электрического поля в случае лестерических ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом ирали. Основной целью данной работы явилось выяснение, проявляются ли эти элек-ооптические свойства реальными нематическими и холестерическими RPA-слоями и, ли да, то в какой степени и в каких условиях, и насколько они подходят для практиче-их применений.
Достижение целей работы потребовало решения следующих основных задач: Детальное экспериментальное исследование макроскопических оптических и, в частности, поляризационно-оптических свойств нематических и холестерических RPA-слоев и оценка параметров экспериментальных ЖК слоев, требующихся для числен-
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
ного моделирования оптических характеристик этих слоев в соответствии с экви; менной теорией.
Проверка степени адекватности эквидоменной модели оптики ЛРА-слоев, вкл чающая в себя проведение численного моделирования макроскопическ оптических характеристик экспериментальных образцов в соответствии с экви; менной теорией и сравнение результатов расчета с соответствующи! экспериментальными результатами.
Исследование электрооптического отклика нематических и холестерических 11Р слоев.
Сравнение статических электрооптических характеристик нематических и холестер ческих КРА-слоев с рассчитанными согласно эквидоменной модели. Экспериментальная оценка времен отклика нематических КРА-слоев при переклю1 нии напряжения на ЖК слое.
Изучение микроструктуры нематических и холестерических КРА-слоев. Исследование трансформации микроструктуры нематических КРА-слоев под дейс вием электрического поля.
Научная новизна работы
Впервые проведено детальное исследование специфических макроскопических от ческих свойств КРА-слоев нематических и холестерических (с большим 1 сравнению с длиной волны естественным шагом спирали) жидких кристаллов, сн занных с селективным рассеянием, обусловленным их квазиэквидомснш структурой.
Впервые выявлен квазипериодический характер спектров коллимированного пропу кания нематических КРА-слоев и показана независимость этих спектров состояния поляризации падающего света.
Впервые экспериментально установлено, что в случае нормального падения линейн поляризованного света на КРА-слой холестерического ЖК с большим по сравненш с длиной волны естественным шагом спирали нерассеянная компонента прошедшег света имеет линейную поляризацию вне зависимости от выполнения услови Я » |Дпр|/2, где X - длина волны, Дп - разность главных показателей преломлени ЖК, р - шаг холестерической спирали.
Впервые проведена количественная оценка степени адекватности эквидоменной м дели оптики нематических и холестерических КРА-слоев.
Впервые детально исследована трансформация спектров коллимированного пропус кания нематических и холестерических КРА-слоев под действием электрическог напряжения, приложенного к ЖК слою.
Впервые экспериментально показано, что ячейки с нематическими ЯРА-слоями мо гут быть использованы как поляризационно-независимые перестраиваемы спектральные фильтры.
Впервые экспериментально показано, что ячейки с нематическими ЯРА-слоями мо гут быть использованы как поляризационно-независимые управляемые малоугловы диффузоры для коллимированных квазимонохроматических световых пучков, спо собные задавать любое нужное отношение мощностей рассеянной и нерассеянно компонент.
Впервые экспериментально показано, что в тонких КРА-слоях холестерических Ж с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали возможн реализация режима, когда плавное изменение величины электрического напряжения
приложенного к ЖК слою, приводит к плавному повороту плоскости поляризации нерассеянной компоненты прошедшего света с сохранением его линейной поляризации. Впервые выявлены особенности микроструктуры нематических RPA-слоев, определяющие особенности спектров коллимированного пропускания этих слоев и трансформации этих спектров под действием внешнего электрического поля.
Научно-практическая значимость работы
Результаты, полученные в ходе исследований, существенно расширяют представ-шя об оптических и электрооптических свойствах сложно неоднородных ттических и холестерических слоев и сложно неоднородных анизотропных структур )бще. Экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы при работке новых моделей оптики анизотропных сред. Многие природные и техниче-[с среды являются оптически анизотропными, и во многих практически интересных 'чаях анизотропная среда представляет собой неоднородную структуру с зависящей пространственных координат ориентацией локальной оптической оси. Такого рода уктура характерна многим техническим материалам, в частности, полимерным плен-I, а также многим биологическим тканям. Знание закономерностей взаимодействия та с такими средами важно как с точки зрения применения их специфических опти-ких свойств в различных практических устройствах, так и с точки зрения разработки фективных оптических методов их исследования и характеризации. Знание специфи-ких оптических свойств неоднородных анизотропных сред, обнаруженных и ченных в ходе выполнения настоящей работы, таких как CSS, может быть полезно в м плане, особенно в исследованиях, связанных со структурообразованием в ЖК и иентацией ЖК на поверхности.
Обнаруженные и исследованные в работе эффекты могут найти практическое именение в технике и служить основой для создания новых электрооптических уст-йств на ЖК, в том числе неполяризационных.
Достоверность научных результатов и выводов, полученных в работе, обуслов-вается использованием апробированных методик измерений, адекватностью пользуемых теоретических моделей, соответствием теоретических выводов экспери-нтальным данным, воспроизводимостью результатов экспериментов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Эквидоменная теория достаточно точно предсказывает положение экстремумов коллимированного пропускания мелкодоменных нематических слоев, проявляющих CSS, в области прозрачности ЖК материала. Отличие высоты максимумов коллимированного пропускания от предсказываемой эквидоменной теорией для таких слоев определяется, главным образом, присутствием дисклинаций и пространственно-зависимой локальной закрученностью поля ЖК директора по координате, перпендикулярной границам слоя.
Приложение к тематическим RPA-слоям, проявляющим CSS, электрического напряжения, превышающего по величине пороговое напряжение перехода Фредерикса для планарных структур, приводит к смещению экстремумов и понижению высоты максимумов коллимированного пропускания. Положение экстремумов зависит от величины приложенного напряжения. Понижение максимумов коллимированного пропускания связано, главным образом, с возникновением стационарных стенок Бро-харда-Легера под действием электрического поля.
3. Для RPA-слоев холестерических ЖК с большим по сравнению с длиной волны ее ственным шагом спирали возможна реализация режима, при котором в слу падения на ЖК слой линейно поляризованного света вариация величины приложс ного к ЖК слою электрического напряжения в широком диапазоне сохраш линейной поляризацию нерассеянной компоненты прошедшего света, но приводит изменению ее направления, т.е. повороту плоскости поляризации.
Личный вклад соискателя состоит в участии в постановке задач исследован! разработке алгоритмов их решения и их реализации, подготовке и проведении экспер ментов, в обработке и анализе полученных результатов.
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных российских конференциях:
1. Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физ ке и Биофизике (Saratov Fall Meeting' 2007) (Саратов, РФ, 2007);
2. Международной конференции (International Liquid Crystal Conference 2008) (Jeju I. and, Korea, 2008);
3. Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физ ке и Биофизике (Saratov Fall Meeting' 2008) (Саратов, РФ, 2008);
4. Всероссийской конференции «Лазеры. Измерения. Информация» - 2009, (Сапк Петербург, РФ, 2009);
5. Международной конференции (OPTO Meeting for Young Researchers' 2010) (Toru Poland, 2010);
6. Международной конференции (International OSA Network of Students 8), (Москва, P<J 2010);
7. Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физ1 ке и Биофизике (Saratov Fall Meeting' 2010) (Саратов, РФ, 2010).
На Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, из бретений и инноваций «УМНИК» (Саратов, РФ, 2009) грант программы «УМНИК» бы присужден проекту «Электроуправляемый диффузор на основе нематических мультид менных слоев» (автор - Шерман M. М.).
Публикации. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертацион ной работы, опубликовано 8 статей, из них 2 статьи в журналах из списк рекомендованных ВАК. Основные результаты изложены в работах [1-8].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 114 наименований. Работ изложена на 186 страницах текста, содержит 88 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность решаемых задач, сформулирована цель ра боты, ее научная новизна, научно-практическая значимость, основные результаты положения, выносимые на защиту.
В главе 1 представлен краткий обзор понятий и положений физики жидких кри сталлов, необходимых при рассмотрении структуры, оптики и электрооптики RPA-слоев. Упомянуты известные работы, в которых рассматриваются макроскопические оптиче-
ic и электрооптические свойства нематических и холестерических RPA-слоев (Y. Toko ip., 1993; A. Chanishvili и др., 1991; G. Chilaya и др., 1995; Г. Чилая, 2000 и др.). При :смотрении холестерических ЖК основное внимание уделено холестерикам с естест-шым шагом спирали большим по сравнению с длинами волн видимого диапазона, :кольку именно такие холестерические материалы рассматриваются в оригинальной :ти данной работы. Определено понятие эквидоменного ЖК слоя как слоя, характерного полем ЖК директора следующего вида
n(r)= {cos£<-)cos[i{xy)+(p (z)], cos^z)sin[tX«ly)+i9 (z)], sin6(z)} (1)
(екартовой системе координат (x, у, z) с осью z, перпендикулярной границам ЖК слоя - О и z = d)\ кроме того, предполагается пространственная инвариантность главных постелей преломления среды. Слой с конфигурацией (1) может рассматриваться как 'нослой доменов, имеющих одинаковую продольную (по оси z) структуру, характеризую функциями 0{~) (в - угол наклона ЖК директора) и <p(z), но различную шутальную ориентацию, характеризуемую углом и. Под доменом здесь и ниже при ссмотрении структуры RPA-слоев подразумевается цилиндрическая область, ограни-нная некоторой поверхностью, образованной прямыми линиями, параллельными оси и плоскостями границ слоя и имеющая столь малые поперечные размеры, что вариа-ю директора по координатам х и у в пределах этой области можно было бы считать енебрежимо малой. В качестве теоретических моделей нематических и холестериче-их ЖК слоев, реализующихся при планарных граничных условиях, в том числе RPA-оев и шлирен-текстур часто используются эквидоменные слои с (X,z) = 0 и <p(z) = 0 в учае нематика и с в{:) = 0 и cp(z) = 2nzlpo, где р0 - естественный шаг холестерической ирали, в случае холестерика.
Также в главе 1 описаны поляризационно-оптические методы, использованные на: при исследовании макроскопических свойств RPA-слоев и их микроструктуры.
Оптика RPA-слоев в отсутствие внешнего электрического поля
Как уже было сказано, основным предметом рассмотрения в данной работе являет-эффект селективного рассеяния света на RPA-слоях. Суть указанного эффекта состоит том, что при падении в нормальном направлении на рассматриваемый RPA-слой кол-шированного пучка света часть света рассеивается структурой, а часть проходит через ой не рассеиваясь, причем соотношение рассеянной и коллимированной составляющих висит от длины волны. Нами исследовались, главным образом, характеристики на-авленного (коллимированного) пропускания образцов. В работе (глава 2 и раздел 3.2 авы 3) широко представлены результаты экспериментальных исследований макроско-ческих оптических свойств нематических и холестерических RPA-слоев в отсутствие ешнего электрического поля. Экспериментальные ЖК ячейки были собраны из стек-нных пластин, покрытых полиимидными слоями, способствующими планарной иентации молекул ЖК. Полиимидные слои не подвергались какой-либо обработке, особной привести к появлению выделенного направления азимутальной ориентации К (такой как натирание). Ячейки были заполнены ЖК материалом в изотропном со-оянии во избежание ориентации потоком. В одной серии ячеек (ячейки без ITO слоев) спользовался нематический материал СЖК-1 (НИОПИК, Москва) и смесь СЖК-1 с еболыпим количеством хиральной добавки ХДН-1 (НИОПИК), придающей смеси ойства холестерика с естественным шагом спирали р0 « 4 мкм (спираль левая). Ячейки ругой серии (электроуправляемые ячейки с ITO слоями) были заполнены нематиком Е7 erck) и холестерическим материалом, представляющим собой смесь нематика Е7 и иральной добавки ZLI-811 (Merck), р0 «11 мкм (спираль левая). Для всех эксперимен-
тальных RPA ячеек в видимом диапазоне рассеяние вперед имело малоутловой хараки и не менее 90% полной мощности прошедшего излучения распространялось в предел! конуса с полууглом раствора меньше 5°.
Измерялись коэффициенты направленного пропускания ячеек для неполяризова ного (/с) и линейно поляризованного (tCp) падающего света, а также коэффициент передачи поляризованных компонент (tCpA) при различных ориентациях анализатора. к| эффициенты передачи рассчитывались как отношение интенсивности света, прошсдша через систему поляризатор - образец - анализатор (при заданной ориентации поляриз; тора и анализатора), к интенсивности света, проходящего через систему поляризатор анализатор при параллельном расположении их осей пропускания. Во всех экспериме! тах свет падал на ячейку в нормальном направлении. Погрешность измерен! параметров tc, tcp и Icpj в области максимумов коллимированного пропускания составл) ла около 0.02. В области минимумов коллимированного пропускания погрешность вьщ из-за попадания в фотоприемник небольшой части рассеянной компоненты прошедшег света: 0.035 для tCpA и 0.07 для tc и tCp- Экспериментальная установка, использование' при измерении характеристик коллимированного пропускания, подробно описана в pi боте [2]. Также для ячеек с помощью спектрометра, оснащенного интегральной сферо! измерялось полное (интегральное) пропускание образцов.
Рис. 1 иллюстрирует CSS эффект, проявляемый нематическими ячейками. На это рисунке представлены экспериментальные спектры коллимированного и полного пр< пускания для трех нематических ячеек с различной толщиной ЖК слоя в отсутстви напряжения. Из рисунка видно, что спектры полного пропускания являются практическ ахроматическими и выглядят очень похожими друг на друга, т.е. слабо зависят от тол гцины ЖК слоя. В отличие от интегрального пропускания, коллимированно пропускание нематических RPA ячеек сильно зависит от длины волны, имея квазиперио дический характер, и сильно зависит от толщины ЖК слоя. Максимум коллимированного пропускания близки по величине к интегральному пропусканию, в т время как в минимумах коллимированное пропускание близко к нулю, то есть на длина волн, соответствующих максимумам, основная часть светового потока проходит чере ячейку без рассеяния, а на длинах волн, соответствующих минимумам, практически вес прошедший свет диффузно рассеивается. Подобная картина наблюдалась для всех иссле дованных нематических RPA ячеек. Спектры коллимированного пропускания ячеек холестерическими RPA-слоями также имели осциллирующий характер, однако значени tc в минимумах существенно отличались от нуля.
Рис. 1. Экспериментальные спектры коэффициентов направленного (tc) и интегрального (¡тот) пропускания для нематических RPA ячеек с номинальной толщиной ЖК слоя 3, 4 и 5 мкм (ячейки с ITO слоями).
0.0
400 450 500 550 600 650 700 Я, НМ
Для всех исследованных ячеек, как нематических, так и холестерических, величина зффициента пропускания tcp практически не зависела от направления поляризации па-ощего света (см. рис. 2) и с высокой точностью выполнялось соотношение tçp = tc. кже было замечено, что при освещении любой из исследованных RPA ячеек линейно чяризованным светом, нерассеянная составляющая прошедшего света тоже имеет личную поляризацию - эта составляющая всегда могла быть полностью «погашена» воротом анализатора. В случае нематических ячеек направление поляризации колли-рованной компоненты прошедшего света всегда совпадало с направлением ляризации падающего света. В случае холестерических ячеек направление поляриза-и нерассеянной компоненты, в общем случае, отличалось от направления поляризации дающего света и сильно зависело от длины волны. Все эти особенности хорошо видны рис. 3(а) и 4(а), на которых изображены экспериментальные спектры коэффициентов редачи ячеек, измеренные при различных ориентациях анализатора.
о.о-|—.—,—--1—.—I—.—,—.-1
450 500 550 600 650 700 Я, НМ
ис. 2. Экспериментальные спектры коэффициента направленного пропускания нема-ической (Ы) и холестерической (СИ) ЯРА ячеек (без 1ТО слоев) для еполяризованного /с и линейно поляризованного ¡ср падающего света при различных начениях угла ориентации поляризатора (9).
а б
ис. 3. Экспериментальные (а) и теоретические (б) спектры коэффициентов передачи сра нематической ИРА ячейки (без 1ТО слоев) при различной взаимной ориентации по-яризатора и анализатора; А 9 - угол между осями пропускания поляризатора и нализатора.
СРА
450 500 550
Л, НМ
600 650 700
1,4 " 1 .......... I—-г—-1-
450 500 550 600 650
700
Л, НМ
а
б
Рис. 4. Экспериментальные (а) и теоретические (б) спектры коэффициентов передач! ¡сра холестерической RPA ячейки (без ITO слоев) при различной взаимной ориентацш поляризатора и анализатора.
Эквидоменная теория
В рамках эквидоменной теории [2], которая была разработана на основе анали: экспериментальных данных, представленных в главе 2, присутствие нерассеянной ко» поненты света, прошедшего через RPA-слой, объясняется существование пространственно инвариантной составляющей Тс матрицы Джонса Т(xj;) = Tc+Ts(x,>' характеризующей локальное пропускание этого слоя. Матрица Тс описывает трансфо] мацию, осуществляемую слоем без искажения волнового фронта. Для произвольног эквидоменного слоя (1) матрица Тс равна вращательно инвариантной составляюще матрицы Джонса отдельного домена. В работе [2] показано, что матрица Тс может быт выражена следующим образом
где а' и V- вещественные параметры, К- скалярный комплексный коэффициент, учиты вающий средний фазовый набег, и представляет собой с точностью до скалярног множителя матрицу поворота. Последнее означает, что нерассеянная составляющая име ет такой же эллипс поляризации, что и падающая волна, но этот эллипс, в общем случае повернут. В качестве оптической модели нематического КРА-слоя рассматривается эк видоменный слой с (Кг) = 0 и <р{£) = 0. Для такого слоя
где Дп = Пц - гц, пц, Пх - главные показатели преломления ЖК, <1 - толщина ЖК слоя. Ра венство Ь' нулю означает, что никакого поворота эллипса поляризации в данном случа не происходит, то есть нерассеянная составляющая прошедшего света имеет точно такую же поляризацию, как падающий свет, что и наблюдается в эксперименте. Коэффициент коллимированного пропускания ЖК ячейки в этом случае может быть приближенно выражен следующим образом
где - энергетический коэффициент пропускания слоев, расположенных вокруг ЖК слоя. Коэффициент (¡ш учитывает оптические потери в слоях, окружающих ЖК слой в ячейке.
лоя)
де
Для эквидоменного слоя с в(г) = 0 и (({:) = 2к:/ра (модель холестерического ЯРА-
ф
а = соз0со8Ф + —Бт^^тФ,
&'= - сое 2 вт Ф +эт 2 соб Ф,
(2)
ф,
Мпс/
> = ф{с[) - ^(0) - угол закрученности структуры. Здесь параметр Ь', в общем случае, от-шчен от нуля, и происходит поворот плоскости поляризации. Коэффициент пропускания с ячейки с таким ЖК слоем может быть выражен следующим образом:
/с=/5Ш(со520 + (Ф/е)2зт20. Грисутствие второго слагаемого в данном выражении объясняет меньшую глубину ми-шмумов ¡с в случае холестерического слоя.
В силу узости конуса рассеяния света ЖК ячейкой и отсутствия поглощения в ЖК :лое с высокой точностью выполняется соотношение = 1Юг, где /гот - интегральное 7ропускание ячейки. Поэтому, отношение ¡¿/(гот для нематической ИРА ячейки в отсутствие напряжения в рамках данной модели может быть представлено следующим образом
- = С05
(3)
1а рис. 5 сравниваются экспериментальные спектры ¡¿Нот с теоретическими, рассчитан-гыми в соответствии с (3). Экспериментальные кривые были рассчитаны по спектрам, (оказанным на рис. 1, из которых предварительно сглаживанием была устранена мелкомасштабная интерференционная рябь. Теоретические спектры, рассчитанные с юпользованием литературных данных по показателям преломления материала Е7, были подогнаны к экспериментальным вариацией с1. Как видно из рис. 5, форма теоретических спектров достаточно хорошо согласуется с формой экспериментальных спектров, и имеет место очень хорошее соответствие в положении экстремумов экспериментальных и теоретических кривых.
Л, нм
Рис. 5. Экспериментальные и подогнанные теоретические спектры приведенного пропускания для нематических ЯРА ячеек с номинальной толщиной ЖК слоя 3, 4 и 5 мкм (ячейки с 1ТО слоями) в отсутствие напряжения. Сплошные линии - теория, пунктирные - эксперимент.
На рис. 3(6) и 4(6) представлены результаты расчета характеристик направленного пропускания нематического и холестерического ИРА-слоев, проведенного в соответст-
вии с представленной теоретической моделью. Все расчеты проводились при (sur - l^f = U т.е. без учета потерь. Из представленных результатов видно хорошее качественное соответствие между экспериментальными и теоретическими данными, что подтверждает состоятельность эквидоменной модели. Очень хорошо воспроизводится положение спектральных максимумов и минимумов, а также характер трансформации коэффициентов передачи при повороте анализатора. На рис. 6 сравниваются экспериментальная и теоретическая зависимости угла поворота плоскости поляризации проходящего света р от длины волны в случае холестерического слоя. В данном случае имеется хорошее количественное соответствие экспериментальных и теоретических данных.
Л, нм
Рис. 6. Зависимость угла поворота плоскости поляризации нерассеянной составляющей прошедшего света от длины волны для холестерической ЯРА ячейки (без 1ТО слоев). Сплошной линией показаны результаты моделирования, кружками - экспериментальные точки.
Эффект вращения плоскости поляризации, проявляемый холестерическими КРА-слоями, имеет определенную аналогию с эффектом вращения плоскости поляризации монодоменными пленарными холестерическими слоями, который проявляется последними при выполнении условий Л « ар и
Л» |Дпр|/2. (4)
В частности, в обоих случаях направление вращения плоскости поляризации противоположно направлению закрученности холестерической спирали. Однако в первом случае, в отличие от второго, зависимость угла поворота плоскости поляризации р от толщины не является линейной, и реализация эффекта не зависит от выполнения условия (4).
Электрооптика ЯРА-слоев
Глава 3 посвящена исследованию электрооптического отклика нематических и хо-лестерических (с большим естественным шагом спирали) КРА-слоев. В начале главы представлена эквидоменная модель электрооптического отклика КРА-слоев, основанная на предположении, что при наложении внешнего электрического поля структура ЖК слоя остается квазиэквидоменной и существенным образом изменяются только функции^) и <р(г) (1). При вычислении коллимированного пропускания КРА-слой считается эквидоменным. При этом используются функции 6(г) и <с(г), рассчитанные в соответствии с континуальной теорией упругости ЖК, но без учета неоднородности поля ЖК директора по координатам х и у (т.е. в предположении малости производных дп/дх и дп/ду). При рассмотрении нематических КРА-слоев предполагается, что гДг) = 0. Это приводит к следующему выражению для коллимированного пропускания ЖК ячейки
пе
г(Дп)</
П„п,
2 соб2 в(г) + п2 бш2
<к -пх
эффективный коэффициент двулучепреломления. Происходящая под действием элек-рического поля переориентация молекул ЖК и соответствующие изменения (Дп) олжны приводить к смещению экстремумов коллимнрованного пропускания. Экспери-1енты с электроуправляемыми тематическими ячейками показали, что смещение кстремумов коллимированного пропускания при приложении к ЖК слою электрическо-о напряжения действительно происходит, причем положение экстремумов оллимированного пропускания достаточно хорошо предсказывается эквидоменной еорией (см. рис. 7 и 8)._
ОВ
1.3 В
1.7 В
500 600 Л, НМ
400 500 600 700 _ Л, НМ
400 500 600 700 _Л. НМ_
3
мкм
5
мкм
0,0 400
500 600
л. нм
500 600 Л. НМ
500 600 Л. НМ
Рис. 7. Экспериментальные (верхние ряды) и теоретические (нижние ряды) спектры коллимированного пропускания нематических ЯРА ячеек с номинальной толщиной ЖК слоя 3 и 5 мкм при различных значениях приложенного напряжения.
Численные расчеты проводились с помощью системы компьютерного моделированш ЖК устройств LCD-DESIGN с использованием литературных значений физических констант материала Е7.
В экспериментах с нематическими ячейками наряду со смещением экстремумов /( наблюдалось некоторое понижение максимумов tc при увеличении напряжения на ЖК слое (см. рис. 7). Это понижение не может быть объяснено в рамках эквидоменной модели. Его основные причины были выявлены в результате микроскопических исследований образцов. Они обсуждаются в главе 4.
Рис. 8. Экспериментальные зависимости приведенного коллимированного пропускания tdhoT от напряжения U для ячейки с номинальной толщиной ЖК слоя 3 мкм на длинах волн 514.5 нм и 632.8 нм (символы и пунктирные кривые) и теоретические зависимости tcItroT от U для ЖК слоя толщиной d = 2.85 мкм, рассчитанные с учетом падения напряжения на PI слоях (сплошные линии).
Наиболее интересной особенностью электрооптического отклика RPA-слоев хо-лестерических ЖК с большим естественным шагом спирали, предсказываемой эквидоменной теорией, является электроуправляемая оптическая активность, объясняемая изменением отношения величин а' и Ь' (2), сопровождающим трансформацию поля директора под действием приложенного электрического напряжения. Согласно этой теории, при падении на слой линейно поляризованного света нерассеянная компонента прошедшего света должна иметь линейную поляризацию, при этом угол р между плоскостями поляризации нерассеянной компоненты и падающего света должен зависеть от величины приложенного к слою напряжения U. Эксперименты показали, что этот электрооптический эффект при определенном сочетании параметров ЖК слоя действительно может наблюдаться на холестерических RPA-слоях. Нами были исследованы три холе-стерические ячейки с различной толщиной ЖК слоя (rf я 3, 4 и 5 мкм). Описанный эффект электроуправляемой оптической активности наблюдался только на ячейке с d~ 3 мкм. На рис. 9 представлена экспериментальная кривая АД СО = p(U)- ДО) для этой ячейки. На этом же рисунке представлена соответствующая теоретическая кривая. Близость теоретической и экспериментальной кривых позволяет говорить в данном случае не только о качественном, но и о неплохом количественном соответствии теории и эксперимента. Электрооптический отклик холестерических RPA ячеек с большей толщиной ЖК слоя принципиально отличался от предсказываемого эквидоменной моделью. Оказалось, что для этих ячеек существует определенный диапазон напряжений, при которых при падении на ячейку линейно поляризованного квазимонохроматического света нерассеянная компонента прошедшего через ячейку света имеет не линейную, а эллиптическую поляризацию, что принципиально противоречит эквидоменной модели.
и, в
[Рис. 9. Экспериментальная и теоретическая зависимости угла поворота плоскости поляризации Ар для холестерической RPA ячейки с номинальной толщиной ЖК слоя 3 мкм от приложенного напряжения. Значками и сплошной линией показана экспериментальная зависимость, пунктиром - теоретическая.
| Специфические электрооптические свойства нематических RPA ячеек, в принципе, позволяют использовать такие ячейки в качестве управляемых светофильтров и тиффузоров. В разделе 3.4 рассматриваются некоторые аспекты, связанные с этими возможными применениями RPA ячеек. Отмечена аналогия формы спектров ¡{оллимированного пропускания нематических RPA ячеек (CSS-фильтров) и одноступен-мтых интерференционно-поляризационных (ИП) фильтров на ЖК. Но CSS-фильтры не гребуют использования поляризаторов и имеют значительно более высокое пропускание в спектральных максимумах, чем ИП-фильтры, а также являются поляризационно-яезависимыми, то есть коэффициент пропускания фильтра не зависит от состояния поляризации падающего света. Собирая стопу из нескольких нематических RPA ячеек с различной толщиной ЖК слоев, выбираемой в соответствии с алгоритмом, используемым в фильтрах Лио, для того чтобы подавить нежелательные пики пропускания, можно получить управляемый комбинированный CSS-фильтр с изолированными полосами пропускания. Показано, что нематические RPA-слои могут быть эффективно использованы в качестве управляемых диффузоров для квазимонохроматических пучков, позволяющих устанавливать нужное соотношение рассеянной и нерассеянной компонент. Одним из потенциальных достоинств таких устройств является относительно широкий рабочий (спектральный диапазон, по существу совпадающий с областью прозрачности элементов 'ЖК ячейки. При использовании обычных материалов для элементов ЖК ячейки (силикатное стекло, ITO и т.д.) рабочий диапазон таких устройств может охватывать область ¡длин волн от 380 до 1500 нм. Представлены результаты экспериментальной оценки вре-1мен отклика нематических RPA-слоев.
В главе 4 приведены результаты микроскопических исследований RPA-слоев, порученные с использованием системы поляризационного картографирования, разработанной в Саратовском государственном университете. Макроскопические исследования выявили некоторые детали, которые не могут быть объяснены в рамках эквидоменной модели, и в той или иной степени свидетельствуют о дефектности структуры ЖК слоя. Под «дефектностью» здесь понимается не только присутствие обычных I дефектов типа дисклинаций, но и любые отклонения реальной структуры ЖК слоя от эквидоменной. Основной целью микроскопических исследований было установить характер дефектности структуры нематических RPA-слоев в отсутствие приложенного напряжения и причины повышения дефектности структуры при приложении напряжения.
Картографирование показало, что в отсутствие внешнего электрического поля основное отличие структуры реальных нематических RPA-слоев от эквидоменной состоит в том, что в доменах реальной структуры наблюдается небольшая вариация азимутальной ориентации локальной оптической оси при движении вдоль нормали к границам слоя (т.е. локальная закрученность). Установлено, что для всех исследованных тематических слоев локальный угол закрученности Ф варьируется в пределах от -25° до 25°, а среднее значение Ф близко к нулю. Показана корреляция между высотой максимумов коллимированного пропускания и шириной функции распределения Ф.
Наряду с обычными для нематиков дисклинациями полуцелой и целой силы, в исследуемых слоях наблюдались узкие «дефектные» полосы с поворотом директора на 90°, разделяющие области с ортогональной ориентацией директора. Присутствие этих полос свидетельствует о реализации так называемого эффекта поверхностной памяти (surface memory effect), обусловленного адсорбцией молекул ЖК на поверхности полимера. По- _ следнее объясняет и тот экспериментально установленный факт, что для нематических RPA-слоев азимутальная ориентация, форма и размеры доменов под действием электрического поля изменяются очень мало.
Микроскопические исследования показали, что, находясь под действием электри-! ческого поля, тематические RPA-слои сохраняют структуру близкую к эквидоменной, однако образуются новые дефекты. Наиболее существенно на макроскопические оптиче-1 ские характеристики влияют образующиеся под действием поля стационарные стенки Брохарда-Легера (БЛ) - полосы плавного перехода между доменами с противоположным наклоном директора через квазипланарную или квазигомеотропную структуру. В таблице 1 представлены карты распределения приведенной фазовой задержки Д, для од- ^ ной из областей тематической ячейки с d « 5 мкм, сделанные в отсутствие напряжения и при напряжениях 1.3 и 1.7 В для двух длин волн.
г 200 - 190
Таблица 1. Карты распределения приведенной фазовой задержки Д одной из областей нематического слоя с ¿»5 мкм при различных значениях приложенного напряжения Ц для разных длин волн Я_
Фотография в скрещенных поляризаторах
!риведенная фазовая задержка связана с параметрами ЖК слоя следующим образом = \2ят ± 2кдл<ИЛ\, где т - некоторое целое число. Сравнивая представленные карты ожно заметить, что для обеих длин волн в центральной части стенок БЛ, реализующих-я при напряжениях 1.3 и 1.7 В, приведенная фазовая задержка остается такой же, как ри отсутствии напряжения на ЖК слое. Это свидетельствует о том, что конфигурация иректора в центре этих стенок близка к пленарной. Поскольку оптические свойства ЖК лоя в пределах стенок БЛ сильно отличаются от свойств окружающих их областей, на тих стенках должно происходить достаточно сильное рассеяние света. А так как они за-имают значительную площадь ЖК слоя, их присутствие должно заметно понижать оллимированное пропускание. Это позволяет сделать вывод, что основной причиной онижения максимумов коллимированного пропускания при наложении на ЖК слой лектрического поля является рассеяние света на стенках БЛ. Продемонстрировано, что уществование стационарных стенок БЛ связано с присутствием в исходной доменной труктуре дисклинаций полуцелой силы.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
Основные результаты:
. Проведено детальное исследование специфических макроскопических оптических свойств RPA-слоев нематических и холестерических (с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали) жидких кристаллов, связанных с селективным рассеянием, обусловленным их квазиэквидоменной структурой. . Выявлен квазипериодический характер спектров коллимированного пропускания нематических RPA-слоев и показана независимость этих спектров от состояния поляризации падающего света. Установлено, что положение максимумов и минимумов коллимированного пропускания мелкодоменных нематических слоев, проявляющих CSS, с достаточной точностью предсказывается эквидоменной теорией.
. Экспериментально установлено, что в отсутствие внешнего электрического поля при нормальном падении линейно поляризованного света на RPA-слой холестери-ческого ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали нерассеянная компонента прошедшего света имеет линейную поляризацию; направление поляризации нерассеянной компоненты сильно зависит от длины волны и толщины слоя ЖК; эффект поворота плоскости поляризации хорошо описывается в рамках эквидоменной теории.
4. Экспериментально показано, что наложение на нематические RPA-слои, проявляющие CSS, электрического напряжения, превышающего по величине пороговое напряжение перехода Фредерикса для планарных структур, приводит к смещению экстремумов коллимированного пропускания и понижению высоты максимумов коллимированного пропускания; величина смещения экстремумов зависит от величины приложенного напряжения. Показаны возможности использования ЖК ячеек, проявляющих данный эффект, в качестве поляризационно-независимых перестраиваемых спектральных фильтров и поляризационно-независимых управляемых диффузоров.
5. Экспериментально показано, что в тонких RPA-слоях холестерических ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали возможна реализация режима, когда плавное изменение величины электрического напряжения, приложенного к ЖК слою, приводит к плавному повороту плоскости поляризации нерассеянной компоненты прошедшего света с сохранением его линейной поляриза-
ции. Показано, что данный эффект также достаточно хорошо описывается эквидо-менной теорией.
6. Выявлены особенности микроструктуры нематических RPA-слоев, определяющие особенности спектров коллимированного пропускания этих слоев и трансформации этих спектров под действием внешнего электрического поля. Установлено, что отклонение высоты максимумов коллимированного пропускания от предсказываемой эквидоменной моделью для таких слоев в отсутствие приложенного напряжения объясняется присутствием дисклинаций и пространственно-зависимой локальной закрученностью поля директора по координате, перпендикулярной границам ЖК слоя. Установлено, что понижение максимумов коллимированного пропускания при наложении напряжения на ЖК слой связано, главным образом, с возникновением под действием поля стационарных стенок Брохарда-Легера, стабилизированных дискли-нациями полуцелой силы.
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1. Sherman М.М., Yakovlev D.A. Optical properties of multi-domain anisotropic layers with random in-plane orientation of domains // Proc. SPIE. - 2007. - Vol. 6536. - P. 65360H-1-65360H-6.
2. Шерман M.M., Яковлев Д.А. Особенности пропускания света монослоем одинаковых по структуре анизотропных доменов со случайной азимутальной ориентацией // Опт. Спектр. - 2010. - Т. 109, № 2. - С. 206-215.
3. Шерман М.М., Яковлев Д.А. Спектральная селекция и оптическая активность мульти-доменных анизотропных слоев // Проблемы оптической физики: материалы 11-ой Междунар. науч. школы по оптике, лазерной физике и биофизике, Саратов, 2008. - С. 118-123.
4. Шерман М.М., Яковлев Д.А. Электроуправляемый диффузор на основе нематических мультидоменных слоев // Сб. докл. 19-й Всерос. конф. «Лазеры. Измерения. Информация», СПб., 2009. - Т. 2. - С. 225-239.
5. Sherman М.М., Yakovlev D.A., Tao D., Murauski A., Chigrinov V.G. Electrically controlled transmission spectral filters for collimated beams on the base of nematic layers with schlieren structure. // 22nd International Liquid Crystal Conference: abstr. - Korea, 2008. -P. 211.
6. Шерман M.M., Эффект электроуправляемой спектральной фильтрации на мультидоменных жидкокристаллических слоях // Научные исследования студентов: материалы итоговой студ. конф., Саратов, 2008. - С. 48-49.
7. Sherman М.М. Electrically controlled diffuser on the base of multi-domain nematic layers for laser beams // OPTO Meeting for Young Researchers' 2010: abstr. - Poland, 2010. - P. 25.
8. Sherman M.M. Macro- and microscopic properties of multidomain nematic liquid crystals with random planar orientation // International OS A Network of Students 8: abstr. - Russia, 2010.-P. 41.
Подписано в печать 07.02.2012.
Формат 60x84 'Лб. Бумага офсетная. Гарнитура Times.
Объем 1.25 печ. л. Тираж 120 экз. Заказ № 37-Т Типография СГУ г. Саратов, ул. Б. Казачья 112а
61 12-1/678
ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского»
На правах рукописи
ШЕРМАН МАРИЯ МИХАЙЛОВНА
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ СО СЛУЧАЙНЫМИ ПЛАНАРНЫМИ УСЛОВИЯМИ НА
ГРАНИЦАХ
01.04.05-оптика
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Яковлев Д. А.
Саратов - 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..................................................................................................................4
Глава 1. Обзор объектов и методов исследования.............................................12
1.1. Нематические и холестерические жидкие кристаллы. Ориентация ЖК у границ раздела. Ориентация ЖК электрическим полем....................12
1.2. Континуальная теория деформации ЖК. Компьютерное моделирование деформации поля ЖК директора под действием электрического поля.........................................................................................19
1.3. ЕСВ эффект. Управляемые интерференционно-поляризационные фильтры на жидких кристаллах......................................................................23
1.4. Шлирен-структура нематических ЖК. Дисклинации............................25
1.5. Основные типы холестерических текстур, реализующихся при планарных граничных условиях.....................................................................26
1.6. Оптические свойства холестерических слоев с регулярной планарной текстурой........................................................................................28
1.7. Известные применения нематических и холестерических КРА-слоев........................................................................................................32
1.8. Эквидоменная модель КРА-слоев. Квазиэквидоменные ЖК слои......33
1.9. Методики поляризационных исследований образцов...........................35
1.9.1. Основы использованной методики структурного анализа..........35
1.9.2. Характеризация макроскопических поляризационно-оптических свойств образцов..................................................................39
1.9.3. Система микроскопического поляризационного картографирования анизотропных сред.................................................42
Глава 2. Оптические свойства мультидоменных слоев со случайными планарными граничными условиями..................................................................48
2.1. Образцы......................................................................................................49
2.2. Специфические макроскопические оптические свойства ЯРА-слоев. Визуальные наблюдения..................................................................................57
2.3. Спектральные и поляризационные исследования..................................62
2.4. Теоретическое описание свойств мультидоменных слоев со случайными планарными граничными условиями.......................................69
Глава 3. Макроскопические оптические свойства нематических и холестерических КРА-слоев в электрическом поле...........................................84
3.1. Эквидоменная модель электрооптического отклика КРА-слоев..........84
3.2. Образцы......................................................................................................99
3.3. Спектральные измерения. Сравнение с эквидоменной
теорией...........................................................................................................108
3.3.1. Нематические ячейки....................................................................108
3.3.2. Холестерические ячейки...............................................................123
3.4. Возможные применения обнаруженных эффектов. Эффективный спектральный диапазон. Времена отклика..................................................138
3.4.1. Нематические ЯРА ячейки как управляемые светофильтры и диффузоры...............................................................................................138
3.4.2. Рабочий спектральный диапазон.................................................142
3.4.3. Времена отклика............................................................................144
Глава 4. Микроскопические исследования мультидоменных структур с планарной ориентацией на границах.................................................................148
4.1. Структура 11РА-слоёв в отсутствие поля..............................................149
4.1.1. Нематические слои........................................................................149
4.1.2. Холестерические слои...................................................................160
4.2. Структура нематических 11РА-слоёв при наложении электрического поля.......................................................................................162
Заключение...........................................................................................................173
Библиографический список используемой литературы..................................175
Введение
Актуальность темы. Цели и задачи работы
В настоящее время, благодаря своим уникальным электрооптическим свойствам, жидкие кристаллы (ЖК) используются во многих оптических устройствах (дисплеи, амплитудные и фазовые модуляторы, управляемые светофильтры, устройства управления поляризацией, дефлекторы и т.д.) [19], и постоянно обнаруживаются новые интересные эффекты, еще более расширяющие область практического использования ЖК.
Одним из потенциально полезных эффектов является рассматриваемый в данной работе эффект спектральной фильтрации, наблюдающийся на тонких мелкодоменных нематических ЖК слоях со случайными планарны-ми граничными условиями, которые реализуются в ЖК ячейках с ненатер-тыми полимерными ориентирующими слоями. Нематические и холестери-ческие слои, реализующиеся при таких граничных условиях, мы будем условно называть RPA (randomly planarly aligned) слоями. Эффект спектральной фильтрации на нематических RPA-слоях был впервые описан в статье [10] автором данной диссертации в соавторстве с Д. А. Яковлевым. В этой статье было экспериментально показано, что тонкие нематические RPA-слои могут обладать смешанным, диффузно-направленным, характером пропускания с сильной квазипериодической зависимостью коэффициента пропускания для нерассеянной компоненты (коллимированного пропускания) от частоты падающего света. Ввиду выраженного квазипериодического характера спектров коллимированного пропускания мы условно назвали данный эффект CSS (channeled spectrum scattering). Характерной особенностью CSS является большая амплитуда спектральной модуляции интенсивности нерассеянной компоненты: в спектральных областях, соответствующих максимумам коллимированного пропускания, почти весь свет проходит через ЖК слой без
рассеяния, в то время как в областях, соответствующих минимумам колли-мированного пропускания, практически весь прошедший свет является рассеянным. Существенно, что CSS проявляется как в поляризованном, так и в неполяризованном свете, причем в равной мере. Д. А. Яковлевым [11] была предложена простая теоретическая модель, объясняющая на качественном уровне основные особенности CSS. В рамках данной модели RPA-слой представляется как монослой идентичных по структуре доменов, имеющих случайную азимутальную ориентацию; далее эта модель будет называться экви-доменной моделью или эквидоменной теорией. Одной из целей настоящей работы было выяснение, в какой степени структура и реальные оптические свойства RPA-слоев соответствуют эквидоменной модели, и выявление основных факторов, требующих учета при разработке более точной теории. Помимо качественного объяснения CSS эффекта эквидоменная модель предсказывает интересные и потенциально полезные электрооптические свойства нематических и холестерических RPA-слоев, в частности, смещение экстремумов коллимированного пропускания под действием электрического поля в случае нематических ЖК и поворот плоскости поляризации нерассеянной компоненты прошедшего света с сохранением его линейной поляризации под действием электрического поля в случае холестерических ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали. Основной целью данной работы явилось выяснение, проявляются ли указанные электрооптические свойства реальными нематическими и холестерическими RPA-слоями и, если да, то в какой степени и в каких условиях, и насколько они подходят для практических применений.
Достижение целей работы потребовало решения следующих основных задач:
1. Детальное экспериментальное исследование макроскопических оптических и, в частности, поляризационно-оптических свойств нематических и холестерических RPA-слоев и оценка параметров экспериментальных
ЖК слоев, требующихся дли численного моделирования оптических характеристик этих слоев в соответствии с эквидоменной теорией.
2. Проверка степени адекватности эквидоменной модели оптики КРА-слоев, включающая в себя проведение численного моделирования макроскопических оптических характеристик экспериментальных образцов в соответствии с эквидоменной теорией и сравнение результатов расчета с соответствующими экспериментальными результатами.
3. Исследование электрооптического отклика нематических и холестериче-ских КРА-слоев.
4. Сравнение статических электрооптических характеристик нематических и холестерических КРА-слоев с рассчитанными согласно эквидоменной модели.
5. Экспериментальная оценка времен отклика нематических КРА-слоев при переключении напряжения на ЖК слое.
6. Изучение микроструктуры нематических и холестерических КРА-слоев.
7. Исследование трансформации микроструктуры нематических КРА-слоев под действием электрического поля.
Научная новизна работы
1. Впервые проведено детальное исследование специфических макроскопических оптических свойств КРА-слоев нематических и холестерических (с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали) жидких кристаллов, связанных с селективным рассеянием, обусловленным их квазиэквидоменной структурой.
2. Впервые выявлен квазипериодический характер спектров коллимирован-ного пропускания нематических КРА-слоев и показана независимость этих спектров от состояния поляризации падающего света.
3. Впервые экспериментально установлено, что в случае нормального падения линейно поляризованного света на ЯРА-слой холестерического ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали нерассеянная компонента прошедшего света имеет линейную поляризацию вне зависимости от выполнения условия X » |Лпр]/2, где X - длина волны, Ап - разность главных показателей преломления ЖК, р - шаг холе-стерической спирали.
4. Впервые проведена количественная оценка степени адекватности эквидо-менной модели оптики нематических и холестерических ЯРА-слоев.
5. Впервые детально исследована трансформация спектров коллимированно-го пропускания нематических и холестерических ЯРА-слоев под действием электрического напряжения, приложенного к ЖК слою.
6. Впервые экспериментально показано, что ячейки с нематическими ЯРА-слоями могут быть использованы как поляризационно-независимые перестраиваемые спектральные фильтры.
7. Впервые экспериментально показано, что ячейки с нематическими ЯРА-слоями могут быть использованы как поляризационно-независимые управляемые малоугловые диффузоры для коллимированных квазимонохроматических световых пучков, способные задавать любое нужное отношение мощностей рассеянной и нерассеянной компонент.
8. Впервые экспериментально показано, что в тонких ЯРА-слоях холестерических ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали возможна реализация режима, когда плавное изменение величины электрического напряжения, приложенного к ЖК слою, приводит к плавному повороту плоскости поляризации нерассеянной компоненты прошедшего света с сохранением его линейной поляризации.
9. Впервые выявлены особенности микроструктуры нематических ЯРА-слоев, определяющие особенности спектров коллимированного пропус-
кания этих слоев и трансформации этих спектров под действием внешнего электрического поля.
Научно-практическая значимость работы
Результаты, полученные в ходе исследований, существенно расширяют представления об оптических и электрооптических свойствах сложно неоднородных нематических и холестерических слоев, и сложно неоднородных анизотропных структур вообще. Экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы при разработке новых моделей оптики анизотропных сред. Многие природные и технические среды являются оптически анизотропными, и во многих практически интересных случаях анизотропная среда представляет собой неоднородную структуру с зависящей от пространственных координат ориентацией локальной оптической оси. Такого рода структура характерна многим техническим материалам, в частности, полимерным пленкам, а также многим биологическим тканям. Знание закономерностей взаимодействия света с такими средами важно как с точки зрения применения их специфических оптических свойств в различных практических устройствах, так и с точки зрения разработки эффективных оптических методов их исследования и характеризации. Знание специфических оптических свойств неоднородных анизотропных сред, обнаруженных и изученных в ходе выполнения настоящей работы, таких как CSS, может быть полезно в этом плане, особенно в исследованиях, связанных со струк-турообразованием в ЖК, а также ориентацией ЖК на поверхности.
Обнаруженные и исследованные в работе эффекты могут найти практическое применение в технике и служить основой для создания новых электрооптических устройств на ЖК, в том числе неполяризационных.
Достоверность научных результатов и выводов, полученных в работе, обусловливается использованием апробированных методик измерений, адекватностью используемых теоретических моделей, соответствием теоретических выводов экспериментальным данным, воспроизводимостью результатов экспериментов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Эквидоменная теория достаточно точно предсказывает положение экстремумов коллимированного пропускания мелкодоменных нематических слоев, проявляющих CSS, в области прозрачности ЖК материала. Отличие высоты максимумов коллимированного пропускания от предсказываемой эквидоменной теорией для таких слоев определяется, главным образом, присутствием дисклинаций и пространственно-зависимой локальной закрученностью поля ЖК директора по координате, перпендикулярной границам слоя.
2. Приложение к нематическим RPA-слоям, проявляющим CSS, электрического напряжения, превышающего по величине пороговое напряжение перехода Фредерикса для планарных структур, приводит к смещению экстремумов и понижению высоты максимумов коллимированного пропускания. Положение экстремумов зависит от величины приложенного напряжения. Понижение максимумов коллимированного пропускания связано, главным образом, с возникновением стационарных стеиок Бро-харда-Легера под действием электрического поля.
3. Для RPA-слоев холестерических ЖК с большим по сравнению с длиной волны естественным шагом спирали возможна реализация режима, при котором в случае падения на ЖК слой линейно поляризованного света вариация величины приложенного к ЖК слою электрического напряжения в широком диапазоне сохраняет линейной поляризацию нерассеян-
ной компоненты прошедшего света, но приводит к изменению ее направления, т.е. повороту плоскости поляризации.
Личный вклад соискателя состоит в участии в постановке задач исследования, разработке алгоритмов их решения и их реализации, подготовке и проведении экспериментов, в обработке и анализе полученных результатов.
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях:
1. Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физике и Биофизике (Saratov Fall Meeting' 2007) (Саратов, РФ,
2007);
2. Международной конференции (International Liquid Crystal Conference
2008) (Jeju Island, Korea, 2008);
3. Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физике и Биофизике (Saratov Fall Meeting' 2008) (Саратов, РФ, 2008);
4. Всероссийской конференции «Лазеры. Измерения. Информация» - 2009, (Санкт-Петербург, РФ, 2009);
5. Международной конференции (OPTO Meeting for Young Researchers' 2010) (Torun, Poland, 2010);
6. Международной конференции (International OSA Network of Students 8), (Москва, РФ, 2010);
7. Международной школе для молодых ученых и студентов по Оптике, Лазерной физике и Биофизике (Saratov Fall Meeting' 2010) (Саратов, РФ, 2010).
На Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций «УМНИК» (Саратов, РФ, 2009) грант программы «УМНИК» был присужден проекту «Электроуправляемый диффузор на основе нематических мультидоменных слоев» (автор - Шерман М.
М.).
Публикации
По материалам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликовано 8 статей, из них 2 статьи в журналах из списка рекомендованных ВАК. Основные результаты изложены в работах [10-17].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, состоящего из 114 наименований. Работа изложена на 186 страницах текста, содержит 88 рисунков.
Глава 1. Обзор объектов и методов исследования
Основным предметом рассмотрения в данной работе являются оптические и электрооптические свойства мелкодоменных слоев нематических и холестерических жидких кристаллов, получаемых в результате заполнения ячеек с ненатертыми полиимидными ориентирующими слоями ЖК материалом в изотропном состоянии. Таки
