Воздействие коротких лазерных импульсов на нематические жидкие кристаллы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗГШЕНЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И. Степанова

яге ол

Не правах рукописи

1 0 ш 1994

УСОВА Наталья Александровна

УДК 334:532.783. (>¿1.373.826: 535.375

ВОЗДЕЙСТВИЕ КОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА НЕМАТИЧЕСКИЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

01.04.21лазерная физика

Автореферат диссертации на «чжскание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК- 1994

ОБЩАЯ ХЛРАКТЕ1ЛИСТШСА НАШШ

Актуальность темы: Проблемы нелинейной оптики жидких кристаллов (ШГ) привлекают значительный интерес исследователей. Это связано, во-первых, с широкими возможностями применения ЖК в качестве ■ динамических систем оптической записи и обработки информации, в устройствах обращения волнового фронта (ОВФ), в качестве различных переключателей, затворов и -т.д. Во- вторых, изучение характеристик нелинейно-оптических процессов в ЖК дает обшщжую информацию о структуре ЖК и позволяет измерять их материальные константы.

Известно, что рекоргиая величина константы ориентационной нелинейности. НЖК, позволяющая наблюдать нелинейные аффекты при действии на среду маломощного непрерывного лазерного излучения тесно связана с медленностью соответствующего процесса (времена релаксации достигают нескольких секунд). Так как в нестационарном случае амплитуда светоиндуцировашого приращения показателя преломления пропорциональна энергии импульса, наблюдение нелинейных эффэктов ь нестационарной области возможно и требует перехода в обычный. для нелинейной оптики диапазон мощностей излучения, например, к. импульсному Излучению твердотельных лазерсз. Нелинейный Эффект в этом случае сравним по величине с нелинейнымиэффектами в обычных жидкостях, а соответствующее увеличение быстродействия расширяет врзмохлую область применений ЭД4 в шлшейно- оптических устройствах. В экспериментах по воздействию импульсного неодимового лазера на тонкую ячейку с ориентированным иематическим ЖК МББА в схеме о двумя скрещенными лучами наблюдалось оптическое волновое смешение и . генерация акустически волн. Теорш. этого явления в НЖК на момент постановки; диссертационной задачи отсутствовала. Поэтому теоретическое исследование нестационарной све тоиндуцировапной ШфраКции лазерного излучения в мезофазе НЖК, связанное с тепловым и >риентациошшм действием поля и с учетом генерации акустических волн ' нстуальна как с научной, так и с практической стороны. Для практики штическая генерация звука в Щ интересна п связи с возможностью ^пользования их в качестве гигагерцогого оптоакустического гереключагеля, а также с возможностью использования ЖК для ОВФ в иллисекундном режиме длялазеров умеренной мощности.

Несмотря на то, что главные закономерности процессов ОВФ как при ынуаденном рассеянии,- так и при 4-х волновом смешении в общем овольно ясны, исследование ОВФ на специфических механизмах елинейности и в новых средах связано с, возможным расширением

Кч^чная новизна работы . заключатся в том, что в ной впервые дано т^рвта^ско^о11исшщр тепловое лазерной генерации звука в' НЖК и исследованы ее особенности по сравнению с жидкостями. Кроме того, учет, обратных течений позволил описать и рассчитать повороты, директора, и, следовательно, нелинейное не полю приращение диэлектрической проницаемости, вызванное тепловым действием излучения которое в терминах нелинейной оптики можно трактовать как специфический механизм кубической нелинейности НЖ, тёплоориентационный.

Данное в диссертации аналитическое решеьле задачи о вынужденном рассеянии, идущем в условиях стационарной самофокусировки неистощакхцейся накачки, в параксиальном приближении, насколько нам известно, выполнено впервые и оно вносит вклад в ..лдаимаше проблем взаимного влияния нескольких нелинейных процессов. Расчет " анализ специфики рассеянного излучения при ВРНР.в немьгичешшх жидкостях выявляет существенное влияние температуры- ШК на. параметры рассеянного излучения. '

Практическая значимость работы: Результаты лселедования

едуляции диэлектрической проницаемости., происходящей под действием мпудьсного лазерного излучения, имеют важное значение при выборе оптимальных условий взаимодействия в таких задачах, как обращение олнозого фронта, усиления слабых оптических сигналов, записи и читывания динамических голограмм и др. с использованием НЖК ячеек качестве нелинейной среды. Результаты теоретического ^аледовс ля г/Г'десса Б1КР в ШК могут Оыь использованы нри создании устройств ЗФ в далисекундном диапазоне с поляризациошо-полным обращением.

разработка матода светоиндуцированных решеток для измерения юлогических констант- НЖК имеет важное значение для упрощения юцедуры измерения полного набора * констант НЖК {вязкости, ругости и теплопроводности).

защиту выносятся:

~ Результаты теоретического исследования теплового и «штациощюго действия коротки? лазерюг импульсов с учетом зимодействия поворотов . директора и течения вещества, глючающихся в генерации акустических волн и возникновении «крестных эффектов изменения ориентацию! директора в результате лового действия поля.

- Теоретический анализ метода светоиндуцированных решеток для ерения реологических констант НЖК ( вязкости, упругости и

ч.Здавшямйяж** - ч)|»внтирс)йа1«шх ^едош ШК, иод воздействием интерференционного почя предварительно расщепленного лазерного импульса. Учтены такие аспекты этот воздействия как нагреб вещества и непосредственное ориентационное воздействие ■ электрического поля световой волны на директор.

Использована следующая постановка задачи: на среду падают 3 волны, две из которых - мощные (волнынакачки), юс интерференционное поле создает в среде неоднородности показателя преломления с пространственным распределением * ехрЩг) ^ = 4« е1п(а12/2)А, х-I длина волны света, «¡г [г угол между направлениями распространения волн накачки), которые образуют дифракционную решетку. Третья волна - пробная, маломощная, рассеивается на зассанной даффракадонной решетке /и исследуются характеристики волны, рассеянной в первый порядок дифракции.

Тепловое и ориентационное действие света в зывает модуляцию тензора диэлектрической проницаемости ЯЖК ^ • • ■»• = *х-ех%, «1Х- диэлектрическая проницаемость обыкновенной и необыкновенной волн)г связанную с изменений таких гидродинамических параметров кь'.с температура 1, плотность & и отклонения ориентации директора ЙЯК • «а.-.- учитывать, что в ШК стеаень упорядочеиия модекул (скалярный параметр пор.эдка) Б сильно зйвиа.т От Для малых отклонений :гидроди«амических параметров от равновесных, изменения тензора диэлектрической проницаемости были представлены в виде: *

+ <5р + + п ¿п ) " (I)

Величины Б,^(аЗ/вТ), входящие в это выражение, являются функциями температуры; и эта зависимость, обычно, измеряется экспериментально. Для отделения бр, и ап использовалась полная система гидродинамичесйих уравнений ВДК Эрикоена - Лесли, включающая /равнение непрерывности для плотности массы, три уравнения для сомпонейт вектора скорости гидродинашческогс течения,; два уравнения уш компонент директора и уравнение теплопроводности. Пользуясь словием малос^л отклонений бр, ¿Т, и ¿п от равновесных, система ыла линеаризована и записана в специальном базисе координат, г. отором полная система 7 уравнений распадается на две независимых истемы 5-и и 2-х уравнений. Наличие такого базиса отражает тот акт, что скорости У1,У1 и отклонения директора <5п, лежащие в яоскости (п,<1),.в линейном приближении не зависят от скорости и

¿р Qru%Cp"1 (сов (о

*т . от/с^гЧсг-

~ < Vе;.)(<Лл,>)е * + у{ з,/э4)Л е Je +, к .с

В выражениях (4) опущены члены, составлягчие меньп;е чем IGf* . от оставленных: Рг * аг, Р2Л> 10'*-, se/s4 * ICf1, fa=

(\-xa<K»<2*))/&>, А * > )) * 1.•■-'."

Полученное решение показывает, что как и в изотропной жидкости тепловое воздействие лазерного импульса приводит к генерацю; звуковых волн, т.к. имеются колебани». плотности й температуры ка частоте о = Vsq. Константа затухания звука Р, 4 i (м, + +

ИЯ)\/\)С03*9 + (и9 + + 2аг - Ц > f/Д)« COSZe + +

ai))if/p. в отличие от жидкости, она анизотропна и зависит от угла Крометого.распространение звуковых волн в НЖК приводит к возникновении, периодической по пространству переориентации директора. На временах t * Р4"* директор осциллирует с частотой звука; Амплитуда осцилляций пропорциональна отноиеыю к±р0А « sln(2 J При 9=4-5°-она максимальна'и равна Эректор не

переориентируется, если волновой вектор решетки q ортогонален или параллелен директору, т.е. sln(2»)=0. За время t * sa~* осцилляции-зачухают и амплитуда выходит на уровень, пропорциональный величине А. После затухания .ешювой моды на времена* t> s4"* в среде остается решетка отклонений директора с амплитудой г(з9/.st)A, что на авв порядка меньше : отклонения директора в тепловой моде. Экончательная релаксе л? директора происходит на временах После затухания звука в среде остаемся также неоднородное распределение температуры и плотности, релакеирущее с характерным временем 'ешювой моды s4*1. ■• . .

Возникновение решеток переориентации д:ректора в результате еплового воздействия лазерного:импульса на НЖК является следствием ззимосвязи между течением и вращательным движением директора и ажным отличием анизотропных жидкостей от изотропных.

Проанализирован относительный вклад решеток плотности, тепловых и жентациош-щх,: в диэлектрическую проницаемость НЖК на ' разных

. >

для излучения всех реологических констант жидкого кристалла необходимо применить несколько различных методик. В экспериментах Во определению констант вязкости определяются не константы зяккссти Лесли, а их комбинации, поэтому для полного их определения урэбуется иметь 7 линейно независимых комбинаций mí и' «а.-^ для ¿шюавшго Щ£, либо 5 для несжимаемого Ж, Брльошство существующих методов не дают- нужной информации о ' константах узкости в. рамках одного и того «е шгода и • тем ;бо^ве:-;г этой ^формации не достаточно для измерения всех реологических констант.

Согласно результатам гл. I, " в. ... случае, когда; 'воззрения . ридродинамических параметров НЖК, вызванные' действием короткого Лазерного импульса:, много меньше их. равновесных значений,' релаксация ' Модуляции диэлектрической проницаемости после окончания импульса |*ажет быть представлена в виде сум: л экспоненциально за'хухаквдих f укладов от каждой из собственных гидроданамичг оких мод систеш. А f.к. характерные времена затухания мод НЖ лекал в существенно, различных диапазонах, отличающихся на 1-3 порядка мавду собой, то 1кспонеяциаяыше вклада каздой «te. мод эксшрим&втальва . легко отдежмы. Так гао исследование релаксации модуляции диэлектрической проницаемости, например, ш затуханию интенсивности пробного луча,., ¡дафрагированного на решетке, созданной интерференционгам полем пари имщ?Л1 зов, позволяет измерять врэмена релаксации гидродинамических ! роя, содержащих информацию о константах.

Разработка метода заключалась в следу щам: Во первых,' проведен анализ структуры и информативности времен релаксации гвдродинаш-" ческих мод й их амшв.гуд. Обратные времена релаксации гидродинами-'; Ческих мод (т.*1) представляют собой полиномы по соэ(в) с коэффициентами - линейными комбинациями реологических констант (т^г1= st): > •'в,-'- Í2(fit + + к,)', А,) {coste - cos*») + + ив ^ -ихя/хх))*

»•qV2¿>; эв «• ♦ Ajeoste,. \ •

8* Cí*j.+ *« coee*iq*/2pj ¡.

s7 = ((K„-KM)cos»a Кг2М(вв - RJ/sJ \ : / г/Ц,

Ss " ((^Ai*0^*2 + -V(<sa - R,)/sa) qz/2p \

Максимально возможное количество независимых комбинаций констант, ; которое содержится в конкретном ejcosí»)) определяется . числом , коаСфщивйяо®: ДМ--<Йг«|0нфЁ-cos(e); ■ Тождественные преобразования ¿(cos(»)) с использованием тригонометрических > тоадеств ' и зоотношения Парода для констант вязкости показали, что из числа.:.

необходимым условиям.

В г-аво 3. проведены теоретические исследования осо' эннпстэй вынужденного ряссеяния крыла линий Радея в нематическйх жидкостях в прос'пеме обращения волнового фронта. Рассеяние крыла линии Рзлея обусловлено мг цуляцией диэлектрической проницаемости вследствие флуктуации ориентации анизотропных го.,) кул. Максимум интенсивности ВРКР имеет частотный сдвиг в стоксову область д» * 1/т, где т -время релаксации анизотропии среды. В обычай* жидкостях ВРКР имеет сравнительно вь .»кий порог и сдвиг эстоты л (для сероуглерода | коэффициент усиления в =2,3 Ю"3 см/Мвт, о « ?0 Г™ц). Особенности ВРКР в нематических жидкостях связаны с аномальным поведением констант вбли&и точки фазового перевода (ФП) в мезофаэу. В центре линм усиления константа БРКР равна 0,, 16К (л д*)2/9спеоа,г* (Т-Т *), а сдвиг частоты о = &т (Т--Т*)//-, где с - скорость света, диэлектрическая проницаемость невозмущещюй среда, г - вязкость, к -яолновой вектор, д* - анизотропия диалектической восприимчивости, ат - когзтэнта разложения свободной энергии Ландау вблизи точки <Ю. Для )Ж ШБА 0Г * 1,4 (Т-Т* Г1 см/Мвт, о а 1,5 <М*) Мгц, <д*2/ат = 1,1 10"8 см3 К'брг, г/ат = 9,1 10~п* ехр(2800/Т) сек К ). Го есть/ уже при Т-Т* « >СГ коэффициент усиления сравни» с рекордными для ВРМВ величинами (для. СБ^, О^рщ. = о,15 см/Мвт, о => 5,8 Ггц), а сдвиг частоты значительно меньше. Как известно, с точки зрения приложений 08Ф для компенсаций искажений ; мощных лазеров VI самонаведения излучения предпочтительно ВР с малым с вигом частоты.

Расчет коэффициента усиления ВРКР в сфокусированной геометрии по сравнению с ВРМБ или ВКР осложняется необходимостью учета самофокусировки, накачки, поскольку в этом случае константа ВР совпадает но величине с константой самофокусировки. В квазиоитическом приближении для Гауссовых ну »шов иакянки . стокса рассчитан инкремент и поперечная функция корреляции рассеянного излуче; ля при стационарном В: ХР назад, в условиях неистощающейся накачки и с учетом ее самофокусировки. Получены формулы для изменения коэффициента усилений К, диаметра ар~* и радиуса кривизны волны стокса в процессе распространения и усиления - в поле волны нака лки.. '

Показано, что характертшми величинами для проце. за ВР в условиях самофокусировки накач-и является- параметр «* ..'»•; Г Р/Р^',- -. ойределявщйй близость • шюстаГ накачки- -Рк критической цощности самофокусировки Рй., а также 'параметр ' й^; названный нелинейной''

выходе кювета равны: * PLin«/~W; i?s * -f>t - г>ф ReV~W (1 + alß(«)?")"*. Они не зависят ;ot'. величикн;'«•.' -!ö? есть 'валят самофокусировки не дает никакого, дополнительного год&^тия стоксова пучка относительно накачки на выходекюветы.В случав ВРМБ -усилителя с нематичвской редкостью это означает, что при фиксироБ ¡нных параметрах накачки диаметр и радиус кривизны стоксовой волны н". выходе остаются неизмени м«, в то время как инкремент усиления может меняться в широких щ ¿делах при изменении Р которое в нематических жидкостях зависит от близости темпбрат"ры V к Температуре фазового перехода в мевофазу Т* Рег = сп*в(3/2)*ат(Т -T*)/32*Va*2). - ; '

Рассчитана пространственная корреляционная функция БРКР

генератора ф(т±,р,к) = кяи (Гх+ о/г) а*ы., (rx- p/z,() > + к.с. , при условии, что на среду извне не подается затравочного стоксова сигнала и стоксова волна Возникает за счет рассеяния волны накачки на тепловых флуктуацнях ориентации юлекул в немагической жидкости. Исследовано влияние самофокусировки накачки на интенсивность и условия образования пространственно-когерентного рассеяния.

Показано, что о ростом гг радиус пучка стокса, в начальной точки совпадающий С радиусом накачки, сначала увеличивается , за счет расходимости слабо коррелированного излучения достигая максимума в

точке ?т, где = /"Fl" Im W)'y3 (s. .есь га радиус

корреляции шумов, aL - радиус пучка яакачки), а затем монотонно

убывает, приближаясь к аь(?)<2 ЬНГ Г'1'*, Радикс корреляции стоксова излучения р монотонно увеличивается^ начиная с радиуса

корреляции шумов и при выполнении условия! |V~Ww y]öTf |»i становится равным радиусу пучка, то есть рассеяние становится когерентным. • Показано, что диаметр к радиус кривизны. рассеянной волны возникающейв результате усиления шумов, совпадают с течи, которые приобретает волна стркса В усилителе в пределе больших усилений. ' : .:'

Показано, чю характерной особенн зтью нематических жидкостей является также расходимость поперечной . корреляционной функции стоксова сигнала ф как (Т-Т*)"', связанная с ростом флуктуачий параметра порядка под приближении температуры к точке Ш -¡в мезофазу. V'.'.. ■• :> '■■.-,"v ' '

характерными временами на 1-3 порядка отлича»щих<де друг' от друга. Такая структура кривых, релаксации позволяет сравнительно легко извлекать из них величины времен релаксации и игношонш амплитуд мод. Показано, что измерение отношения амплитуд быстрых и медленных код ->овмэстно с временами релаксаций поеволяэт уьэмшчить измеряемое кояичесгю линейно независимы» комбинаций /констант вязкости, необходгюе для полного определения ^сех констзнт вязкости Лесли.

6. Указаны у"повия оптимального воэбу«.донкя и• регистрации мод -ля получения максимальных дифракционных . эффективноетей .ещеток диэле трической проницаемости и извлечения наибольшего количества независимой информации б константах НЖК гфИ г шболе^ простом анализе ' экспериментальных данных. Показано, что метод светоинда дарованных решеток, являющийся расширением метода Рэлеевокого рассеяния, применяемого для измерения коэффициентов теплопроводности НЖК, позволяет измерять все реологические константы НЖК при едином подходе и с использованием одной и той же аппаратуры.

7. В квазиоптическом приближении /г„ля пучков с гауссовым пространственным профилем решена задача 6 стационарном вынужденном рассеян "л крыла линии Рвлея в немагичеокйх жидкостях в режиме неисхощакщийся накачки с учетом ее самофокусьровки. В результате показано, что влияние самофокусировки нг . процесс вынужденного рассеяния приводит к изменению характерного продольного пространственного масштаба, на котором рвзвирчется ф. Он определяется не только сечением цучка в фокусе, но и параметром в, зависящим от близости мощности накыки к критической мощности самофокусировки. Кроме того, при приближении мощности накачки к критической мощности самофокусировки интегральный коэффициент < усиления расходится как (а )"*''*,

8. Показано, что при формировании сгоксова излучения в процессе ВРКР из шумов, определяемых, в основном, рассеянием наквчки на флуктуациях параметра порядка НЖК, радиус корреляции стокссва излучения. монотонно увеличивается при усилении сигнала начиная с радиуса корреляции шумового источника до радиуса пучка, Д&аметр стоксовой волны,, в начальной точке сов~адавдий о радиусом накачки, сначала увеличивается за счет расходимости" слабо коррелированного излучения, а затем монотонно убывает приближаясь к радиусу пучка

накачки, уменьшенному н <21ш(№),''г)"'''* раз. Таким образом, при достаточном усилении излучение становится - иространствевда когерентным. Продольный размер области,1 .в которой происходит

v. ггз, р. 1 9 • :f :

10. Ковалев Д.А., Садовский.'В.И., Усова H.A. Вынужденной рассеяние крыла линии Рэлея в нематнчоек; s жидких кристаллах. // Квантовая электроника, 1993, т. 20, № 4,с. 399 - 404.

Личный вклад автора. Все расчеты, приведенные в диссертационной работе, выполнены автором. Научному руководителю, доктору фаз.-мат. наук, Член-корреспонденту АЙВ» профессору A.A. Ковалеву принадлежит выбор направления и общее руководство работой. Постановка зада., обсуждение и интерпретация результатов проводилась совместно с Соавторами: научным сотрудником В.Н. Садовским и профессором A.A. Ковалевым. Соавтор Т.А. Давидович принимала участие в расчетах» проводимых на ЭВМ.