Ориентационные эффекты при рассеянии света в дисперсных системах нематический жидкий кристалл-полимер тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

и На правах рукописи

7 -ьви

АФОНИН Олег Александрович

ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ РАССЕЯНИИ СВЕТА В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ НЕМАТИЧЕСКИЙ ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ - ПОЛИМЕР

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 1998

Работа выполнена в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Названов В.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Мельников Л.А. ;

доктор физико-математических наук, профессор Хлебцов Н.Г.

Ведущая организация:

Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов

Защита состоится 22 октября 1998 года в 18 час. на заседании диссерта!. онного Совета Д 063.74.01 в Саратовском государственном университете I/ Н.Г.Чернышевского по адресу: 410026, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан _ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук

Аникин В.!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Одним из актуальных направлений оптики дисперсных сред, развивающимся на стыке физики жидких кристаллов и физической оптики, является исследование нового класса анизотропных дисперсных систем, представляющих собой взвеси капель нема-тических жидких кристаллов (НЖК) в полимерных матрицах. Научный интерес к этим объектам обусловлен, с одной стороны, нетривиальными физическими свойствами пространственно ограниченных ЖК, связанными со сложной упорядоченной структурой жидкокристаллической и полимерной фаз и их взаимодействием на границах раздела, а с другой - перспективами использования эффектов управляемого ослабления и рассеяния света дисперсными системами НЖК-полимер для создания различных устройств оптической обработки и отображения информации (черно-белые и цветные дисплеи, системы проекционного телевидения, устройства управления световыми потоками и др.) [1*,2*]. Кроме того, благодаря наличию хорошо развитых методов определения микроструктурных параметров среды в целом и структуры отдельных тематических капель (оптическая и электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и т.д.) двухфазные дисперсные системы НЖК-полимер могут рассматриваться в качестве интересного объекта для широкого круга задач, связанных с фундаментальными аспектами оптики рассеивающих сред, образованных анизотропными частицами.

Современный уровень исследований оптических свойств жидкокристаллических дисперсных систем требует, во-первых, экспериментального выявления физических закономерностей и полного феноменологического описания процессов ориентационного упорядочения пространственно ограниченных структур НЖК во внешних силовых полях и связанных с этими процессами оптических эффектов (изменение прозрачности, рассеяние, линейный дихроизм, двойное лучепреломление и др.), и, во-вторых, - построения адекватных эксперименту теоретических моделей, описывающих зависимость ориентационных оптических эффектов от структурных и оптических характеристик ЖК-капель и параметров их взаимодействия с ориентирующим полем.

В рамках указанных основных направлений исследований актуальность темы диссертации обусловлена следующими обстоятельствами:

• существовавшие до начала работы над диссертацией теоретические модели структурных изменений в каплях НЖК под действием электрического поля не учитывали наличия анизотропных поверхностных взаимодействий, связанных с упорядоченной организацией полимера на границе раздела капля/матрица. Практически отсутствовало даже приближенное теоретическое описание предпороговых ориентационных искажений структуры капель, которые оказывают заметное влияние на электрооптический отклик систем НЖК-полимер. Совершенно не была изучена специфика ориентационных процессов при искусственном изменении формы капель под действием внешних механических деформаций;

• теоретическое описание ослабления и рассеяния света отдельными каплями в большинстве случаев ограничивалось анализом простейших конфигураций директора НЖК без учета процессов неоднородной ориентации жидкого кристалла во внешних полях. Отсутствовали исследования влияния несферичности капель на их оптические свойства. Не был рассмотрен случай комплексных показателей преломления жидкого кристалла;

• результаты экспериментальных исследований ориентационных оптических эффектов в диспд)сных системах НЖК-полимер зачастую носили противоречивый характер или же не получали адекватной физической интерпретации. Теоретические

модели в основном описывали случай распространения света вдоль направления ориентирующего поля и были корректны лишь в ограниченном диапазоне изменения оптических и геометрических параметров системы. Полностью отсутствовали модели механооптических эффектов.

Цель работы и задачи исследований

Целью диссертационной работы является выяснение влияния особенностей структурного и ориентационного упорядочения нематических жидких кристаллов в малых объемах с замкнутой геометрией на характеристики ослабления и рассеяния света дисперсными системами НЖК-полимер с тангенциальными граничными условиями при воздействии внешнего электрического поля и механических деформаций.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• Теоретический анализ и экспериментальное исследование процессов ориентации капель НЖК с биполярной структурой внутри сфероидальной полимерной полости под действием электрического поля и механической деформации.

• Теоретическое исследование интегральных и малоугловых характеристик однократного рассеяния света каплями НЖК различной структуры с использованием анизотропного варианта приближения аномальной дифракции (ПАД).

• Разработка теории стационарных ориентационных оптических эффектов в дисперсных системах НЖК-полимер в рамках ПАД и приближения однократного рассеяния.

• Экспериментальное исследование индуцируемых электрическим полем и механической деформацией изменений прозрачности, линейного дихроизма и двулучепре-ломления в полимерных дисперсиях капель НЖК с тангенциальными граничными условиями и сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими.

• Экспериментальное исследование пространственной и поляризационной структур излучения, рассеянного дисперсной системой НЖК-полимер, ориентированной под действием механической деформации.

Научная новизна

1. Впервые теоретически и экспериментально исследованы механизмы ориентационного упорядочения капель НЖК с тангенциальными граничными условиями в од-ноосно растянутых полимерных матрицах. Обнаружен пороговый характер ориентации капель в системах с морфологией типа МСАР, обусловленный особенностями анизотропного взаимодействия жидкого кристалла с надмолекулярной структурой полимера.

2. Разработана теория перехода Фредерикса в дисперсных системах НЖК-полимер, учитывающая невырожденные тангенциальные граничные условия на поверхности биполярных капель нематика, связанные с образованием упорядоченной структуры полимерной матрицы на границе раздела фаз.

3. С помощью приближения аномальной дифракции выполнен теоретический анализ закономерностей ослабления и однократного малоуглового рассеяния света каплями НЖК различной структуры, формы и размера. Установлены границы применимости модели однородной одноосной частицы для приближенного описания характеристик биполярных капель нематика. Проведено исследование малоугловых поляризованных дифрактограмм с точки зрения их использования для диагностики структуры капель в экспериментах по светорассеянию.

4. Разработаны теоретические модели электро- и механооптических эффектов в дисперсных системах НЖК-полимер различной морфологии, описывающие зависимости главных оптических толщин и фазового сдвига для нормальных волн от величины приложенного электрического поля и механической деформации при различных комбинациях структурных и оптических параметров системы.

5. Проведено экспериментальное исследование индуцируемых электрическим полем эффектов линейного дихроизма и двулучепреломления в дисперсных системах НЖК-полимер ЫСАР-типа; обнаружены характерные закономерности изменения главных коэффициентов пропускания и фазового сдвига в зависимости от величины поля и угла падения света, связанные с неоднородными деформациями исходных структур НЖК в каплях. Предложена теоретическая модель этих явлений и выполнено сопоставление теории и эксперимента.

6. Экспериментально исследованы закономерности ослабления и рассеяния света дисперсными системами НЖК-полимер в условиях одноосного растяжения и проведен анализ основных механизмов формирования макроскопической оптической анизотропии таких систем.

Практическая значимость результатов

• Предложенные теоретические модели и установленные закономерности ослабления и рассеяния света дисперсиями капель НЖК в полимерных матрицах могут быть использованы для прогнозирования характеристик различных механо- и электрооптических устройств, основанных на применении ориентационных эффектов светорассеяния в дисперсных системах НЖК-полимер, а также при разработке методов решения обратных задач в оптике ЖК.

• В результате проведенных исследований разработаны:

- управляемые электрическим полем модуляторы света с рабочим веществом в виде дисперсии капель НЖК в матрице из поливинилового спирта с параметрами: время оптического отклика на приложенное поле - I мс, время релаксации - 5 мс, контраст - до 1000:1, напряжение полного просветления - 30-5-100 В;

- поляризаторы мощного оптического излучения на основе одноосно растянутых дисперсных систем НЖК-полимер, обладающие следующими характеристиками: интервал рабочих длин волн - 0,4*2 мкм, главные коэффициенты пропускания (X = 0,6328 мкм) - Ц я 0.7, < 10°, предельная плотность мощности излучения при комнатной температуре - не менее 1 кВт/см2;

- оптически управляемые пространственно-временные модуляторы света на основе пленочных структур фотопроводник-жидкий кристалл, диспергированный в полимере, работающие в режиме динамической селекции изображений с параметрами: пороговая чувствительность - Ю-5 Вт/см2, максимальный контраст оптического отклика на движущееся изображение - 50:1, стационарный контраст - й 5:1, время отклика при динамической селекции - 5 мс, время релаксации -100 мс, разрешающая способность - 30 лин/мм.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Ориентационное упорядочение капель нематика с биполярной структурой в дисперсной системе НЖК-полимер, подвергаемой деформации одноосного растяжения, зависит от морфологии границы раздела жидкокристаллической и полимерной фаз и может протекать по двум сценариям:

- в случае, когда поверхность полимерных капсул является однородной и обеспечивает вырожденное тангенциальное сцепление молекул НЖК с полимером, ориентация осей симметрии капель N определяется геометрическими преобразованиями, описывающими плавное изменение анизометрии и ориентации капсул;

- в случае наличия упорядоченной надмолекулярной структуры полимера на поверхности капсул и сильного анизотропного взаимодействия этой структуры с молекулами НЖК ориентация капель имеет две последовательные стадии: плавный поворот N в направлении ^растяжения при малых удлинениях матрицы и пороговую переориентацию N параллельно большим осям капсул с увеличением растяжения.

2. Полевые зависимости главных коэффициентов пропускания и фазового сдвига нормальных волн в дисперсных системах НЖК-полимер с матрицей из поливинилового спирта имеют характерные особенности, связанные с неоднородными искажениями биполярных структур НЖК в каплях, возникающими в результате конкуренции между силами сцепления жидкого кристалла с поверхностью полимерных капсул и ориентирующим действием электрического поля, а именно:

- в области порога перехода Фредерикса кривые пропускания имеют ярко выраженный локальный минимум, а кривая фазового сдвига - максимум; эти явления сопровождаются значительным увеличением рассеяния вне направления вперед;

- при увеличении угла падения света возникают осцилляции кривой пропускания для компоненты, поляризованной в плоскости ориентации капель, в то время как кривая пропускания для ортогональной компоненты становится монотонной, принимая обычную Б-образную форму.

3. Индуцируемые электрическим полем или механической деформацией эффекты изменения прозрачности, линейного дихроизма и двулучепреломления в дисперсных системах НЖК-полимер можно адекватно описать теоретическими моделями, основанными на использовании приближений аномальной дифракции и однократного рассеяния и учитывающими: 1) ориентацию осей симметрии биполярных капель НЖК, определяемую морфологией данной дисперсной системы, функцией распределения капель по размерам и видом внешнего силового поля, 2) одновременную ориентацию локальных осей директора НЖК внутри капель, 3) изменение формы и размера капель, а также оптических констант полимерной матрицы в зависимости от величины ее механической деформации.

4. Модель электрически индуцируемого перехода Фредерикса в биполярной капле НЖК, связывающая критическую напряженность поля перехода с размером капли, ее формой, ориентацией, конечной азимутальной энергией поверхностного сцепления НЖК на границе раздела с полимерной матрицей, а также с диэлектрическими и упругими свойствами системы.

5. Результаты теоретического исследования интегральных и малоугловых характеристик рассеяния света каплями НЖК с биполярной, концентрической, радиальной, аксиальной и однородной одноосной структурами в рамках приближения аномальной дифракции.

6. Результаты экспериментального исследования пространственной и поляризационной структур излучения, ослабленного и рассеянного дисперсной системой НЖК-полимер, ориентированной одноосным растяжением полимерной матрицы.

Достоверность результатов диссертации

Достоверность полученных теоретических результатов обоснована корректностью использованных математических моделей и их соответствием эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов достигнута применением стандартной аппаратуры и обработкой данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ.

Личный вклад автора

Все основные результаты, на которых базируется диссертация, получены лично автором. В большинстве работ, которые написаны в соавторстве, диссертанту принадлежит участие в постановке задач и интерпретации результатов.

Апробация работы

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), II Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлепронике "Проблемы оптической памяти" (Ереван, 1987), VI Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и их практическое использование" (Чернигов, 1988), II Всесозном семинаре "Оптика жидких кристаллов" (Красноярск, 1990), II Всесоюзной конференции "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (Ленинград, 1990), Summer European Liquid Crystal Conference (Vilnius, Lithuania, 1991), XIV International Liquid Crystal Conference (Pisa, Italy, 1992), XV International Liquid Crystal Coference (Budapest, Hungary, 1994), International Liquid Crystal Workshop "Surface phenomena" (St.-Petersburg, Russia, 1995), XVI International Liquid Crystal Conference (Kent, USA, 1996), Школе по оптике, лазерной физике и опто-электронике (Саратов, 1997).

Диссертационная работа является составной частью госбюджетных научно-исследовательских работ, проводимых в НИИМФ СГУ. Исследования по теме диссертации были частично поддержаны Государственной научной стипендией для молодых ученых России.

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 работа в отечественной и зарубежной печати. Основные результаты исследований отражены в 25 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы. Она изложена на 320 стр. и включает 191 стр. основного текста, 91 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 466 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении диссертации обоснована актуальность работы, дан краткий обзор состояния проблемы, сформулированы цели исследования и основные положения, выносимые на защиту. Выделены новые результаты, отмечена практическая значимость работы, приведены сведения об апробации и использовании материалов диссертации.

Первая глава посвящена теоретическому исследованию ориентационных процессов в дисперсных системах НЖК-полимер с тангенциальными граничными условиями при наложении внешнего электрического поля и одноосном растяжении полимерной матрицы.

Разд.1.1 содержит классификацию структур и структурных переходов в каплях не-матика и краткий обзор полевых ориентационных эффектов в ЖК-дисперсиях.

В разд. 1.2 выполнен теоретический анализ влияния несферичности полимерной капсулы и величины полярной энергии поверхностного сцепления V/р на структуру биполярных капель НЖК вытянутой сфероидальной формы в терминах двухпарамет-рической модели векторного поля директора НЖК п(г). Показано, что в случае сильного поверхностного сцепления (—ют ) точечные дефекты биполярной структуры жидкого кристалла лежат на поверхности капли. Если же сцепление слабое, то полюса векторного поля п(г) находятся за пределами капли и поверхностные дефекты становятся как бы "размытыми". В предельном случае IVр -» 0 в капле образуется однородно ориентированная бездефектная структура п(г).

В разд. 1.3 рассмотрен процесс ориентационного упорядочения директоров биполярных капель N в полимерной матрице, подвергаемой аксиально симметричному упругому растяжению в случае, когда в исходном состоянии полимерные капсулы имеют форму сфероидов с полуосями (а^аоД >а0), а поверхность капсул является идеально однородной и допускает свободное азимутальное вращение локального директора НЖК п(г). Установлено, что при выполнении указанных условий директоры N всегда ориентированы параллельно большим осям деформируемых капсул, а изменения угла ориентации 9 и длин главных осей с>а>Ь последних определяются соотношениями

где /0 = Ьц / ö(,, 90 - угол начальной ориентации капли относительно направления растяжения М , q> 1 - кратность растяжения. С помощью уравнений (1) и (2) исследовано поведение ориентационной функции распределения /(9) и параметра порядка дисперсной системы Sf =< 3(N • М)2 -1 > /2 при хаотической начальной ориентации капель.

Четвертый раздел главы посвящен решению задачи приближенного теоретического описания статики и динамики электрически индуцируемого перехода (эффекта) Фредерикса в каплях НЖК с биполярной структурой в случае положительной диэлектрической анизотропии жидкого кристалла и конечной азимутальной энергии поверхностного сцепления fVa, связанной с взаимодействием поверхностного слоя НЖК с ориентированной надмолекулярной структурой полимера вблизи границы раздела капля/матрица. Полученные результаты могут рассматриваться в качестве развития существующих моделей электрооптического отклика дисперсных систем НЖК-полимер (Wu et al., 1989; Kelly and Palffy-Muhoray, 1994).

В разд. 1.4.1 в рамках монодоменного приближения, допускающего лишь масштабные деформации и нелокальные повороты ориентационной структуры нематика, показано, что в биполярной капле, имеющей форму вытянутого сфероида (а,а,Ь>а) , статическая ориентация N при наложении внешнего поля Е описывается уравнением

5=1 arctg[sin29L /(е2 +cos25L)],

(3)

где - угол ориентации большой оси сфероида; е = ЕЯ [г^Ае / А'(5.152 + 21 Яа)]1/2 -приведенное поле; Я = (а2Ь)]П; К - константа упругости НЖК (одноконстантное при-

1/2

,2/лЮ

ближение); 8 = [l-(a/¿)2]"2 ; X = RWa IК - параметр поверхностного сцепления; AFX = e¡ - ¿i s± - эффективная диэлектрическая анизотропия капли; g¡ = Ъер / (l£p + s¡); e¡ = e'LC Ц2 / 3)Ц - eJSD ; e'L = s'lc -(1 / 3)Ц - eL)SD ; ¿j , sL и £p - диэлектрические проницаемости НЖК и полимера, соответственно; SD =< 3{n ■ N)2 -1 > /2 - параметр порядка капли; e'lc = (e¡ + 2s±) 13. Согласно (3) пороговый переход Фредерикса NIE —> N|JE происходит при критической величине поля ес = 1 или в размерных единицах при Ес, равном

Ес = R'[\k(5JÔ2 +Ша) I "2. (4)

Таким образом, если порог эффекта Фредерикса определяется поверхностным взаимодействием ( Ха » S2 ), то Ес ос R'llï. В случае же преобладания упругого вклада, обусловленного несферичностью капли (Лв «S2), Ес °сR'1. Экспериментальные значения Ес для капель с Л » 1 мкм обычно лежат в интервале Ес » 1 + 2 В/мкм (Ковальчук и др., 1988; Drzaic, 1988; Lin et al., 1995; Amundson, 1996), что согласуется с полученными теоретическими оценками Ес(= 10"^ Н/м) » 1.1 В/мкм и Ec(Wa = Ю-5 Н/ м) a 1.5 В/мкм для типичного набора параметров дисперсной системы (Ыа = 1.2, е,=19, £Х=5, ер = %, ^ = 0.76, Я = 10"" Н).

В разд. 1.4.2 на основе приближения «среднего угла» (Рахманов и Шмальгаузен, 1994) рассмотрена зависимость эффекта Фредерикса от наличия предпороговых локальных деформаций биполярной конфигурации директора й(г) . В рамках указанного приближения ориентационные возмущения й(г) можно качественно описать с помощью среднего угла 9 =< 9„ >v между векторами й(г) и Е, который рассчитывается при условии, что директор капли N ориентирован под углом 9 к полю Е (в данном случае вектор N указывает направление прямой, соединяющей точечные дефекты на поверхности капли, и при значительных искажениях биполярной структуры НЖК может быть не коллинеарен направлению средней ориентации векторного поля п(г) ). Математической формулировкой задачи является система уравнений равновесия для углов S и 3 следующего вида:

sin2(9L -9)-ег sin 23 -- J-tg(9 - 9)sin(5 - 9) = 0 , (5)

V

lg(9-9)-\(yFefsm29 = 0, (6)

где параметр у/ = (5.1 S1 + 21Я„)1/2 определяет связь между изменением ориентации Ñ и предпороговой ориентацией й(г). В результате решения данной системы уравнений показано, что при у? « 1 возможен "жесткий" поворот директора капли N с сохранением исходной биполярной структуры й(г). В случае ц/ 21 в предпороговой области 0<Е<ЕС сначала возникает сильно искаженная конфигурация й(г), а затем происходит переориентация молекул НЖК в приповерхностной части капли. Кроме того, наблюдается размытие порога перехода Фредерикса NIE -> N ||Е, которое исчезает при дальнейшем увеличении параметра у/ . Наконец, при -» оо переориентируется только центральная часть капли, что согласуется с полученными недавно экспериментальными данными (Зырянов и др., 1996). В качестве простейшей структурной модели, учитывающей эти эффекты, предложен двухслойный анизотропный шар, состоящий из ядра диаметром Ri = R [sin(5 - 9 ) /sin,9]2/3 с ориентацией й||Е и поверхностного шарового слоя с ориентацией ñ||N .

В заключительных разделах главы рассмотрена динамическая модель перехода Фредерикса в биполярных каплях НЖК, которая наряду с ориентационными деформа-

циями и силами вязкого трения в объеме нематика (Wu et al., 1989; Kelly and Palffy-Muhoray, 1994) учитывает конечную азимутальную энергию поверхностного сцепления, поверхностную вязкость и низкочастотную диэлектрическую релаксацию по механизму Максвелла-Вагнера. Получено уравнение движения директора капли N вида sin2(5£-ö)-e2sin25 = 2r^/a, где г = (ytR2 +3ysR)/(5JÖ2{+ lWaR) - постоянная времени процесса ориентационной релаксации, и ys - вращательная и поверхностные вязкости НЖК, соответственно, и проведен анализ решений этого уравнения, описывающих свободную релаксацию биполярной капли из ориентированного состояния, реакцию капли на включение внешнего поля и ее поведение в синусоидальном поле.

Во второй главе диссертации представлены результаты теоретического исследования ослабления, рассеяния и поглощения света заключенными в полимерную матрицу сфероидальными каплями нематического жидкого кристалла микронных размеров с различными конфигурациями поля директора п(г) . Для описания оптических характеристик капель использовано приближение аномальной дифракции (ПАД).

В разд.2.1 рассмотрена поляризационная модификация ПАД (Meeten, 1982; Zumer, 1988) и приведены общие выражения для расчета элементов амплитудной матрицы рассеяния и производных от нее характеристик для локально одноосных частиц произвольной структуры и формы.

Разд.2.2 посвящен исследованию интегральных характеристик светорассеяния каплями НЖК с биполярной, концентрической, радиальной, аксиальной и однородной одноосной структурами. В силу цилиндрической симметрии этих объектов они могут быть описаны в терминах главных факторов эффективности ослабления Q 2 , поглощения ßoi,2 и фазовых функций Р12, рассчитываемых в рамках ПАД по формулам1

Ö = 20-;' lag П-Re{7],(r)}] dag, Qai = 0~х l-|7],(r)|2 ] dffg , (7) J bn{7i(r)}d<r,, « = 1,2, (8)

где индексы 1, 2 указывают на поляризацию падающей плоской волны параллельно (1) и перпендикулярно (2) плоскости, содержащей волновой вектор к0 и ось симметрии капли N; crg - площадь геометрической тени капли; 7), (г) - диагональные элементы 2x2 матрицы пропускания для луча, проходящего через точку г аппроксимирующего каплю амплитудно-фазового экрана.

Выполнен анализ зависимостей Q 2 > Qa 1,2 и Л,г от структуры капель, их размера, ориентации, длины волны падающего света, согласования показателей преломления НЖК и полимера, поглощения в жидком кристалле. Показано, что эффективность ослабления линейно поляризованного и неполяризованного света убывает в следующей последовательности: однородная одноосная капля —> биполярная -» аксиальная -> концентрическая -» радиальная. Сделан вывод о том, что моделирование оптических свойств биполярной капли с помощью однородной оптически одноосной частицы является допустимым, если значения размерного параметра v = а(пе - пр) / X лежат в диапазоне v^ 0.2-0.4 (здесь пе и пр - показатели преломления НЖК для необыкновенного луча и полимера, соответственно, Л - длина волны). Альтернативная модель,

1 Необходимо отметить, что введенная таким образом фазовая функция Р не имеет никакого отношения к фазовой функции р , используемой в теории переноса лучистой энергии и имеющей смысл нормализованного к единице дифференциального сечения рассеяния.

основанная на замене биполярной капли одноосной анизотропной частицей с эффективными показателями преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей (Bloisi et al., 1993,1996), дает удовлетворительную аппроксимацию для Q\, Р\ и Р2 при v<0.2, однако занижает значения Q2 в указанной области по сравнению с численными результатами. В конце раздела описано влияние формы полимерной капсулы на функции Qi(v) и Pj(v) для капли НЖК с биполярной структурой. В частности, показано, что для типичной ориентации k0±N удлинение сфероидальной капли приводит к увеличению Qx, |/>,| и уменьшению Q2, |/j| • При значениях осевого отношения /> 4 биполярная капля по оптическим свойствам идентична однородной одноосной частице той же формы.

В разд.2.3 в приближении аномальной дифракции описаны основные закономерности малоуглового рассеяния поляризованного света сферическими и сфероидальными каплями НЖК с биполярной, концентрической, радиальной и аксиальной структурами. Показано, что характерные особенности полученных VV- и КЯ-дифрактограмм могут быть использованы для идентификации формы и структуры отдельной капли, а также определения ориентации ее оси симметрии относительно направления падающего света и оси пропускания входного поляризатора. В частности, угловое положение первого максимума на КЯ-дифрактограммах сферической биполярной капли в полярных координатах ит =2kasin(0m J 7) и фт слабо зависит от изменения дифракционного параметра ка, что позволяет использовать м„ при экспериментальном определении среднего размера капель. Для предельных ориентации k0_LN и k0||N получены значения йт » 3.74 , фт я 47.9° и йт » 4.90 , фт = 45°, соответственно, которые удовлетворительно согласуются с результатами Динга и Янга (Ding and Yang, 1994), полученными в приближении Рэлея-Ганса. Энергетическая эффективность малоуглового рассеяния неполяризованного света каплями НЖК различной структуры убывает в следующей последовательности: биполярная капля аксиальная -» концентрическая -> радиальная. В то же время капля с радиальной структурой характеризуется более интенсивным рассеянием на большие углы по сравнению с каплями НЖК остальных исследованных типов.

В третьей главе представлены результаты теоретического исследования индуцируемых внешним электрическим полем и одноосным растяжением полимерной матрицы стационарных эффектов изменения прозрачности, линейного дихроизма и двойного лучепреломления в тонкопленочных дисперсных системах НЖК-полимер с каплями биполярной структуры. Разработанные модели учитывают все известные теоретические результаты по ориентационным оптическим эффектам в ЖК-дисперсиях (Drzaic, 1986; Kelly et al., 1992; Basile et al., 1993, 1994; Kelly and Palfîy-Muhoray, 1994; Bloisi et al., 1995, 1996; Vicari, 1997) и обобщают их на случай произвольной взаимной ориентации падающего света и внешнего поля.

Разд.3.1 посвящен изложению общего подхода к описанию управляемых силовым полем F ориентационных эффектов для прямо прошедшего излучения в аксиально и зеркально симметричных разреженных дисперсных системах, образованных анизотропными частицами с цилиндрической и зеркальной симметриями геометрической формы, внутренней структуры и оптических свойств. В этом случае изменение энергетических и поляризационных характеристик ослабленного света описывается матрицей Мюллера M для направления вперед к0 (Хлебцов, 1988, 1996), которая связывает векторы С'токса падающего и прошедшего излучения S = MS0 и содержит шесть следующих ненулевых элементов (в представлении S = (I^I±,U,V)):

Mn = ехр(-тц), М2г = ехр(-гх),

(9)

Мгъ = = cos ц/ ехр[-(г-|| + гх) / 2], Mi4 = -М43 = sin у/ ехр[-(гц + гх) / 2]. (10)

Здесь

- оптические толщины дисперсной среды для компонент падающего света, поляризованных в плоскости (к01Б) и перпендикулярно ей,

- разность фаз этих нормальных волн, Су - объемная концентрация частиц, vd - объем отдельной частицы, d - геометрическая длина пути луча в слое в направлении к0, <р0 - угол между плоскостями (k0,F) и (k0,N), Q2 и Л,г - факторы эффективности ослабления и фазовые функции, рассмотренные во второй главе, а скобки <..> означают статистическое усреднение по ненаблюдаемым параметрам - ориентациям частиц, их размерам, форме и т.д.

В разд.3.2 общая теория предыдущего раздела применена к описанию электрооптических эффектов в тонкопленочных дисперсных системах НЖК-полимер двух основных типов - PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystals), создаваемых с помощью технологии фазового разделения жидкокристаллической и полимерной компонент в процессе полимеризации матрицы, и NCAP (Nematic Curvilinear Aligned Phase), изготавливаемых эмульгированием НЖК в растворе полимера с последующим удалением растворителя. С учетом морфологии систем PDLC-типа показано, что в этом случае ориентаци-онное усреднение любого параметра X, входящего в выражения (11) и (12), выполняется в виде

где Эь и - полярный и азимутальный углы хаотически ориентированных больших осей эллипсоидальных полимерных капсул (а; а; Ь>а), а зависимость 9(Е, определена уравнением (3). Для систем ГГСАР-типа, состоящих из биполярных капель НЖК, сплюснутых вдоль нормали к слою (а; а; Ь<а), справедливы выражения

(П)

(12)

(13)

3Cydl(9F)

чс(Е)

h(a)da

(14)

3CvdK»F) Г(£)

о

Рис. 1. Характеристические поверхности, описывающие стационарный электрооптический отклик дисперсных систем (а) РРЬС- и (б) 1ч'САР-типов при падении света вдоль нормали к слою и согласовании показателей преломления НЖК пц и полимера л. (пц = п.).

где l(ßF) = (/Jcos2 Sr + s\n29F)m , l0=alb, 3F -угол между k0 и E, 90 -угол между k0 и директором капли N , <-.>9 означает усреднение по углу между плоскостями (к0,Е) и (N,E) , ас(Е) - размер капли, при котором поле с напряженностью Е вызывает переход Фредерикса NIE N | |Е, h(a) - функция распределения капель по размерам.

С помощью описанных моделей в приближении аномальной дифракции исследованы зависимости эффектов изменения прозрачности, дихроизма и двулучепреломле-ния от размера капель, оптической анизотропии НЖК, показателя преломления полимера, угла падения света и длины волны. Показано, что характерные особенности электрооптического отклика жидкокристаллических дисперсных систем могут быть описаны в терминах универсальных безразмерных функций - приведенных главных оптических толщин И^дО^,^.^) и фазового сдвига Wv(y}2,e32,9F), связанных с ГцХ и у/ соотношениями rJ ± = (CydAn/ Л) Щ2 , t/r = (CvdAn/Л) Wir . Здесь v32=a32An/Ä - средний размерный параметр, е32(а32) - среднее приведенное поле, 9F - ориентационный угол между векторами к0 и Е , а$2=< а* >/<(?> , Дл = пе - п0. В качестве иллюстрации на рис. 1 представлены результаты расчета приведенных оптических толщин fV(v32,e32) для систем PDLC- и NCAP-типов в случае падения света вдоль направления ориентирующего поля.

Подробно исследовано поведение полевой зависимости коэффициента пропускания Т для случая нормального падения света при изменении параметра v32, ширины функции распределения капель по размерам, а также величины разности показателей преломления НЖК для обыкновенного луча п0 и полимера пр. В PDLC-системах увеличение v32 приводит к тому, что кривая Т(е32) достигает насыщения при больших значениях поля и имеет при этом пороговый характер в области е}2~\. Первая из указанных тенденций справедлива также и для NCAP-систем, однако крутизна зависимости Т(е32) в системах этого типа с ростом v32 уменьшается. Увеличение ширины функции распределения по размерам довольно слабо влияет на величину Т в неориентированном ( е32 = 0 ) и полностью ориентированном ( е32 °° ) состояниях, но приводит к значительному уменьшению крутизны кривой Т(е32), что более заметно у NCAP-систем. При пр > п0 наблюдается локальный максимум Т(е32), который тем резче выражен, чем больше | п0-пр |; при пр < п0 зависимость Т(еп) монотонна.

Отдельно рассмотрена разработанная на основе результатов первой главы (разд. 1.4.2) модель изменения прозрачности дисперсной системы МСАР-типа, учитывающая модификацию структуры биполярных капель НЖК в предпо-роговой области эффекта Фреде-рикса и в области сильных полей. При О<Е<ЕС биполярная капля моделируется сплюснутым двухслойным анизотропным сфероидом (а,а,Ьйа), состоящим из сфероидального

а32. мкм

Рис. 2. Зависимость оптической толщины г дисперсной системы МСАР-типа от величины электрического поля Е и среднего размера ац биполярных капель в условиях предпороговых искажений их структуры. Расчет выполнен для типичных значений

Пр = 1.51, Л =633 нм,

ров По = 1.52, щ = 1.74 ,

РГа=10":> Н/м, £Х=5, £J = 19, ер =

ядра с полуосями

{«!,/,} = {fl,fc}[(?2-l)/?2]"3 (? = ЙО папямэтто„, „

параметров п

и ориентацией п||Е и поверхност- АГ = 10"'' Н ного слоя с ориентацией nlE. В области выше порога Ес ориентационного перехода NIE -» N | |Е капля аппроксимируется сфероидом, состоящим из центральной части с полуосями а, = а, l\=bej(e+1) и ориентацией п)|Е и внешней части с неискаженной биполярной ориентацией п(г). С помощью этой модели установлено, что при значениях размерного параметра v32 ^ 0.3 кривая Т(Е) должна иметь ярко выраженный минимум, связанный с предпороговой ориентацией п(г). Этот вывод иллюстрирует рис.2, на котором приведена зависимость т(Е,ап) для типичного набора параметров дисперсной системы.

В заключительном разделе главы описаны оптические эффекты в системах PDLC-и NCAP-типов, ориентированных под действием одноосного растяжения полимерной матрицы, для наиболее интересного случая падения света перпендикулярно направлению растяжения. В частности, показано, что для NCAP-систем главные оптические толщины Г|, Tj_ и разность фаз нормальных волн у/ могут быть приближенно выражены в виде

г,1 3 Сущ

Vd =

s(4)

(16)

(17)

где индекс 0 указывает на значения параметров в недеформированном состоянии системы, а йр =2<соз2|3>-1 - двумерный параметр порядка (е[0; 1]). Результаты модельных расчетов представлены в виде трехмерных графиков, иллюстрирующих зависимость приведенных оптических толщин Щ 2 > параметра дихроизма ЛИ' = Щ - Щ и фазового сдвига от степени растяжения полимерной матрицы и исходного размерного параметра у032 .

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям ори-ентационных, механо- и электрооптических эффектов в тонкопленочных дисперсных системах НЖК-полимер с морфологией типа ЬГСАР.

В разд.4.1 описаны технология приготовления дисперсных систем, измерительная аппаратура и методики измерений ориентационных и оптических характеристик. Дисперсные системы МСАР-типа изготавливались эмульгированием НЖК в водном растворе поливинилового спирта (ЛВС) с последующим выпариванием растворителя. Использовались хорошо исследованный различными методами НЖК 4-н-пентил-4'-цианобифенил (5ЦБ), а также промышленные смеси цианобифенилов СЖК-(1..:4) и ЖК-807. Для повышения эластичности поливиниловой матрицы при проведении меха-нооптических измерений к раствору ЛВС добавлялся глицерин в количестве 10 вес. %. Средний размер капель составлял а32 » 2.4 мкм, толщина слоя дисперсной системы <1 изменялась в пределах от 10 до 100 мкм, а объемная концентрация капель Су - от 0.05 до 0.6. Оптические измерения проводились с помощью Не-Ые лазера ( X = 633 нм).

В разд.4.2 детально рассмотрены результаты исследований структурных изменений и ориентационного упорядочения биполярных капель НЖК 5ЦБ в одноосно растянутой ПВС-матрице. Показано, что данный ориентационный процесс имеет сложный характер и включает следующие стадии. При малых удлинениях матрицы капли принимают вытянутую эллипсоидальную форму, а директоры биполярных структур N в большинстве их них ориентированы под различными углами к направлению растяжения (т.н. «захваченные» капли, представленные на рис.3). Плавное изменение ориентации N на этой стадии происходит в соответствии с аффинным преобразованием линейных размеров матрицы. С увеличением растяжения возникает также пороговая переориентация директоров N параллельно направлению больших осей полимерных капсул Ь. Соответствующая ориентационная функция распределения имеет три моды: центральный максимум, обусловленный ориентацией директоров N вдоль 1, и два симметричных боковых максимума, связанных с ориентацией «захваченных» капель. В области больших удлинений матрицы «захваченные» капли исчезают и достигается полная ориентация всех директоров N вдоль направления растяжения. В этом состоянии дальнейшее увеличение анизометрии капель приводит лишь к уменьшению средней кривизны линий локального директора НЖК п(г) .

Исследования влияния температуры на ориентацию биполярных капель в дисперсной системе 5ЦБ/ПВС при слабой деформации полимерной матрицы показали, что

Рис. 3. Микрофотография «захваченных» биполярных капель, полученная с помощью поляризационного микроскопа, и схематическое изображение соответствующего распределения линий директора п.

возможны два сценария ориентационных изменений: а) при нагреве до температур Тш <Т<Та, где Тм - температура фазового перехода нематик-изотропная жидкость и Та - температура стеклования полимера, с последующим охлаждением дисперсной системы до температур существования мезофазы жидкого кристалла большинство биполярных капель восстанавливает исходную ориентацию, наблюдавшуюся до нагрева образца; б) если дисперсная система нагревается выше температуры стеклования полимера, а затем охлаждается до температуры Т < Тт, то происходит исчезновение «захваченных» биполярных структур и необратимая ориентации директоров N вдоль направления растяжения.

Предложена феноменологическая модель, объясняющая наблюдаемые явления ориентации образованием упорядоченной надмолекулярной структуры поливинилового спирта вблизи границы раздела капля/матрица, взаимодействием этой структуры с молекулами жидкого кристалла, и ее изменениями при механической деформации и нагреве дисперсной системы. Предполагаемый сценарий образования надмолекулярной структуры включает следующие этапы: 1) существование биполярной ориентации НЖК в капле до начала полимеризации ПВС из раствора, 2) рост кристаллитов ПВС из центров кристаллизации при выпаривании растворителя, 3) одновременную ориентацию осей кристаллитов параллельно направлению ориентации молекул НЖК на поверхности капли, 4) возникновение флуктуационной сетки из цепей макромолекул ПВС, связывающих ориентированные кристаллиты в единую структуру в виде тонкого сфероидального слоя, окружающего каплю.

В разд.4.3 описаны закономерности ослабления света тонкопленочными дисперсными системами НЖК/ПВС/глицерин в условиях одноосного растяжения и проведено сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими. В согласии с известными результатами (Огааю, 1995; Иацгеп й а!., 1997) в неориентированной системе НЖК-полимер в области оптических толщин г<8-9 имеет место бугеров-ское (экспоненциальное) ослабление интенсивности параллельного падающего пучка. При этом, в отличие от дисперсных систем, образованных изотропными частицами, не наблюдается различия между оптически плотными (г»1) концентрированными системами и оптически плотными, но разбавленными системами, что позволяет интерпретировать ослабление в терминах однократного рассеяния. При растяжении полимерной матрицы коэффициент пропускания для света, поляризованного перпендикулярно направлению растяжения, монотонно возрастает, в то время как коэффициент пропускания для ортогонально поляризованного света ведет себя немонотонно, достигая минимума при некотором значении удлинения пленки, а затем увеличивается. Как показано на рис.4, эти изменения адекватно описываются с помощью

Рис. 4. Зависимость главных оптических толщин одаоосно растянутой дисперсной системы НЖК/ПВС/глицерин от параметра растяжения ¡ = . Точки - эксперимент, кривые - теоретический расчет (цщ = 24 мкм, «¿ = 152, Ъ = 1.74 , л. »1.50, Л =633 нм).

предложенной модели механооптаческих эффектов в дисперсных системах с морфологией типа ЫСАР.

В этом же разделе изложены результаты исследований пространственной и поляризационной структур излучения, рассеянного механически ориентированной дисперсной системой НЖК/ПВС в широком диапазоне углов рассеяния. Установлено, что в состоянии с насыщенной аксиальной ориентацией биполярных капель данная система представляет собой оптически плотную многократно рассеивающую анизотропную среду с высокой степенью поляризации ослабленного и рассеянного излучений. При падении естественного света ослабленная составляющая частично линейно поляризована в плоскости, перпендикулярной направлению растяжения, а рассеянное излучение частично поляризовано в плоскости, определяемой направлениями растяжения и рассеяния. Степень поляризации и интенсивность рассеянного света имеют наибольшие значения в плоскости рассеяния, перпендикулярной направлению растяжения. Пространственные диаграммы поляризованных компонент рассеянного света (аналоги УУ и УН &41,5-дифрактограмм) в целом согласуются с теоретическими результатами второй главы диссертации, а наблюдаемые расхождения между теорией и экспериментом объясняются многократным рассеянием и полидисперсностью капель. Показана возможность использования аксиально ориентированных ЖК-дисперсий в качестве поляризующих диффузеров для черно-белых и двухцветных дисплеев на основе твист-эффекта в НЖК.

В разд.4.4 обсуждаются результаты измерений электрооптических эффектов в дисперсных системах НЖК/ПВС. Показано, что при насыщенной аксиальной ориентации системы в сильном электрическом поле угловые зависимости коэффициентов пропускания нормальных мод могут быть корректно описаны в рамках приближений однократного рассеяния и аномальной дифракции, если учитывается поправка на эффект "просветления" (Гигегеку, 1962) в области больших концентраций ЖК-капель с однородной одноосной структурой. Угловая зависимость разности фаз нормальных мод наилучшим образом описывается моделью, представляющей дисперсную систему НЖК-полимер эффективной средой, состоящей из однородного изотропного слоя полимера и однородного одноосно ориентированного слоя НЖК (Уюа-п, 1997).

Полевые зависимости главных коэффициентов пропускания и фазового сдвига нормальных волн в исследованных системах имеют характерные особенности, связанные с неоднородными деформациями биполярных структур НЖК в каплях, которые возникают в результате конкуренции между силами сцепления жидкого кристалла с надмолекулярной структурой полимера на

1.0

Сус! мкм'1 0.5

0.0

■

.¡ГЧ-З-Й --1-1 ~Г~11 п д Е п-1—г ч г и и Г" ■ * -'т^-пТт

0.01

0.1

10

Е, В/мкм

Рис. 5. Полевая зависимость оптической толщины дисперсной системы НЖК/ПВС при падении света вдоль нормали к слою. Точки - эксперимент, границе раздела капля/матрица и кривые - теоретический расчет (4332 = 2-4 мкм, ориентирующим действием элек-/и = 1.74 , г». = 1.51, Я = 633 нм, /¡Г = 1(Г" и с ™

п-з ил, „ „. = 19 с =8) трического поля. В области порога

р электрооптического эффекта кривые

л, = 1.5 2, Н, »^=10-

пропускания имеют ярко выраженный минимум, наблюдавшийся ранее в ряде работ при к0||Е (Оггаю, 1988; Казначеев, Носов, Сонин, 1993; ВоШеШег е1 а1., 1994; Зырянов и др., 1996), а кривая фазового сдвига - максимум; эти явления сопровождаются значительным увеличением рассеяния вне направления вперед. При увеличении угла падения света обнаружены осцилляции кривой пропускания для компоненты, поляризованной в плоскости ориентации капель НЖК, в то время как кривая пропускания для ортогональной компоненты становится монотонной, принимая обычную ,!>-образную форму. Как показано на рис.5, в случае к„||Е полевая зависимость коэффициента пропускания хорошо согласуется с описанной в третьей главе диссертации теоретической моделью, основанной на представлении капель нематика, имеющих предпорого-вые искажения биполярной структуры, эквивалентными двухслойными анизотропными сфероидами. Сложный характер наблюдаемых изменений коэффициентов пропускания нормальных мод при наклонном падении света качественно объяснен с помощью феноменологической модели, основанной на пространственно-неоднородных градиентах эффективного показателя преломления жидкого кристалла внутри капель, которые обусловлены сплей- и твист-деформациями биполярной конфигурации НЖК.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

1. Решена задача приближенного теоретического описания статики и динамики электрически индуцируемого перехода Фредерикса в биполярных каплях НЖК с положительной диэлектрической анизотропией для случая конечной азимутальной энергии поверхностного сцепления, обусловленной взаимодействием поверхностного слоя НЖК с ориентированной надмолекулярной структурой полимера на границе раздела капля/диспергирующая полимерная матрица. В рамках разработанной модели I) получено аналитическое выражение для критического поля перехода Фредерикса, 2) описаны предпороговые ориентационные возмущения биполярной структуры локального директора НЖК в каплях, 3) получено уравнение движения биполярной капли в переменном поле с учетом поверхностной вязкости и диэлектрической релаксации по механизму Максвелла-Вагнера и проведен анализ его решений [5,23-25].

2. Теоретически исследован процесс ориентационного упорядочения осей симметрии N биполярных капель нематика в дисперсной системе НЖК-полимер, подвергаемой деформации упругого растяжения полимерной матрицы в случае, когда поверхность эллипсоидальных полимерных капсул является идеально однородной и допускает свободное азимутальное вращение локального директора НЖК. Показано, что данный процесс определяется геометрическими преобразованиями, описывающими изменение ориентации и анизометрии полимерных капсул, а соответствующая зависимость угла ориентации N от степени растяжения матрицы проявляет аналогию с ориентационными явлениями, возникающими при электрически индуцируемом переходе Фредерикса [12,13,23].

3. В результате экспериментальных исследований структурных изменений и ориентационного упорядочения биполярных капель НЖК в одноосно растянутой матрице из поливинилового спирта установлено, что указанный ориентационный процесс имеет сложный характер и протекает в два этапа: при малых удлинениях матрицы оси биполярных структур нематика удерживаются («захватываются») в фиксиро-

ванных положениях, образуя ненулевые углы с большими осями эллипсоидальных полимерных капсул, а при дальнейшем увеличении несферичности последних происходит пороговая переориентация биполярных структур параллельно большим осям капсул. Обнаружено, что нагрев слабо растянутой полимерной матрицы выше температуры стеклования ПВС и последующее охлаждение приводят к исчезновению захваченных биполярных структур и обеспечивают необратимую одноосную ориентацию капель вдоль направления растяжения. Предложена феноменологическая модель, объясняющая наблюдаемые явления ориентации образованием упорядоченной надмолекулярной структуры полимера на границе раздела капля/матрица, взаимодействием этой структуры с молекулами жидкого кристалла и ее изменения при механической деформации и нагреве дисперсной системы [13,1618].

4. Аналитически и с помощью численного моделирования в рамках приближения аномальной дифракции изучены закономерности поведения интегральных и малоугловых характеристик рассеяния света сфероидальными каплями НЖК с биполярной, концентрической, радиальной, аксиальной и однородной одноосной структурами. Выполнен сравнительный анализ зависимостей сечений ослабления, поглощения, фазовых функций и поляризованных малоугловых дифрактограмм от размеров и формы капель, длины волны падающего света, согласования показателей преломления НЖК и полимера, поглощения в жидком кристалле. В частности, показано, что в области значений размерного параметра »'<0.2-5-0.4 ( V = аЛл / А, где а - характерный размер сфероида, Ап - оптическая анизотропия НЖК, Л -длина волны) основные закономерности поведения элементов амплитудной матрицы рассеяния вперед для биполярных капель и капель с однородной одноосной структурой совпадают, что во многих случаях позволяет использовать последнюю в качестве оптической модели биполярной капли при построении теории ориента-ционных оптических эффектов в дисперсных системах НЖК-полимер [7-9,1113,21,23].

5. В рамках приближений аномальной дифракции и однократного рассеяния теоретически исследованы индуцируемые внешним электрическим полем или механической деформацией полимерной матрицы эффекты изменения прозрачности, линейного дихроизма и двойного лучепреломления в тонкопленочных дисперсных системах НЖК-полимер РБЬС- и ГЧСАР-типов в зависимости от размера и формы капель, показателей преломления НЖК и полимера, угла падения света, длины волны и величины ориентирующего поля. С помощью численных расчетов установлено, что при значениях размерного параметра 1'32 > 0.3 полевая зависимость коэффициента пропускания Т(Е) дисперсной системы МСАР-типа должна иметь ярко выраженный локальный минимум в области малых значений Е, а при у32 <0.3 кривая Т(Е) становится монотонной, принимая Б-образную форму [4,6,10,13,22-24].

6. Экспериментально измерены полевые зависимости электрически индуцируемых стационарных эффектов изменения прозрачности и двулучепреломления в жидкокристаллических дисперсных системах ЫСАР-типа с матрицей из поливинилового спирта при различных углах падения зондирующего излучения ( Я = 633 нм). Обнаружены немонотонный характер поведения главных коэффициентов пропускания и фазового сдвига для нормальных волн в области малых значений напряженности поля и зависимость такого поведения от угла падения света. Выполнена экспериментальная проверка теоретической модели эффекта изменения прозрачности для случая падения света вдоль нормали к слою, получено хорошее согласие теории с экспериментом. Выявленные особенности электрооптического отклика при на-

клонном падении объяснены с помощью феноменологической модели, основанной на пространственно-неоднородных градиентах эффективного показателя преломления жидкого кристалла внутри капель, которые обусловлены сплей- и твист-деформациями биполярной конфигурации НЖК [3,5,10,20,22,24].

7. Проведено экспериментальное исследование пространственной и поляризационной структур излучения, ослабленного и рассеянного ориентированной растяжением дисперсной системой NCAP-типа с биполярными каплями нематика. Установлено, что в состоянии с насыщенной аксиальной ориентацией капель данная система представляет собой оптически плотную многократно рассеивающую среду с высокой степенью поляризации ослабленного и рассеянного излучений; при этом когерентная составляющая частично линейно поляризована в плоскости, перпендикулярной направлению растяжения, а рассеянное излучение поляризовано в плоскости, определяемой направлениями растяжения и рассеяния. Разработанная теоретическая модель эффекта изменения прозрачности для прямо прошедшего света удовлетворительно описывает экспериментальные данные. Рассмотрена возможность использования механически ориентированных дисперсных систем в качестве поляризующих диффузеров для ЖК-дисплеев на основе твист-эффекта [10,12-14].

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Афонин О. А., Названов В. Ф., Новиков А. В. Управляемые светом транспаранты на основе структур фотопроводник-жидкий кристалл, диспергированный в полимере// Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14, №2. С. 129-133.

2. Афонин О. А., Названов В. Ф. Особенности применения жидких кристаллов, диспергированных в полимере, в оптически управляемых транспарантах // Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. "Жидкие кристаллы и их практическое использование". Чернигов, 1988. Т. 4. С. 508.

3. Афонин О. А., Названов В. Ф., Новиков А. В. Модуляция на удвоенной частоте в капсулированных нематических жидких кристаллах // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15, №6. С. 33-37.

4. Афонин О. А., Названов В. Ф. О характеристике пропускания капсулированных нематических жидких кристаллов // Журн. техн. фаз. 1990. Т. 60, № 10. С. 93-99.

5. Афонин О. А., Названов В. Ф. Влияние режима управления на электрооптические характеристики капсулированных НЖК // Тез. докл. II Всесоюзн. семинара "Оптика жидких кристаллов", 17-21 сентября 1990 г. Красноярск, 1990. С. 166167.

6. Афонин О. А., Названов В. Ф. Модель характеристики пропускания капсулированных НЖК // Тез. докл. II Всесоюзн. семинара "Оптика жидких кристаллов", 17-21 сентября 1990 г. Красноярск, 1990. С. 168-169.

7. Афонин О. А., Названов В. Ф. Рассеяние и поглощение света каплями НЖК / Са-рат. госуниверситет. Саратов, 1990. Деп. в ВИНИТИ, 20.10.90, № 5428 В 90. 42 с.

8. Афонин О. А., Названов В. Ф. Влияние поглощения на рассеяние излучения каплями нематического жидкого кристалла II Тез. докл. II Всесоюзн. конф. "Оптическое изображение и регистрирующие среды". Ленинград, 1990. Т. 2. С. 49.

9. Aphonin О. A., Yakovlev D. A. Polarization of natural light by prolate nematic droplets//Abstr. Summer European Liquid Crystal Conf., August 19-24, 1991. Vilnius, 1991. Vol. 1. P. 96.

10. Aphonin O. A., Panina Yu. V., Pravdin А. В., Yakovlev D. A. Optical properties of stretched polymer dispersed liquid crystal films // Abstr. XIV Int. Liquid Crystal Conf., June 21-26,1992. Pisa, 1992. P. 943.

11. Aphonin O. A., Yakovlev D. A. Light scattering from prolate nematic droplets // Abstr. XIV Int. Liquid Crystal Conf., June 21-26, 1992. Pisa, 1992. P. 944.

12. Афонин О. А., Яковлев Д. А. Поляризация света ориентированными пленками ДПНЖК// Журн. техн. физ. 1993. Т. 63, №8. С. 46-55.

13. Aphonin О. A., Panina Yu. V., Pravdin А. В., Yakovlev D. A. Optical properties of stretched polymer dispersed liquid crystal films // Liq. Cryst. 1993. Vol. 15, N 3. P. 395-407.

14. Aphonin O. A. Angle-dependent polarized light scattering by uniaxially ordered PDLC films // Abstr. XV Int. Liquid Crystal Conf., July 3-8,1994. Budapest, 1994. P. 264.

15. Aphonin O. A. Optical properties of stretched polymer dispersed liquid crystal films: angle-dependent polarized light scattering II Liq. Cryst. 1995. Vol. 19, N. 4. P. 469480.

16. Aphonin O. A. Mechanisms of orientational ordering of bipolar nematic droplets in a stretched polymer matrix // Surface Phenomena / Ed. by M. G. Tomilin. Proc. SPIE. 1996. Vol.2731. P.168-177.

17. Aphonin O. A. Orientational ordering of bipolar nematic droplets in a stretched PVA matrix// Molec. Cryst. Liq. Cryst. 1996. Vol. 281. P. 105-122.

18. Aphonin O. A. Mechanisms of orientational ordering of bipolar nematic drops in a stretched PVA matrix II Abstr. XVI Int. Liquid Crystal Conf., June 24-28, 1996. Kent, 1996. P. 111.

19. Aphonin O. A., Nazvanov V.F. Linear dichroism and birefringence of nematic/polymer dispersions // Abstr. XVI Int. Liquid Crystal Conf., June 24-28, 1996. Kent, 1996. P. P-43.

20. Aphonin O. A., Nazvanov V. F. Anomalous electro-optical response of NCAP-type nematic/polymer dispersions // Abstr. XVI Int. Liquid Crystal Conf., June 24-28, 1996. Kent, 1996. P. P-43.

21. Яковлев Д. А., Афонин О. А. Метод расчета амплитудной матрицы рассеяния для неоднородных анизотропных частиц в приближении аномальной дифракции // Оптика и спектр. 1997. Т. 82. Вып. 1. С. 86-92.

22. Aphonin О. A., Nazvanov V. F. Anomalous electro-optical response of NCAP-type nematic/polymer dispersions // Molec. Cryst. Liq. Cryst. 1997. Vol.303. P. 29-36.

23. Aphonin O. A., Nazvanov V. F. Light transmission, linear dichroism and birefringence of nematic/polymer dispersions II Liq. Cryst. 1997. Vol. 23, N 6. P. 845-859.

24. Афонин O.A. Влияние предпороговых ориентационных искажений нематика на электрооптику дисперсных систем НЖК-полимер // Проблемы оптической физики: Материалы молодежи, научн. школы по оптике, лазерной физике и оптоэлек-тронике. - Саратов: Изд-во СГУ, 1997. С. 178-180.

-2225. Афонин O.A., Названов В.Ф. Влияние конечной азимутальной энергии поверхностного сцепления на переход Фредерикса в каплях нематика с биполярной структурой // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 11. С. 87-94.

Список цитируемой литературы:

1.* Жаркова Г.М., Сонин A.C. Жидкокристаллические композиты. - Новосибирск: Наука, 1994. - 216 с.

2* Drzaic P.S. Liquid crystal dispersions. - Singapore: World Scientific, 1995. - 428 p.