Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами в присутствии внешних электрических полей

Будаговский, Иван Андреевич

Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами в присутствии внешних электрических полей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Будаговский, Иван Андреевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами в присутствии внешних электрических полей»

Автореферат диссертации на тему "Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами в присутствии внешних электрических полей"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи УДК [535:530.182]:532.783

Будаговский Иван Андреевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С НЕМАТИЧЕСКИМИ ЖИДКИМИ КРИСТАЛЛАМИ В ПРИСУТСТВИИ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 7 ЯНВ 2011

Москва-2010

4842949

Работа выполнена в Физическом Академии Наук. Научный руководитель:

институте им. П.Н. Лебедева Российской

кандидат физико-математических наук Золотько Александр Степанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Палто Сергей Петрович кандидат физико-математических наук Чайков Леонид Леонидович

Ведущая организация:

Физический факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится « ¡У » (^УС^ЗСЦ^ 2011 года в часов

на заседании Диссертационного совета Д 002.023.03 в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Автореферат разослан « JLt » (JCtJlüj? Д_2010 года

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.023.03,

доктор физико-математических наук A.C. Шиканов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Предметом диссертации являются ориентациониые нелинейно-оптические эффекты в нематических жидких кристаллах (НЖК), находящихся под действием электрических полей.

Жидкие кристаллы представляют собой промежуточную фазу между твёрдыми телами и изотропными жидкостями. Они совмещают в себе определённую структурную упорядоченность и высокую подвижность молекул, что обуславливает их высокую восприимчивость к внешним воздействиям, в частности, к действию электромагнитных полей, и значительную оптическую анизотропию. Переориентация директора НЖК (единичного вектора, задающего преимущественную ориентацию молекул) в низкочастотных полях лежит в основе применения НЖК в устройствах отображения информации. Взаимодействие НЖК со световым полем характеризуется "гигантской" ориентационной нелинейностью, на 9 порядков превышающей керровскую нелинейность жидкостей. Добавление к жидким кристаллам малых количеств поглощающих примесей (порядка 0.1%) может ещё на 2 порядка увеличить ориентационную нелинейность.

В НЖК может наблюдаться целый ряд нелинейно-оптических эффектов, проявляющихся в относительно слабых полях непрерывных лазеров (самофокусировка и самодефокусировка световых пучков, обращение волнового фронта, формирование и взаимодействие солитонов, запоминаемая переориентация директора, наведённое полное внутреннее отражение, периодические и стохастические колебания поля директора и т.д.). При этом аберрационное самовоздействие светового пучка (самофокусировка и самодефокусировка) является чрезвычайно удобным и информативным методом исследования взаимодействия света с НЖК.

Ряд нелинейно-оптических эффектов наблюдался при дополнительном воздействии постоянного или низкочастотного электрического поля. К ним от-

носится фоторефрактивный эффект - изменение показателя преломления НЖК вследствие вращения директора в поле светоиндуцированных зарядов.

Фоторефрактивный эффект в НЖК был обнаружен в 19941 году в образце нематика с примесью красителя родамин 6Ж (при действии постоянного внешнего поля) и объяснялся генерацией зарядов при поглощении света красителем в объёме НЖК (объёмный фоторефрактивный эффект). Далее, этот эффект наблюдался и в других жидкокристаллических системах, содержащих разнообразные добавки. В 2002г году проявление эффекта фоторефракции наблюдалось и в прозрачных НЖК под действием постоянного внешнего поля, и объяснялось на основе светоиндуцированного снятия экранирования (поверхностный фоторефрактивный эффект). Несмотря на значительный интерес к фоторефрактивным эффектам в НЖК, ряд важных вопросов остаётся не выясненным. В частности, не установлен окончательно механизм фоторефракции в НЖК с поглощающими добавками, необходимость внешнего постоянного поля, влияние ориентантов.

Другим нелинейно-оптическим эффектом, наблюдавшимся в присутствии дополнительного поля (низкочастотного электрического или магнитного), является эффект бистабильности поля директора в линейно поляризованном световом пучке. Это явление связано с превращением перехода Фредерикса (обычно являющийся переходом второго рода) в переход первого рода. Эффекты трансформации рода перехода Фредерикса и бистабильности изучались ранее в прозрачных НЖК. В то же время, представляет несомненный интерес изучение этих явлений в легированных жидкокристаллических системах. Присутствие красителя усиливает вращающий момент, при этом фактор усиления может зависеть от угла между световым полем и директором. Эта зависимость создаёт дополнительный канал обратной связи, способствующий проявлению бистабильности.

1 Е.В. Руденко, A.B. Сухов, Письма в ЖЭТФ, 59(2), 133-136 (1994).

2 P. Pagliusi and G. Cipparrone, Appl. Phys. Lett. 80,168 (2002). 4

Цель диссертационной работы

Экспериментальное и теоретическое исследование ориентационных нелинейно-оптических эффектов, проявляющихся при одновременном воздействии светового и электрического полей на нематические жидкие кристаллы.

Научная новизна

Впервые исследовано взаимодействие светового пучка с нематическими жидкими кристаллами в присутствии постоянного внешнего поля. Дано объяснение наблюдаемого эффекта самовоздействия на основе механизма поверхностного фоторефрактивного эффекта и построена теоретическая модель этого явления. Показано, что самовоздействие света приводит к оптической катастрофе "гиперболическая омбилика".

Экспериментально исследован новый эффект самовоздействия света в НЖК с примесью стильбенового красителя ДЕАНС.

Впервые экспериментально наблюдался чисто оптический ориентацион-ный переход первого рода для линейно поляризованного света. Построена теория этого явления.

Практическая значимость

Нелинейность, реализуемая при поверхностном фоторефрактивном эффекте, может быть усилена путём легирования матрицы и ориентантов ячейки, и достигает значений 10"2 см2/Вт (что на два порядка превосходит ориентацион-ную нелинейность НЖК, связанную с воздействием света на индуцированные диполи).

Полученные результаты могут быть полезны для фундаментальных исследований воздействия света на вещество и создания систем модуляции и оптического переключения.

Метод аберрационного самовоздействия позволяет определять тип (объёмный или поверхностный) и свойства фоторефрактивной нелинейности. Анализ аберрационной картины отражённых пучков позволяет проводить исследование нелинейности в сильно поглощающих НЖК.

Защищаемые результаты и положения

1. Самовоздействие света в нематических жидких кристаллах (НЖК), находящихся под действием постоянного электрического поля, приводит к асимметричной аберрационной картине и обусловлено поверхностным фотореф-рактивным эффектом (деформацией директора в поле, проникающем в объём НЖК при светоиндуцированном снятии экранирования).

2. Построена теория взаимодействия светового пучка с НЖК в постоянном электрическом поле, описывающая деформацию поля директора, трансформацию волнового фронта, распределение интенсивности в дальней зоне дифракции. Самовоздействие света приводит к оптической катастрофе гиперболическая омбилика.

3. Обнаружен светоиндуцированный переход Фредерикса первого рода в поле линейно поляризованной световой волны. Этот переход наблюдается в НЖК с примесью наноразмерного девдримера. Он сопровождается значительной областью бистабильности, положением которой можно управлять внешним переменным полем. Переход Фредерикса в переменном электрическом поле под действием светового пучка превращается из перехода второго в переход первого рода.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, из которых 9 в изданиях, рекомендованных ВАК. Список публикаций приводится в конце автореферата.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.; Минск, Республика Беларусь, 2007 г.; Казань, Россия, 2010 г.), 11-й, 12-й и 13-й Международных конференциях по оптике жидких кристаллов (Клеарво-тер, США, 2005 г.; Пуэбла, Мексика, 2007 г.; Эриче, Италия, 2009 г.), 6-й Международной конференции "Лазерная физика и оптические технологии" (Гродно, Республика Беларусь, 2006 г.), 22-й и 23-й Международных конференциях по жидким кристаллам (Джеджу, Корея, 2008 г.; Краков, Польша, 2010), 2-й Международной конференции по фотонике жидких кристаллов (Кэмбридж, Великобритания, 2008 г.), 3-й Высшей лазерной школе "Современные проблемы лазерной физики" (Московская область, Россия, 2009 г.), 5-й Всероссийской каргин-ской конференции "Полимеры - 2010" (Москва, Россия, 2010).

Материал диссертации докладывался и обсуждался на семинарах Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИ АН.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 98 наименований (70 работ на иностранных языках). Общий объем работы составляет 128 страниц, включающих 67 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, изложены цели и новизна диссертации, выносимые на защиту положения, а также структура работы.

В первой главе диссертации представлен обзор работ, посвященных оптическим свойствам нематических жидких кристаллов, методам их исследований и влиянию внешних электрических полей, обосновываются задачи исследований.

В первом параграфе даётся краткий обзор типов жидких кристаллов. Рассматриваются свойства нематических жидких кристаллов, ориентационная упорядоченность НЖК и влияние внешних полей на ориентацию директора НЖК (направление преимущественной ориентации молекул). Высокая подвижность молекул в совокупности с их ориентационной упорядоченностью приводит к проявлению в НЖК ярко выраженных нелинейно-оптических эффектов и к высокой чувствительности к внешним воздействиям, в частности, к электрическим полям.

Во втором параграфе рассмотрены основные нелинейно-оптические эффекты в НЖК: тепловая и ориентационная нелинейности, нелинейность, обусловленная поглощением света легирующей добавкой, эффекты запоминаемой переориентации. Описывается метод аберрационного самовоздействия, позволяющий простым образом разделять и исследовать эти эффекты.

Третий параграф) посвящён фоторефрактивными эффектами в НЖК, т.е., явлениям изменения показателя преломления при переориентации директора в поле светоиндуцированных зарядов. Перераспределение зарядов может происходить как в объёме кристалла (объёмный фоторефрактивный эффект), так и при изменении проводимости ограничивающих слой НЖК подложек (поверхностный фоторефрактивный эффект). Описан метод многоволнового смешения, используемый для исследований фоторефракции НЖК, а также основные работы, предлагающие объяснение механизма фоторефракции.

В четвёртом параграфе первой главы рассматриваются ориентационные переходы первого рода в НЖК, сопровождающиеся бистабильностью поля директора. Светоиндуцированные переходы Фредерикса первого рода наблюдались ранее только в присутствии дополнительных полей. Влияние легирующих добавок на возможность трансформации типа перехода не изучалось.

Основное содержание второй главы составляют результаты исследований самовоздействия света в ячейках находящихся под действием постоянного внешнего поля. Эффект комбинированного действия на НЖК света и внешнего 8

поля изучался с помощью метода аберрационного самовоздействия и непосредственных измерений фототоков.

В первом и втором параграфах приведены свойства материалов и описание экспериментальной установки. Исследование взаимодействия света с НЖК при приложении внешних электрических полей проводились для ячеек с прозрачным жидкокристаллическим материалом ЖКМ-1277, а также для образцов с добавлением красителей: родамина 6Ж, метилового красного, азокрасителя КД-1, стильбенового красителя ДЭАНС, и наноразмерных дендримеров второй генерации. Кроме того, исследовалось влияние различных ориентирующих поверхностей: полиимида (использовавшийся в большинстве эфкспериментов), поливинилиденфторида (ПВДФ) и полиимида с добавлением красителя проВ третьем параграфе рассматриваются свойства аберрационного самовоздействия света в НЖК в присутствии внешнего постоянного поля. Аберрационная картина в этом случае характеризуется особыми свойствами, которые отличают данный вид самовоздействия от обычного ориентационного. Деформация поля директора при приложении поля начинается при малой интенсивности света (на два порядка меньшей, чем необходимо для возникновения самовоздействия без поля). Картина при наклонном падении света (рис. 1) сильно асимметрична и отличается от стандартной системы аберрационных колец.

Порог перехода Фредерикса при постоянном напряжении поставляет 3.5 — 4.2 В, что в несколько раз превышает порог при переменном напряжении (0.95 В). Это свидетельствует об экранировании внешнего поля перераспределяющимися зарядами. Появление картины при освещении НЖК при приложении допо-рогового поля говорит о светоиндуцированном снятии экранировки. Таким об-

травной чисто-жёлтый (ПЧЖ).

Рис. 1. Аберрационная картина для наклонно падающего светового пучка при приложении постоянного напряжения. Точкой О отмечено положение пучка до развития самовоздействия.

разом, наблюдаемое явление является следствием изменения показателя преломления в поле перераспределяемых светом зарядов, т.е., фоторефрактивным эффектом.

Основным свойством самовоздействия света при дополнительном внешнем постоянном напряжении является независимость формы и размеров картины от поляризации излучения, что говорит о поверхностном типе явления (поскольку для объёмного эффекта должен сказываться дихроизм поглощения).

Асимметрия картины (направление вытянутости по горизонтали) меняется при изменении знака угла падения света или полярности прикладываемого напряжения. Подобное поведение является следствием асимметричной деформации поля директора относительно оси пучка и связано с асимметрией светоин-дуцированного снятия экранирования, которое происходит главным образом на анодной подложке.

При нормальном падении света картина имеет вид деформированных, но хорошо идентифицируемых колец, число которых позволяет оценить изменение показателя преломления и коэффициент нелинейности п2. Нелинейность зависит от длины волны излучения и от наличия легирующих НЖК или ориентант добавок. Для прозрачной, нелегированной матрицы нелинейность возрастала при уменьшении длины волны от n2 = 1.2-10"4 см2/Вт для X = 515 нм до n2 = 1.510"3 см2/Вт для X = 458 нм. Последнее значение более чем на порядок превышает ориентационную нелинейность керровского типа в этом же образце.

При нанесении ориентанта, легированного фоточувствительным красителем ПЧЖ, на одну из подложек происходит увеличение нелинейности в 3-10 раз (если легированная подложка является анодом). Для образца, где вместо одного ориентанта нанесён полимер ПВДФ, при такой же полярности (ПВДФ на анодной подложке) происходит подавление нелинейности. Изменение полярности (полиимид - анод) в обоих образцах приводит к нелинейности, схожей со случаем стандартной ячейки. Подобное поведение указывает на основную роль анод-

ной подложки; нелинейность ячейки можно дополнительно модифицировать путём изменения ориентантов.

Легирование жидкокристаллической системы также приводит к изменению нелинейности ячейки. Добавление красителя родамин 6Ж, с которым впервые наблюдали фоторефрактивный эффект в НЖК, изменяет спектральную зависимость нелинейности (усиление значительнее в длинноволновой области, в соответствии со спектром поглощения красителя). Добавление красителя метилового красного, который часто используется в работах по фоторефракции НЖК, увеличивало нелинейность до п2 = 1.5-10"2 см2/Вт. Во всех образцах, включая легированные, эффект не зависел от поляризации света, то есть, был поверхностным. Усиление нелинейности в этом случае может быть следствием изменения эффективности светоиндуцированного снятия экранирования, например, вследствие осаждения красителя на стенках ячейки.

В четвёртом параграфе второй главы описаны результаты исследований фоточувствительности компонент ячеек с помощью измерений тока. Изучены образцы различной структуры: (1) стандартная ячейка с прозрачным НЖК и по-лиимидом на обеих подложках, (2) ячейка с полиимидом на одной подложке, (5) ячейка без полиимида (планарная ориентация в этом случае достигалась методом скрабирования), и (4) слой полиимида, заключённый между электродами из 1ТО и алюминия.

Проводимость ячейки 1 при освещении лазерным пучком изменялась как при напряжении, достаточном для развития аберрационной картины, так и при меньшем, допороговом напряжении (то есть, деформация поля директора не является причиной изменения проводимости). Поскольку для ячейки 3 силы поверхностного сцепления были значительно ослаблены отсутствием ориентанта, в экспериментах использовалось малое внешнее напряжение (0.3 В), не вызывающее переориентации директора, а для увеличения чувствительности измерений освещалась вся поверхность ячейки с помощью мощного светодиода.

12-|1,нА2 ..................а - и+, е-волиа При включении напряжения

10-1 ' --В - и+, о-волна происходит быстрый скачок тока, .........С-Ц-,е-волна

• * о- и-,о-волна з соответствующий формированию

, ..............| экранирующего слоя. Величина

темнового тока составляет порядка

4-1 к. '

► 1 нА. При освещении ячейки воз-

2 __никает фототок, величина и дина-

о 1~"""

' ^овд ' ^00 мика которого зависят от типа

„ _ . , ,, ячейки. Для образца 1 стационар-

Рис. 2. Динамика фототока в образце 2 (с ориен- г

тантом на одной подложке). А, С - необыкновен- ный фототок составлял порядка 6 ная поляризация, В, О - обыкновенная поляризация света. А, В - подложка с полиимидом являет- нА и не зависел от поляризации

с* катодом, С, О - подложка с полиимидом явля- света и полярности внешнего на-ется анодом.

пряжения. Для асимметричной ячейки 2 наблюдалась зависимость от полярности напряжения: если подложка с полиимидом являлась анодом, фототок был сравним с наблюдаемым для ячейки

1, а при противоположной полярности — в два раза меньше (рис. 2). Такое же малое значение стационарного фототока наблюдалось для ячейки без полиимида 3, однако, с несколько иной динамикой. Эти результаты согласуются с выводами, сделанными на основании оптических измерений. Сравнение фототоков позволяет сделать вывод, что основной вклад в фоточувствительность дают поверхности, граничащие с полиимидом (либо сам полиимид), вблизи анода.

Фототок в образце со слоем полиимида имел более сложную динамику, обусловленную, по-видимому, различными вкладами: фотопроводимостью слоя полиимида и фотовольтаическими токами на границах 1ТО-полиимид и алюми-ний-полиимид. Эта динамика приводит к разному поведению фототоков в ячейке с полиимидом (/, 2) и без него (3).

Возможной причиной снятия экранирования могло быть изменение проводимости при нагреве полиимида или электродов при поглощении света. Однако простой расчёт и исследованная зависимость проводимости от температуры показывают, что нагрев под действием лазерного пучка не достаточен для наблюдаемого изменения проводимости. Кроме того, поглощение 1ТО электрода (ко-12

торый поглощает основную часть света и, следовательно, больше нагревается) увеличивается с увеличением длины волны света. Это противоречит спектральной зависимости нелинейности фоторефрактивного эффекта, которая уменьшается с ростом длины волны.

В третьей главе строится теория самовоздействия света в НЖК во внешнем постоянном поле, проводится численное моделирование и сравнение расчётов с экспериментом. Рассматривается экспериментальная геометрия отражённых пучков, позволяющая наблюдаться сходные аберрационные картины без приложения внешнего поля.

Деформация директора в проникающем электрическом поле определялась вариационным методом. Для этого минимизировалось выражение для плотности свободной энергии F в электрическом поле G:

„ К 2 A£dc(nG)2

F = —(divzn + rotzn)----, (1)

2 о7Г

где К - упругая постоянная Франка, и — директор, Aedc - анизотропия диэлектрической проницаемости.

При решении уравнения (1) использовался ряд упрощений: действие света сводится только к снятию экранирования, деформации директора малы, не учитываются поперечные упругие силы, деформация директора определяется постоянным полем в центральном слое НЖК, упругие постоянные одинаковы. В рамках этих приближений выражение для деформации директора имеет вид

Snm = ^^ (Сгп0)[[Сг х щ] х п0], (2)

где по - невозмущённое поле директора, Gx - электрическое поле в центре НЖК, L - толщина НЖК. Эффективное электрическое поле, проникающее в объём НЖК, моделировалось полем двух точечных зарядов разных знаков, расположенных вблизи точек входа и выхода светового пучка (рис. 3).

С помощью (2) можно найти коэффициент преломления для необыкновен-

JTJJi .

ной волны пе = -у=======, где As - оптическая анизотропия, к - единичный

волновой вектор, и нелинейный набег фазы = пес&, где АА' — точки входа и выхода луча (рис. 3).

7Г<~)(}с

. у Л

Рис. 3. Модель переориентации директора: РР' - осевой луч светового пучка; Р1Р1' и Р2Рг' -периферийные лучи; АА' - произвольный луч; Qл и Ос - точечные заряды, моделирующие снятие экранировки на аноде и катоде; отрезки в плоскости Е показывают ориентацию директора (для случая <3с = 0); 1а, 1с - расстояния от зарядов до плоскости £; Ь - толщина НЖК; к и Е - волновой вектор и электрическое поле световой волны.

Зная набег фазы можно определить распределение интенсивности в дальней зоне дифракции (то есть, аберрационную картину) с помощью интеграла Кирхгофа:

о от 2

/(0х.ег) =

к2

4гт2у2

(4)

— СО — ОО

где 0Х, Э2 - углы отклонения лучей, к - волновой вектор, 10 - профиль интенсивности падающего гауссовского пучка.

Результаты расчётов хорошо согласуются с экспериментом и правильно описывают трансформацию картины при поперечных сдвигах (рис. 4). Подобные смещения позволяют определить каустики аберрационной картины экспериментально.

Рис. 4. (а, б) Экспериментально наблюдаемые аберрационные картины в НЖК ЖКМ-1277 при наклонном падении (а = + 40°) светового пучка (X = 515 нм, Р = 10 мВт) при внешнем постоянном напряжении U = +2 В. (в, г) Результаты численного расчёта при L = 100 цм, w0 = 70 цм, ул = °-6> Ус - Ч = 0, Ап = 0.2, /? = +30°, 1А = 150 цм. (б, г) - сдвиг кристалла относительно пучка вверх. Пунктир отмечает внутреннюю верхнюю каустику.

Численно положение каустик вычисляется с помощью выражений вх = = дЛЯ тех уГЛов отклонения лучей, для которых обращается в

ноль гессиан нелинейного набега фазы SNL: В3gS"zl — ("У^) = 0. Критические точки отображения плоскости (х, z) на плоскость углов (0Х, в2) соответствуют областям самофокусировки (справа) и самодефокусировки (слева) фазового профиля пучка (рис. 5а, б). Эти области определяют две каустики (рис. 5в) аберрационной картины (рис. 5г), которые визуализируются при сдвиге НЖК (рис. 4г).

Аналитически положение каустик можно определить разложив фазовый набег 5М£1 в ряд Тейлора в окрестности особых точек. Разложение вблизи точки и = V = 0 (рис. 56), где формируется излом аберрационной картины, даёт выражение для набега фазы

Snl = S0{P[uA - ЗиА(ид + - Qui),

(5)

где Р = () = С°р• Согласно теории катастроф, выражение (5) соот-

ветствует элементарной катастрофе типа "гиперболическая омбилика".

0,4 0,0 -0,4

V / ч\ / \ / \ { \ 6 / \ / \ / 1

\ / и

-0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8

Рис. 5. Рассчитанные (а) фазовый набег, (б) критические точки отображения плоскости (х, г) на плоскость углов (вх,9г) и (в) соответствующие им каустики, (г) аберрационная картина, для параметров, указанных на рис. 4. и, V - нормированные координаты в поперечном сечении пучка (х, г)

Результаты численных расчётов, приведённые на рис. 5, получены в предположении полностью ассиметричного снятая экранирования (только на аноде), и хорошо описывают ситуацию в нелегированном образце. Учёт снятия экранирования на обеих подложках приводит к аберрационным картинам, которые экспериментально соответствуют картинам, наблюдаемым в НЖК с примесью метилового красного. Это позволяет предположить, что краситель модифицирует эффективность снятия экранирования на катодной подложке.

Второй параграф третьей главы посвящен изучению самовоздействия света с помощью картин отражённого пучка. Пучок, отражённый от границы НЖК-стекло, при обратном распространении через объём кристалла будет частично захватывать область с деформированным полем директора и приобретать дополнительный набег фазы, несимметрично относительно оси пучка. В результате может проявляться катастрофа типа гиперболической омбилики (без прило-

жения внешнего поля) и характерная асимметричная картина (рис. 6). Направление асимметрии определяется ориентацией НЖК и знаком нелинейности.

Размер аберрационных картин отражённого и проходящего пучков определяется

Рис. 6. картина отражённого пучка вкла®м тепловой нелинейности, который запри наклонном падении (а = 40°) висит от типа и от вкладом ориентаци-света (Р = 2 мВт, X = 515 нм) в го-

меогропном кристалле ЖКМ- онной нелинейности, которая зависит от типа 1277+0.025% КД-1.

НЖК и направления пучка. Сравнение этих картин позволяет получать дополнительную информацию о свойствах образца. Это особенно важно в сильно поглощающих образцах, где ориентационные эффекты зачастую неразличимы на фоне значительной тепловой нелинейности.

В четвёртой главе описываются результаты исследования НЖК с примесью стильбенового красителя ДЭАНС.

Самовоздействие света в планарном НЖК, легированном ДЭАНС, отличается как от обычных ориентационных эффектов, так и от поверхностной фоторефрактивности. Аберрационная картина в этом образце имела сложное асимметричное распределение интенсивности (рис. 7) и наблюдалась без приложения внешнего поля. Картина уменьшалась при вращении плоскости поляризации от необыкновенной к обыкновенной волне. В то же время, она формировалась и в о-волне, что не характерно для ориентационного самовоздействия.

Вид картины значительно менялся в зависимости от полярности внешнего постоянного поля (величина поля при используемой интенсивности света не

Рис. 7. Аберрационная картина в планарном ЖКМ-1277 + 0.1% ДЕАНС при наклонном падении (а = 50°) света (Р = 2 мВт, X = 473 нм). Точкой отмечено положение оси пучка до самовоздейстивия.

достаточна для проявления поверхностной фоторефракции, и этот процесс не мешал наблюдениям). Увеличение постоянного поля одной полярности приводило к плавному увеличению горизонтальной расходимости картины и её растягиванию (влево относительно оси на рис. 7). При противоположной полярности увеличение поля смещало картину вправо, проводя через положение симметрии, и далее меняя её вид на зеркальное отображение (относительно вертикальной оси) первоначально наблюдаемой.

На основании этих свойств сделан вывод, что наблюдаемое явление обусловлено светоиндуцированным перераспределением зарядов в объёме НЖК, то есть, объёмным фоторефрактивным эффектом. Качественный анализ, проведённый в предположении механизма объёмной фоторефракции с учётом затухания интенсивности пучка, объясняет некоторые важные характеристики самовоздействия и позволяет заключить, что более подвижными являются носители положительного заряда.

В пятой главе изучаются эффекты бистабильности поля директора и све-тоиндуцированный переход Фредерикса первого рода. Использование жидкокристаллической системы с содержанием наноразмерного карбосиланового денд-римера второй генерации позволило осуществить необходимую для бистабильности обратную связь между фактором усиления нелинейности и деформацией директора даже без дополнительных внешних воздействий.

Первый параграф пятой главы посвящен экспериментальному исследованию оптического перехода Фредерикса первого рода. Подобный переход впервые наблюдается для линейно-поляризованной световой волны. Он может превращаться в переход второго рода при изменении геометрии эксперимента или приложении внешнего переменного поля.

10 15 20 25 30 35 40 45

Зависимость числа аберрационных колец от мощности излучения при нормальном падении света имеет петлю гистерезиса, то есть, область с двумя стационарными положениями деформации директора (рис. 8). Ширина этой области бистабильности

составляет ДР = 0.4, что значительно Рис. 8. (1) Число аберрационных колец N при

увеличении (треугольники) и уменьшении превышает значения, известные из

(круги) мощности Р светового пучка (А. = 473 ,».

" } у _ литературы для переходов Фредерик-

нм), нормально падающего на планарныи 1 'к 1 , г

НЖК ЖКМ-1277 + 0.15% 02. (2) Теоретиче- са (и полученные в различных гео-ская зависимость.

метриях, в том числе с приложением внешнего поля). Область бистабильности сужается с ростом угла падения световой волны и пропадает при а > 30". Схожим образом действует и внешнее переменное поле: величины порогов перехода и ширина области бистабильности уменьшаются при увеличении напряжения. При и = 0.7 В переход становится переходом второго рода.

Помимо чисто оптической бистабильности, гистерезис проявляется в зависимости деформации директора от величины внешнего переменного напряжения. Ширина области бистабильноси зависит от мощности светового пучка. Переход Фредерикса становится переходом первого рода при Р > 10 мВт и увеличивается с ростом Р вплоть до необратимого перехода при Р = 32.5 мВт.

Теоретическое описание переходов Фредерикса первого рода приводится во втором параграфе пятой главы. Влияния угла поворота директора Ч7 на эффективную диэлектрическую анизотропию Дгегг задавалось простым выражением Деен — —Де® — Л£^5т2ф. Деформированное поле директора рассчитывалось из уравнения баланса моментов сил (вязкоупругих и действующих со стороны светового и электрического полей):

дч д2м/ Дггаси| .

ДггС0)(1 + тзШ2(Ч? + Р))|А|!

8л

БтС*/ + Р) сог(у + Р),

(6)

где у - коэффициент вязкости, у - угол поворота директора, 1 -время, К - постоянная Франка, у

- продольная координата, Дгас -низкочастотная диэлектрическая анизотропия, и0 - амплитуда поля, Ь - толщина кристалла,

= Д£ _ Д£Л» т = _ д£$/д£Ю

— параметр, характеризующий Рис. 9. Рассчитанные зависимости угла поворота

директора у™ от безразмерной интенсивности све- обратную связь, А — амплитуда товой волны 6 при различных значениях параметра

ш: (1) 0, (2) 0.8, (3) 2, (4) 3, (5) 3.6, (б) б. Кривая (5) световой волны, р - угол пре-построена для параметра т, полученного из эксперимента (приведена отдельно на вставке). АА' - пе-

ломления. Стационарное реше-

реключение поля директора при увеличении мощ- ние этого уравнения при наличии ности, В'В - при уменьшении мощности.

обратной связи (ш Ф 0) может иметь область, где возможны два стационарных положения директора (то есть, бистабильность, рис. 9). Расчёт бистабильных переходов правильно описывает результаты экспериментов, некоторые количественные разногласия могут быть связаны с упрощениями модели (например, приближением первой моды при описании продольной деформации поля директора).

В Заключении сформулированы выводы диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что при самовоздействии светового пучка в нематических жидких кристаллах в присутствии постоянного электрического поля в дальней зоне дифракции формируется аберрационная картина, отличающаяся от обычно наблюдаемой аксиально-симметричной системы колец. Картина сильно асим-

метрична и вытянута в направлении, параллельном плоскости падения света; форма картины не зависит от поляризации света.

На основании свойств самовоздействия можно заключить, что оно обусловлено поверхностным фоторефрактивным эффектом, то есть деформацией директора в поле зарядов, перераспределяемых светом на границах НЖК. В прозрачных НЖК величина оптической нелинейности при фоторефрактивном эффекте более чем на порядок превосходит ориентационную нелинейность. Соответствующий коэффициент нелинейности составляет п2 ~ 1.5 • Ю-3 см2/Вт (для А. = 458 нм).

2. Исследования фототока в ячейках НЖК различной структуры подтверждают воздействие света на поверхностный электрический заряд. При приложении постоянного поля происходит формирование экранирующего слоя зарядов, препятствующего проникновению поля в объём НЖК. Под действием света происходит снятие экранирования, преимущественно на аноде. Поляризация света не влияет на эффективность снятия экранирования.

3. Изучено самовоздействие света в НЖК, находящихся под действием постоянного электрического поля, для различных легирующих красителей и ориентирующих поверхностей. Во всех исследованных образцах проявлялся поверхностный фоторефрактивный эффект. Действие легирующих НЖК добавок, а также тип ориентанта, изменяют эффективность самовоздействия, позволяя усиливать нелинейность более чем на порядок.

5. Самовоздействие светового пучка в планарном НЖК, легированном стильбеновым красителем, приводит к формированию асимметричной аберрационной картины в виде системы полос, имеющей ориентационную природу. Деформация директора зависит от поляризации света, но наблюдается и для обыкновенно поляризованной волны. Свойства самовоздействия позволяют

предположить, что оно связано с объёмным фоторефрактивным эффектом, то есть поворотом директора в поле зарядов, индуцированных в объёме НЖК под действием света.

6. Исследована оптическая ориентация в тематическом жидком кристалле с примесью дендримера, находящемся под воздействием светового и низкочастотного электрического полей. Переход Фредерикса второго рода в низкочастотном электрическом поле превращается в переход первого рода под действием достаточно сильного светового поля. Переход сопровождается бистабиль-ностью поля директора. Ширина области бистабильности возрастает с увеличением интенсивное*™ световой волны, вплоть до деформации поля директора, сохраняющейся при отключении низкочастотного поля.

Впервые наблюдался переход Фредерикса первого рода в поле линейно поляризованной световой волны без дополнительных внешних полей. При этом относительная ширина области бистабильности составляет 0.4, что на порядок превышает соответствующие значения для светоиндуцированных переходов, наблюдавшихся в прозрачных НЖК в присутствии дополнительных полей. Положение и ширина области бистабильности могут перестраиваться внешним низкочастотным полем.

Проведены расчёты ориентационных переходов в НЖК с примесью дендримера, основанные на учете зависимости фактора усиления нелинейности от угла между директором и световым полем. Результаты расчётов согласуются с экспериментом.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Будаговский И.А., Золотько A.C., Китаева В.Ф., Смаев М.П. "Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами, содержащих азок-си- и азомолекулы". Краткие сообщения по физике ФИАН, № 10, с. 26-38 (2004).

2. Будаговский И.А., Золотько A.C., Китаева В.Ф., Очкин В.Н, Смаев М.П., Барник М.И. "Самовоздействие светового пучка в нематических жидких кристаллах в постоянном электрическом поле", Краткие сообщения по физике ФИАН, № 3, с. 24 - 34 (2006).

3. Budagovsky I.A., Zolot'ko A.S., Kitaeva V.F., and Smayev M.P. "Light Self-Action in NLCs with Orientational and Thermal Nonlinearities", Mol. Ciyst. Liq. Cryst. v. 453, pp. 71-82 (2006).

4. Zolot'ko A.S., Budagovsky I.A., Kitaeva V.F., Ochkin V.N., Shakun A.V., Smayev M.P., and Barnik M.l. "Orientational Interaction of a Light Beam and NLCs Subjected to External DC Field", Mol. Cryst. Liq. Cryst. v. 454, pp. 407/[809] - 414/[816] (2006).

5. Budagovsky I.A., Ochkin V.N., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., and Barnik M.I. "Asymmetric aberrational patterns at light beam self-action in nematic liquid crystals", Proceedings of SPIE, v. 6729,67293E (2007).

6. Zolot'ko A.S., Budagovsky I.A., Smayev M.P., and Barnik M.I. "Asymmetric aberration pattern at light-beam self-action in NLC doped with stilbene dye", Mol. Cryst. Liq. Cryst., v. 488, pp. 11-22 (2008).

7. Будаговский И.А., Золотько A.C., Лобанов A.H., Смаев М.П., Цховребов A.M., Аверюшкин А.С., Барник М.И. "Исследование фототока в жидкокристаллических ячейках, обнаруживающих фоторефрактивный эффект", Краткие сообщения по физике ФИАН, № 2, с. 31-41 (2010).

8. Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Барник М.И., "Самовоздействие светового пучка в нематических жидких кристаллах в присутствии постоянного электрического поля", ЖЭТФ, т. 138, вып. 1(7) с. 150-161 (2010).

9. Бабаян Э.А., Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Швецов С.А., Бойко Н.И., Барник М.И. "Оптическая бистабильность поля директора не-матического жидкого кристалла, легированного дендримерами", Краткие сообщения по физике ФИАН, № 8, с. 8-13 (2010).

10. Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Барник М.И. "Нелинейнооп-тические эффекты, индуцированные стильбеновым красителем в нематиче-ском жидком кристалле", препринт ФИАН № 20,26 е., М., (2006).

11. Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Барник М.И. "Аберрационная картина самовоздействия светового пучка, обусловленного фотореф-рактивным эффектом в НЖК", препринт ФИАН № 17, М., 38 с. (2009).

12. Бабаян Э.А., Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Швецов С.А., Бойко Н.И., Барник М.И., "Ориентационные переходы первого рода в НЖК с примесью дендримера", препринт ФИАН № 11, М., 35 с. (2010).

13. Budagovsky I.A., Zolot'ko A.S., Kitaeva V.F., Smayev M.P. "Self-action of light in nematic liquid crystals containing azo- and azoxymolecules", in ICONO/LAT 2005 Technical Digest on CD-ROM (St.Peterburg, Russia, 2005) IThS46.

14. Budagovsky I.A., Zolot'ko A.S., Ochkin V.N., Smayev M.P., and Barnik M.I. "Influence of dc electric field on light beam self-action in nematic liquid crystals", VI-ая Международная конференция Лазерная физика и оптические технологии, Гродно, Республика Беларусь, Материалы, Часть 2, с. 110—111 (2006).

15. Budagovsky I.A., Smayev M.P., Zolot'ko A.S. "Simulation of the light beam self-action in NLCs under DC electric field", The 22nd International Liquid Crystal Conference, Jeju, Korea, Abstracts I, p. 163 (2008).

16. Zolot'ko A.S., Budagovsky I.A., Ochkin V.N., Smayev M.P., Barnik M.I. "Characteristic features of a light beam self-action in NLCs under DC field", 2nd International Workshop on Liquid Crystals for Photonics, Cambridge, UK, Abstracts, pp. 213-214 (2008).

17. Budagovsky I.A., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., Barnik M.I. "Calculation of the far-field diffraction pattern for a light beam passed through NLCs under dc electric field", 13th International Topical Meeting on the Optics of Liquid Crystals (OLC'09), Erice, Italy, Book of Abstracts, p. P69 (2009).

18. Будаговский И.А., Золотько A.C., Смаев М.П., Барник М.И. "Влияние постоянного внешнего поля на аберрационное самовоздействие света в прозрачных НЖК", 3-я Высшая лазерная школа "Современные проблемы лазерной физики", Программа и аннотации докладов, с. 9 (2009).

19. Будаговский И.А., Золотько А.С., Лобанов А.Н., Смаев М.П., Цховребов A.M., Аверюшкин А.С., Барник М.И. "Исследование фототока в жидкокристаллических ячейках", 3-я Высшая лазерная школа "Современные проблемы лазерной физики", Программа и аннотации докладов, с. 25 (2009).

20. Бабаян Э.А., Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Швецов С.А., Бойко Н.И., Барник М.И. "Оптическая нелинейность, индуцированная кар-босилановыми содендримерами в нематической матрице", 5-ая Всероссийская Каргинская конференция "Полимеры - 2010", Сборник тезисов, с. 828-1 (2010).

21. Budagovsky I.A., Ochkin V.N., Shvetsov S.A., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., Boiko N.I., and Barnik M.I. "Orientational interaction of light beam with NLC doped with absorbing dendrimers of different generations", The 23rd International Liquid Crystal Conference, Krakow, Poland, Abstract Book, p. 813 (2010).

22. Budagovsky I.A., Lobanov A.N., Ochkin V.N., Smayev M.P., Tskhovrebov A.M., Zolot'ko A.S., Averyushkin A.S., and Barnik M.I. "Photocurrent studies of NLC exhibiting photorefractive effect in a light beam", The 23rd International Liquid Crystal Conference, Krakow, Poland, Abstract Book, p. 814 (2010).

23. Budagovsky I.A., Shvetsov S.A., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., Boiko N.I., Barnik M.I. "Orientational optical nonlinearity induced by photochromic carbosilane codendrimers in nematic liquid crystals", in ICONO/LAT 2010 Technical Digest on CD-ROM (Kazan, Russia, 2010) IMA6.

24. Budagovsky I.A., Zolot'ko A.S., Lobanov A.N., Smayev M.P., Tskhovrebov A.M., Averyushkin A.S., and Barnik M.I. "Experimental study of photocurrent in transparent NLC under DC field", in ICONO/LAT 2010 Technical Digest on CD-ROM (Kazan, Russia, 2010) ITuQ34.

25. Budagovsky I.A., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., "Hyperbolic umbilic catastrophe at light self-action in NLC subjected to DC field ", in ICONO/LAT 2010 Technical Digest on CD-ROM (Kazan, Russia, 2010) IThD3.

Подписано в печать 13.12.2010 г. Формат 60x84/16. Заказ №71. Тираж 100 экз. П.п 1.5. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Теп. 499 783 3640

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Будаговский, Иван Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§1.1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОТРОПНЫХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ.

§1.2. САМОВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА В НЖК.

§1.3. ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В НЖК.

§1.4. ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПЕРВОГО РОДА.

ГЛАВА 2. САМОВОЗДЕЙТСВИЕ СВЕТА В НЖК В

ПРИСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО ПОСТОЯННОГО ПОЛЯ.

§2.1. МАТЕРИАЛЫ. СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ,

ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК И ОРИЕНТАНТОВ.

§2.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДЫ.

§2.3. АБЕРРАЦИОННОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ.

§2.4. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЛИНЫ

ВОЛНЫ, ТИПА ОРИЕНТАНТА И ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК.

§2.5. ФОТОТОК В НЖК В ПРИСУТСТВИИ ПОСТОЯННОГО ПОЛЯ.

§2.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. САМОВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТОВОГО ПУЧКА ПРИ

СЛОЖНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ВОЛНОВОГО ФРОНТА.

§3.1. РАСЧЁТ АБЕРРАЦИОННОГО САМОВОЗДЕЙСТВИЯ НЖК В

ПРИСУТСТВИИ ПОСТОЯННОГО ПОЛЯ.

§3.2. ИЗУЧЕНИЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ

АБЕРРАЦИОННОЙ КАРТИНЫ ОТРАЖЁННОГО ПУЧКА.

§3.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. САМОВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА В КРИСТАЛЛЕ С

ПРИМЕСЬЮ СТИЛЬБЕНОВОГО КРАСИТЕЛЯ.

§4.1. СВОЙСТВА АБЕРРАЦИОННОЙ КАРТИНЫ.

§4.2. ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ.

§4.3. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ.

§4.4. ОБСУЖДЕНИЕ МЕХАНИЗМА САМОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ

ОБЪЁМНОЙ ФОТОРЕФРАКЦИИ.

§4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ГЛАВА 5. ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПЕРВОГО

РОДА.

§5.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ПЕРЕХОДОВ ПЕРВОГО

РОДА.

§5.2. РАСЧЁТ БИСТАБИЛЬНОСТИ ПОЛЯ ДИРЕКТОРА В НЖК.

§5.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

Введение диссертация по физике, на тему "Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами в присутствии внешних электрических полей"

Предмет работы и её актуальность

Предметом диссертации являются ориентационные нелинейно-оптические эффекты в нематических жидких кристаллах (НЖК), находящихся под действием электрических полей.

Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой промежуточную фазу между твёрдыми телами и изотропными жидкостями. Они совмещают в себе определённую структурную упорядоченность и высокую подвижность молекул, что обуславливает их высокую восприимчивость к внешним воздействиям, в частности, к действию электромагнитных полей, и значительную оптическую анизотропию. Переориентация директора НЖК (единичного вектора, задающего преимущественную ориентацию молекул) в низкочастотных полях лежит в основе применения НЖК в устройствах отображения информации. Взаимодействие НЖК со световым полем характеризуется "гигантской" ориентационной нелинейностью, на 9 порядков превышающей керровскую нелинейность жидкостей. Добавление к жидким кристаллам малых количеств поглощающих примесей (порядка 0.1%) может ещё на 2 порядка увеличить ориентационную нелинейность.

Ряд нелинейно-оптических эффектов наблюдался при дополнительном воздействии постоянного или низкочастотного электрического поля. К ним относится фоторефрактивных эффект — изменение показателя преломления НЖК вследствие вращения директора в поле светоиндуцированных зарядов.

Фоторефрактивный эффект в НЖК был обнаружен в 1994 [1] году в образце нематика с примесью красителя родамин 6Ж (и находившемся под действием постоянного внешнего поля) и объяснялся генерацией зарядов при поглощении света красителем в объёме НЖК (объёмный фоторефрактивный эффект). Далее, этот эффект наблюдался и в других жидкокристаллических системах, содержащих разнообразные добавки. В 2002 [2] году проявление эффекта фоторефракции наблюдалось и в прозрачных НЖК под действием постоянного внешнего поля, и объяснялось на основе светоиндуцированного снятия экранирования (поверхностный фоторефрактивный эффект). Несмотря на значительный интерес к фоторефрактивным эффектам в НЖК, ряд важных вопросов остаётся не выясненным. В частности, не установлен окончательно механизм фоторефракции в НЖК с поглощающими добавками, необходимость внешнего постоянного поля, влияние ориентантов.

В то же время, представляет несомненный интерес изучение этих явлений в легированных жидкокристаллических системах. Присутствие красителя усиливает вращающий момент, при этом фактор усиления может зависеть от угла между световым полем и директором. Эта зависимость создаёт дополнительный канал обратной связи, необходимый для проявления бистабильности.

Цель работы

Научная новизна

Впервые исследовано взаимодействие светового пучка с нематически-ми жидкими кристаллами в присутствии постоянного внешнего поля. Дано объяснение наблюдаемого эффекта самовоздействия на основе механизма поверхностного фоторефрактивного эффекта и построена теоретическая модель этого явления. Показано, что самовоздействие света приводит к оптической катастрофе "гиперболическая омбилика".

Впервые экспериментально наблюдался чисто оптический ориентаци-онный переход первого рода для линейно поляризованного света. Построена теория этого явления.

Практическая значимость

Нелинейность, реализуемая при поверхностном фоторефрактивном эффекте, может быть усилена путём легирования матрицы и ориентантов ячейки, и достигает значений 10" см /Вт (что на два порядка превосходит ориентационную нелинейность НЖК, связанную с воздействием света на индуцированные диполи).

Метод аберрационного самовоздействия позволяет определять тип (объёмный или поверхностный) и свойства фоторефрактивной нелинейности.

Анализ аберрационной картины отражённых пучков позволяет проводить исследование нелинейности в сильно поглощающих НЖК.

Защищаемые результаты и положения

1. Самовоздействие света в нематических жидких кристаллах (НЖК), нахо-' дящихся под действием постоянного электрического поля, приводит к асимметричной аберрационной картине и обусловлено поверхностным фоторефрактивным эффектом (деформацией директора в поле, проникающем в объём НЖК при светоиндуцированном снятии экранирования).

3. Обнаружен светоиндуцированный переход Фредерикса первого рода в поле линейно поляризованной световой волны. Этот переход наблюдается в НЖК с примесью наноразмерного дендримера. Он сопровождается значительной областью бистабильности, положением которой можно управлять внешним переменным полем. Переход Фредерикса в переменном электрическом поле под действием светового пучка превращается из перехода второго в переход первого рода.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Будаговский И.А., Золотько A.C., Китаева В.Ф., Смаев М.П. "Взаимодействие света с нематическими жидкими кристаллами, содержащих азокси- и азомолекулы". Краткие сообщения по физике ФИАН, № 10, с. 26-38 (2004).

Будаговский И.А., Золотько А.С., Китаева В.Ф., Очкин В.Н, Смаев М.П., Барник М.И. "Самовоздействие светового пучка в нематических жидких кристаллах в постоянном электрическом поле", Краткие сообщения по физике ФИАН, № 3, с. 24 - 34 (2006).

Budagovsky LA., Zolot'ko A.S., Kitaeva V.F., and Smayev M.P. "Light Self-Action in NLCs with Orientational and Thermal Nonlinearities", Mol. Cryst. Liq. Cryst. v. 453, pp. 71-82 (2006).

Zolot'ko A.S., Budagovsky I.A., Kitaeva V.F., Ochkin V.N., Shakun A.V., Smayev M.P., and Barnik M.I. "Orientational Interaction of a Light Beam and NLCs Subjected to External DC Field", Mol. Cryst. Liq. Cryst. v. 454, pp. 407/[809] - 414/[816] (2006).

Budagovsky LA., Ochkin V.N., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., and Barnik M.I. "Asymmetric aberrational patterns at light beam self-action in nematic liquid crystals", Proceedings of SPIE, v. 6729, 67293E (2007). Zolot'ko A.S., Budagovsky LA., Smayev M.P., and Barnik M.I. "Asymmetric aberration pattern at light-beam self-action in NLC doped with stilbene dye", Mol. Cryst. Liq. Cryst., v. 488, pp. 11-22 (2008).

Будаговский И.А., Золотько A.C., Лобанов A.H., Смаев М.П., Цховрсбов A.M., Аверюшкин А.С., Барник М.И. "Исследование фототока в жидкокристаллических ячейках, обнаруживающих фоторефрактивный эффект", Краткие сообщения по физике ФИАН, № 2, с. 31-41 (2010). Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Барник М.И., "Самовоздействие светового пучка в нематических жидких кристаллах в присутствии постоянного электрического поля", ЖЭТФ, т. 138, вып. 1(7) с. 150161 (2010).

Бабаян Э.А., Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Швецов С.А., Бойко Н.И., Барник М.И. "Оптическая бистабильность поля директора нематического жидкого кристалла, легированного дендримерами", Краткие сообщения по физике ФИАН, № 8, с. 8-13 (2010).

10. Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Барник М.И. "Нелиней-нооптические эффекты, индуцированные стильбеновым красителем в нематическом жидком кристалле", препринт ФИАН № 20, 26 е., М., (2006).

11. Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Барник М.И. "Аберрационная картина самовоздействия светового пучка, обусловленного фото-рефрактивным эффектом в НЖК", препринт ФИАН№ 17, М., 38 с. (2009).

15. Budagovsky I.A., Smayev М.Р., Zolot'ko A.S. "Simulation of the light beam self-action in NLCs under DC electric field", The 22nd International Liquid Crystal Conference, Jeju, Korea, Abstracts I, p. 163 (2008).

20. Бабаян Э.А., Будаговский И.А., Золотько А.С., Смаев М.П., Швецов С.А., Бойко Н.И., Барник М.И. "Оптическая нелинейность, индуцированная карбосилановыми содендримерами в нематической матрице", 5-ая Всероссийская Каргинская конференция "Полимеры - 2010", Сборник тезисов, с. 828-1 (2010).

23. Budagovsky I.A., Shvetsov S.A., Smayev M.P., Zolot'ko A.S., Boiko N.I.,' Barnik M.I. "Orientational optical nonlinearity induced by photochromic car-bosilane codendrimers in nematic liquid crystals", in ICONO/LAT 2010 Technical Digest on CD-ROM (Kazan, Russia, 2010) IMA6.

24. Budagovsky I.A., Zolot'ko A.S., Lobanov A.N., Smayev M.P., Tskhovrebov A.M., Averyushkin A.S., and Barnik M.I. "Experimental study of photocur-rent in transparent NLC under DC field", in ICONO/LAT 2010 Technical Digest on CD-ROM (Kazan, Russia, 2010) ITuQ34.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.; Минск, Республика Беларусь, 2007 г.; Казань, Россия, 2010 г.), 11-й, 12-й и 13-й Международных конференциях по оптике жидких кристаллов (Клеарвотер, США, 2005 г.; Пуэбла, Мексика, 2007 г.; Эриче, Италия, 2009 г.), 6-й Международной конференции "Лазерная физика и оптические технологии" (Гродно, Республика Беларусь, 2006 г.), 22-й и 23-й Международных конференциях по жидким кристаллам (Джеджу, Корея, 2008 г.; Краков, Польша, 2010), 2-й Международной конференции по фотонике жидких кристаллов (Кэмбридж, Великобритания, 2008 г.), 3-й Высшей лазерной школе "Современные проблемы лазерной физики" (Московская область, Россия, 2009 г.), 5-й Всероссийской каргинской конференции "Полимеры - 2010" (Москва, Россия, 2010).

Материал диссертации докладывался и обсуждался на семинарах Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН.

Личный вклад автора

Соискатель ученой степени принимал личное участие в постановке задач исследований, проведении экспериментов, моделировании изучаемых процессов, обработке результатов и их анализе, а также в подготовке материалов к публикации и представлению на конференциях.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

§5.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

Итак, мы впервые наблюдали и исследовали оптический ориентацион-ный переход Фредерикса первого рода на примере НЖК, легированного кар-босилановым дендримером. Переход происходил без каких либо дополнительных внешних воздействий в простой геометрии нормального падения света на планарный кристалл. Гистерезис зависимости угла поворота директора от интенсивности обусловлен сильным обратным влиянием деформации директора на оптическую анизотропию.

Относительная ширина области бистабильности на порядок превышает соответствующие значения для переходов при одновременном воздействии светового и низкочастотных полей на прозрачные НЖК. Изменение геометрии эксперимента (разворот кристалла), а также приложение внешнего низкочастотного поля приводят к уменьшению порогов перехода и сужают область бистабильности, вплоть до превращения перехода первого рода в переход второго.

Переход Фредерикса, индуцированный низкочастотным полем, превращается из перехода второго рода в переход первого рода при достаточной интенсивности света. При этом ширина области бистабильности возрастает с увеличением интенсивности световой волны, вплоть до необратимой деформации поля директора (сохраняющейся в поле световой волны даже при отключении низкочастотного поля). Этот эффект может быть использован для создания оптических переключателей.

Построенная теория обратимых ориентационных переходов в поглощающих НЖК правильно описывает экспериментальные результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что при самовоздействии светового пучка в нематиче-ских жидких кристаллах в присутствии постоянного электрического поля в дальней зоне дифракции формируется аберрационная картина, отличающаяся от обычно наблюдаемой аксиально-симметричной системы колец. Картина сильно асимметрична и вытянута в направлении, параллельном плоскости падения света; форма картины не зависит от поляризации света.

На основании свойств самовоздействия можно заключить, что оно обусловлено поверхностным фоторефрактивным эффектом, то есть деформацией директора в поле зарядов, перераспределяемых светом на границах НЖК. В прозрачных НЖК величина оптической нелинейности при фоторефрактив-ном эффекте более чем на порядок превосходит ориентационную нелинейность керровского типа. Соответствующий коэффициент нелинейности составляет щ ~ 1.5 ■ 10~3 см2/Вт (для X = 458 нм).

4. Построена теоретическая модель аберрационного самовоздействия светового пучка в НЖК при поверхностном фоторефрактивном эффекте. Рассчитаны деформация поля директора, трансформация волнового фронта, каустики и распределение интенсивности в дальней зоне дифракции. Результаты расчётов согласуются с экспериментом. Вид аберрационной картины соответствует генерации оптической катастрофы "гиперболическая омбилика". 5. Самовоздействие светового пучка в планарном НЖК, легированном стильбеновым красителем, приводит к формированию асимметричной аберрационной картины в виде системы полос, имеющей ориентационную природу. Деформация директора зависит от поляризации света, но наблюдается и для обыкновенно поляризованной волны. Свойства самовоздействия позволяют предположить, что оно связано с объёмным фоторефрактивным эффектом, то есть поворотом директора в поле зарядов, индуцированных в объёме НЖК под действием света.

6. Исследована оптическая ориентация в нематическом жидком кристалле с примесью дендримера, находящемся под воздействием светового и низкочастотного электрического полей. Переход Фредерикса второго рода в низкочастотном электрическом поле превращается в переход первого рода под действием достаточно сильного светового поля. Переход сопровождается бистабильностью поля директора. Ширина области бистабильности возрастает с увеличением интенсивности световой волны, вплоть до деформации поля директора, сохраняющейся при отключении низкочастотного поля.

Впервые наблюдался переход Фредерикса первого рода в поле линейно поляризованной световой волны без дополнительных внешних полей. При этом относительная ширина области бистабильности составляет 0.4, что на порядок превышает соответствующие значения для светоиндуцированных переходов Фредерикса, наблюдавшихся в прозрачных НЖК в присутствии дополнительных полей. Положение и ширина области бистабильности могут перестраиваться внешним низкочастотным полем.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность своему научному руководителю и учителю, Александру Степановичу Золотько.

Особую благодарность автор приносит профессору Владимиру Николаевичу Очкину за общее руководство, внимание и поддержку.

Я благодарен своим друзьям и коллегам, Михаилу Петровичу Смаеву и Сергею Александровичу Швецову за помощь в проведении экспериментов и расчётов.

Хочу поблагодарить Михаила Ивановича Барника за создание жидкокристаллических ячеек, предоставление большей части исследуемых материалов и плодотворные обсуждения, Андрея Николаевича Лобанова, Андрея Михайловича Цховребова и Анатолия Сергеевича Аверюшкина за помощь в проведении и интерпретации фототоковых измерений, Алексея Юрьевича Бобровского и Валерия Петровича Шибаева за полезные обсуждения, Наталию Ивановну Бойко за предоставленные дендримеры, Сергея Николаевича Цхая, Сергея Николаевича Авдеева и Сергея Юрьевича Савинова за ценные советы и конструктивные предложения.

Наконец, я хочу выразить искреннюю признательность всем сотрудникам Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН за помощь в научной работе и особую благодарность - Ирине Петровне Южаковой за помощь и поддержку в решении организационных вопросов.