Світломодулюючі пристрої підвищеної швидкодії на нематичних рідких кристалах

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фіз.-мат. наук

СВІТЛОМОДУЛЮЮЧІ ПРИСТРОЇ ПІДВИЩЕНОЇ ШВИДКОДІЇ НА НЕМАТИЧНИХ РІДКИХ КРИСТАЛАХ

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

ЗЕЛІНСЬКИЙ РОМАН ЯРОСЛАВОВИЧ

Київ-2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної Академії Наук України

Науковий керівник кандидат технічних наук Сорокін Віктор Михайлович, Інститут фізики напівпровідників НАН України завідувач відділу рідких кристалів

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Влох Орест Григорович, Інститут фізичної оптики Міністерства освіти і науки України, директор

доктор фізико-математичних наук, професор Ширшов Юрій Михайлович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, відділ молекулярної фотоелектроніки, м.Київ

Захист відбудеться “ 20 ” грудня 2002 р. о 14¹⁵ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: Київ, 03028, , проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України за адресою: Київ, 03028, , проспект Науки, 45

Автореферат розісланий “19 ” листопада 2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

АНОТАЦІЯ

Зелінський Р. Я. Світломодулюючі пристрої підвищенної швидкодії на нематичних рідких кристалах.- Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фіз.-мат.наук по спеціальності 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

В дисертаційній роботі проведено дослідження ефектів електрокерованого відбивання світла від межі поділу скло - нематичний рідкий кристал. Розроблено та досліджено модулятори оптичного випромінювання на основі цих ефектів. Показана можливість досягнення часів переключення 0.02- 0.5 мс при 100% глибині модуляції. Запропоновано новий оригінальний спосіб одержання орієнтованих рідкокристалічних структур, який базується на методі реактивного катодного розпорошення. Досліджено вплив орієнтуючих шарів окисів матеріалів Si, Ge, Al, In, Ta і технологічних параметрів їх напорошення на орієнтаційні параметри РК.

Розглянуто питання, пов'язані із застосуванням модуляторів оптичного випромінювання на основі електровідбивання від межі поділу ІД.-НРК. Запропоновано, реалізовано та досліджено оптичну схему лазерного проекційного мікроскопу (ЛПМ) з РК-модулятором в каналі обробки, спостереження і реєстрації, який може одночасно виконувати функції світлороздільного елемента, атенюатора і модулятора. Розглянуто застосування ефектів електровідбивання світла від межі поділу скло - нематичний рідкий кристал для створення перетворювачів зображення на основі структур фотонапівпровідник - нематичний рідкий кристал.

Створено та досліджено автоматичний світлофільтр для маски зварювальника з РК затвором, який виготовлений з використанням розробленого методу одержання орієнтованих РК-структур. Автоматичний світлофільтр забезпечує надійних захист від УФ та ІЧ- випромінювання і має час реакції на спалах 1- 1,5 мс.

Запропоновано ряд автоматизованих методик, які впроваджено в розроблений вимірювально-обчислювальний комплекс для дослідження парметрів РК - матеріалів та світломодулюючих пристроїв на їх основі.

Ключові слова: рідкі кристали, межа поділу, модулятор світла, орієтуючі структури, лазерний проекційний мікроскоп, перетворювач зображення.

ABSTRACT

Zelinskyy R.Ya. High-speed NLC light modulator devices.- Manuscript .

Thesis for scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences. by speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems.-Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2002.

The electro-optical glass-NLC interface light modulator has been developed and studied. The modulation depth was equal 100% when the switching time was 0.02 - 0.5 ms. New original method for creation of orienting NLC structures was proposed. This method are based on the reactive cathode sputtering-methods. The influence of orienting materials: oxides of Si, Ge, Al, In, Ta and technological parameter of its sputtering was investigated.

The extension means of modulator function capacity are discussed. The variants of applications these developed modulators as function element of laser projection microscope (LPM) which acting as splitter, attenuator and modulator are resulted. Developed modulators have been used as element into resonator in LPM. The treatment a lot of thin films materials by LPM which used developed modulator is demonstrated.

The applications of electrocontroled reflection on interface glass - NLC for creation image converter on the structures photoconductor - NLC are reviewed. Automatic optic module of welder's helmet with a light filter on the basic method for creation of orienting NLC structures has been developed. The light filter reliable shielding from UV and IR - radiation component, shows 1-1,5 ms response time to a burst.

Special measuring system for the checking of the main LC electrooptic parameters has been developed.

Key words: liquid crystal, interface, light modulator, orienting structures, laser projection microscope, image converter.

АННОТАЦИЯ

Зелинский Р. Я. Светомодулирующие устройств повышенного быстродействия на нематических жидких кристаллах. -Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

В диссертационной работе проведено исследование эффектов электроуправляемого отражения света от границы раздела стекло - нематический жидкий кристалл. Разработаны и исследованы модуляторы оптического излучения на основании этих эффектов. Показана возможность достижения времен переключения 0.02- 0.5 мс при 100% глубине модуляции.

Предложен новый оригинальный способ получения ориентированных жидкокристаллических структур, базирующийся на методе реактивного катодного распыления. Исследовано влияние ориентирующих слоев окислов материалов Si, Ge, Al, In, Ta и технологических параметров их напыления на ориентационные параметры ЖК.

Рассмотрены вопросы использования, модуляторов оптического излучения на основе електроотражения от границы раздела ИД-НЖК. Предложена, реализована и исследована оптическая схема лазерного проекционного микроскопа (ЛПМ) с ЖК-модулятором в канале обработки, наблюдения и регистрации, который может одновременно выполнять функции светоделительного элемента, аттенюатора и модулятора. Показана возможность проведения обработки ряда тонкопленочных материалов с помощью ЛПМ с ЖК-модулятором в канале обработки, наблюдения и регистрации.

Рассмотрен вопрос применения эффектов электроуправляемого отражения света от ганицы раздела стекло - нематический жидкий кристалл для создания преобразователей изображения на основе структур фотополупроводник - нематический жидкий кристалл.

Исследован автоматический светофильтр для маски сварщика с ЖК затвором, который создан с применением разработанного технологического метода получения ориентированных ЖК-структур. Автоматический светофильтр обеспечивает надежную защиту от УФ и ИК- излучений и имеет время реакции на оптический импульс 1- 1,5 мс. Уровень защиты от световых помех отвечает международным стандартам.

Разработан измерительно-вычислительный комплекс для исследования парметров ЖК - материалов и светомодулирующих устройств на их основе.

Ключевые слова: Жидкие кристаллы, граница раздела, модулятор света, глубина модуляции, лазерный проекционный микроскоп, преобразователь изображения.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Успішне розв'язання широкого кола завдань сучасної оптоелектронiки в значній мiрi залежить вiд наявності ефективних методiв i засобiв керування параметрами оптичного випромiнювання, які забезпечують можливiсть амплітудної або фазової модуляцiї свiтла. При цьому основними вимогами до вказаних засобiв модуляцiї оптичного випромiнювання повиннi бути низькi керуючi напруги i потужностi, якi забезпечили б можливiсть використання сучасної бази мiкроелектронiки, низькi оптичнi втрати, високi рівні глибини модуляції оптичного випромінювання (до100 %), можливість роботи в широкому спектральному дiапазонi, висока швидкодiя, можливiсть iнтегрального виконання.

Бiльшості вище перерахованих вимог задовольняють модулятори на рiдких кристалах, якi використовують широку гаму електрооптичних ефектiв в нематичних, смектичних і холестеричних рідких кристалах. Важливою перевагою рiдких кристалiв є висока чутливiсть до керуючих дiй ( електричного, магнiтного, механiчного, акустичного i теплового полiв), малi керуючi напруги i потужностi, можливiсть реалiзацiї модуляторiв з великою лiнiйною i кутовою апертурами, висока технологiчнiсть виробництва та iн. Однак, невисока швидкодiя бiльшостi електрооптичних ефектiв в рiдких кристалах (РК) обмежує їх використання в областях, де визначальним параметром є швидкiсть перемикання свiтлового потоку. Пошук шляхiв пiдвищення швидкодiї рiдкокристалiчних модуляторiв оптичного випромiнювання, в яких використовуються електрооптичнi ефекти в нематичних рiдких кристалах i якi дають можливiсть забезпечити високi рiвнi глибини модуляцiї оптичного випромiнювання, є актуальним завданням. Особливий iнтерес в цьому напрямку становлять ефекти електрокерованого повного внутрішнього відбивання (електровідбивання) світла від межі поділу iзотропний дiелектрик (ІД), наприклад, скло - нематичний рiдкий кристал (НРК). Наявнi в науковiй лiтературi вiдомостi про можливiсть такого пiдходу до розв'язання питання створення ефективних модуляторiв оптичного випромiнювання обмежені розглядом лише окремого часткового випадку переорієнтації оптичної осі НРК в площині падіння. Не менш практичний і науковий інтерес становить дослідження особливостей модуляції оптичного випромінювання при інших напрямках переорієнтації оптичної осі НРК, а саме, в площині межі поділу і в площині, перпендикулярній площині падіння і межі поділу. Реалізація вказаних електрооптичних ефектів вимагає також дослідження фізичних механізмів взаємодії РК з орієнтуючою поверхнею, методів керування орієнтаційними параметрами РК і розробки на їх основі технології створення орієнтуючих рідкі кристали структур, що забезпечує можливість керування напрямками легкого орієнтування, кутами нахилу молекул відносно підкладки, термостабільність орієнтуючих шарів. Реалізація електрично і оптично керованих модуляторів світла з високими параметрами модуляції вимагає дослідження специфіки електрооптичних і фотоелектричних ефектів в структурах діелектрик-напівпровідник (ДП) - рідкий кристал з урахуванням конкретних властивостей як структури ДП, так і РК. Не менш актуальними є питання, пов'язані з розширенням функціональних можливостей модуляторів оптичного випромінювання для створення на їх основі нових елементів і пристроїв функціональної рідкокристалічної оптоелектроніки, а також питання, пов'язані з розробкою як окремих автоматизованих методів і методик, так і автоматизованих вимірювально-обчислювальних комплексів для дослідження параметрів РК, межі поділу ІД-НРК і світломодулюючих пристроїв на РК.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали, узагальнені в дисертації, були отримані при виконанні планових завдань Відділення оптоелектроніки Інституту фізики напівпровідників НАН України, проектів УНТЦ, проектів Міністерства науки і освіти України, НДР з підприємствами МПП і МО України:

-„Дослідження електронно-поляритонних явищ у твердотільних структурах на основі напівпровідників А₃В₅ з мікрорельєфною поверхнею, розробка нових оптоелектронних приладів та автоматизованих методів електрофізичної діагностики матеріалів та структур опто- та мікроелектроніки", 1990-1994 рр., № державної реєстрації 0193U028658;

- "Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації матеріалів під дією зовнішніх чинників і створення низькотемпературних технологій приладів і пристроїв оптоелектроніки", 1995-1999 рр., № державної реєстрації 0195U010991.

-проект УНТЦ № 637 “Високоінформативні рідкокристалічні дисплеї з пам'яттю на холестерико-нематичних сумішах”, 1999-2001рр.;

-проект Міністерства науки і освіти України з проблеми “Фундаментальні дослідження”2.3/667 “Фізичні процеси в тонких плівках з виродженими граничними умовами”, 1994-1996рр.

-проект Міністерства науки і освіти України з проблеми “Матеріали електронної техніки” 05.01./05296 “ Технологія принципово нових, конкурентноспроможних рідкокристалічних засобів відображення інформації”, 1996-2000рр.;

-науково-дослідна робота по договору № 301/69 “Розробка і впровадження в виробництво нових високопродуктивних технологій орієнтації рідкокристалічних структур для масового виробництва конкурентноздатних засобів відображення інформації”, 1994-1995рр.;

-науково-дослідна робота по договору №459/36-92/д11081 “Розробка, дослідження і створення модуляторів і атенюаторів оптичного випромінювання”, 1992-1993рр.

В перших чотирьох роботах автор був виконавцем, в п'ятій і шостій - відповідальним виконавцем і остання робота виконувалась під беспосереднім науковим керівництвом автора.

Мета роботи полягає в розробцi фiзико-технологiчних принципів створення модуляторiв оптичного випромiнювання на основi електровідбивання випромiнювання вiд межі поділу скло - нематичний рiдкий кристал для широкого класу приладiв, елементів і систем сучасної оптоелектронiки.

В вiдповiдностi до поставленої мети основна увага в роботi придiлялась вирішенню наступних завдань:

1. Дослідження модуляції світла на основi електровідбивання випромiнювання вiд межі поділу ІД - НРК при переорінтації оптичної осі НРК в площині падіння, в площині, перпендикулярній площині падіння і межі поділу, а також в площині межі поділу.

2. Дослідження фізичних механізмів взаємодії РК з орієнтуючою поверхнею, методів керування орієнтаційними параметрами РК і розробка на їх основі технології створення орієнтуючих рідкі кристали структур з заданими властивостями.

3. Створення експериментальних зразкiв модуляторiв оптичного випромінювання i дослiдження основних параметрiв модуляції.

4. Створення та дослідження приладів, елементів і систем рідкокристалічної оптоелектронiки, в яких розроблені модулятори несуть основне функцiональне навантаження.

5. Створення автоматизованих методик дослідження параметрів рідких кристалів і світломодулюючих пристроїв на їх основі.

Об'єктом дослідження є електровідбивання випромінювання від межі поділу ІД-НРК.

Предметом дослідження є електрооптичні, модуляційні і релаксаційні параметри та характеристики модуляторів оптичного випромінювання на основі електровідбивання від межі поділу ІД-НРК.

Застосовано такі методи дослідження: поляризаційна мікроскопія, спектрофотометричні та гоніометричні методи дослідження оптичних параметрів ІД, НРК та межі поділу ІД-НРК. В експериментальних дослідженнях використовувались також розроблені автором і метрологічно атестовані автоматизовані методики дослідження параметрів рідких кристалів і світломодулюючих пристроїв на їх основі (товщин РК-комірки заповненої і незаповненої РК, кутів нахилу молекул РК відносно поверхні підкладки, часів реакції і релаксації оптичного відгуку, коефіцієнтів відбивання та пропускання).

Наукова новизна:

1. Вперше проведено дослідження модуляції оптичного випромінювання на основі електровідбивання світла від межі поділу ІД-НРК при переорієнтації оптичної осі НРК в площинi, перпендикулярнiй площинi падiння i межі поділу, а також в площинi межі подiлу. Показана можливість досягнення високої крутизни модуляційної характеристики, високої ефективності перетворення оптичного сигналу, високої оптичної однорідності по всьому робочому полю модулятора і 100% глибини модуляції.

2. Виявлено нові закономірності в поведінці коефіцієнтів відбивання та пропускання для складових відбитих хвиль, та хвиль, що пройшли в залежності від величини керуючої напруги, які приводять до збільшення в 2 або 4 рази частоти сигналу фотовідгуку відносно частоти керуючого синусоїдального сигналу. Bстановлено, що час релаксацiї оптичного відгуку не залежить від товщини РК-шару.

3. Вперше вивчено вплив орієнтуючих шарів окисів матеріалів Si, Ge, Al, In, Ta, отриманих методом реактивного катодного розпорошення, і технологічних параметрів їх напорошення на орієнтаційні параметри РК. Встановлено, що напрямок орієнтації молекул НРК збігається з напрямком іонного бомбардування підкладки в процесі напорошення орієнтуючих шарів.

4. Вивчено процеси деградації SiO_x орієнтуючих плівок. З'ясовано, що суттєву роль в процесах втрати анізотропії мікрорельєфу SiO_x орієнтуючих шарів при термообробці відіграють продукти розкладу, як неорганічних, так і органічних плівок, якими склеюють рідкокристалічні комірки.

5. Вперше розглянуто специфіку електрооптичних і фотоелектричних процесів в рідкокристалічних перетворювачах зображення на основі структур діелектрик-напівпровідник (ДН) із нерівноважним збідненням з урахуванням конкретних фізичних параметрів РК і структури ДН. Показана можливість створення ефективних, швидкодіючих перетворювачів зображення не тільки на основі високоомного кремнію, але і на основі промислового низькоомного кремнію з = 4.4 - 10 Ом см.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Досягнені рекордні для модуляторів на НРК часи перемикання світлового потоку ( 0.02 - 0.5 мс) в видимій і ближній ІЧ областях спектру при 100 % глибині модуляції дозволяють ефективно використовувати розроблені модулятори в різних пристроях сучасної оптоелектроніки.

2. Результати дослідження принципово нового методу орієнтації РК-структур з заданими орієнтаційними параметрами дозволяють створювати нові екологічно чисті промислові технології виробництва елементів і пристроїв рідкокристалічної оптоелектроніки. Використання розробленого технологiчного процессу орiєнтацiї дозволило вперше в Україні розробити автоматичний світлоклапанний пристрій для маски зварювальника з часом реакції на спалах 1- 1,5 мс в робочому температурному діапазоні від -20⁰С до 50⁰С при високому рівні захисту від світлових завад.

3. Використання РК-модулятора на основі електровідбивання світла від межі поділу ІД-НРК в каналі обробки, спостереження i реєстрацiї лазерного проекційного мiкроскопа, який виконує одночасно функції модулятора, атенюатора і світлоподільного елементу, відкрило можливiсть для створення високоточних установок лазерної обробки широкого класу матерiалiв сучасної мiкроелектронiки.

4. Результати досліджень просторово-часової модуляції світла на основі структур фотонапівпровідник-РК з використанням електрооптичних ефектів на межі поділу ІД-НРК дозволяють будувати високоефективні перетворювачі оптичного зображення ІЧ - видиме.

5. Розроблені автоматизовані методики вимірювання міжелектродної відстані в пакетах РКІ, кутів нахилу молекул РК щодо поверхні підкладки, коефіцієнтів відбивання і пропускания, часових параметрів фазових переходів в РК і створені на їх основі унікальні вимірювально-обчислювальні комплекси для діагностики параметрів і характеристик приладів, елементів і систем рідкокристалічної оптоелектроніки сприяють успішному вирішенню проблем, повязаних як з синтезом нових РК-матеріалів і їх сумішей, так і пошуком нових електрооптичних ефектів, відповідальних за модуляцію світла.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто виконано повний обсяг аналітичних розрахунків і експериментальних досліджень по проблемі, що розглядається в дисертації. Загальна постановка завдання та обговорення теоретичних і експериментальних результатів були виконані спільно з науковим керівником. В роботах, виконаних в співавторстві, йому належить провідна роль в проведенні досліджень, інтерпретації виявлених ефектів та закономірностей. В пропозиції, розробці і патентуванні оригінальних технічних рішень автор приймав однакову участь.

Апробацiя роботи. Основні результати дисертацiї доповiдались і мiстяться в матерiалах слідуючих конференцiй, cемiнарів, нарад: Республіканська науково-технiчна нарада “Функцiональнi елементи і пристрої для апаратури засобiв зв'язку” (Мiнск,1984); Всесоюзний семiнар “Електрооптика границi роздiлу рiдкий кристал - тверде тiло” (Москва, 1985); Всесоюзна конференцiя “Функцiональна електронiка в обчислювальнiй технiцi і засобах управлiння” (Тбiлiсi, 1986); Всесоюзна нарада “Надмолекулярна структура і електрооптика рiдких кристалiв” (Львiв-Славське, 1986); Всесоюзна конференцiя по функцiональнiй оптоелектроницi (Вiнниця, 1987); Всесоюзний симпозiум “Дисплей - 90” (Саратов, 1990); Європейська конференцiя по рiдких кристалах ( Кормайор - Iталiя, 1991); 5-а Мiжнародна школа конференцiя “Нелiнiйна оптика рiдких кристалiв, фоторефрактивних і гетерогенних середовищ” (Севастополь, 1993); Мiжнародна школа-конференцiя “Передовi дисплейнi технологiї” (Львiв, 1994); 11-а Мiжнародна конференцiя по твердих і рiдких кристалах (Закопане-Польща, 1994); Y Міжнародний симпозіум "Сучасні засоби відображення інформації" (Мінск- Білорусь, 1996р.), Європейська конференцiя по рiдких кристалах (Закопане-Польща, 1997р.), 10^-й Міжнародний симпозіум “Передовi дисплейнi технологiї” (Мінск- Білорусь, 2001р.). 11-й Міжнародний симпозіум “Передовi дисплейнi технологiї” (Крим- Україна, 2002.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 24 роботи, в тому числі 7 робіт в провідних фахових журналах, 6 - в матеріалах конференцій, 7 - в тезах конференцій, оригінальні рішення захищені 3 авторськими свідотствами на винахід:

Структура та об'єм роботи. Дисертацiя складається iз вступу, п'яти роздiлiв, заключення, списку використаної лiтератури і додатку. Матерiал викладений на 166 сторiнках, включаючи малюнки, таблиці, список використаних джерел з 136 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, подано інформацію про апробацію роботи і публікації автора, а також коротко викладено зміст дисертації по розділах.

У першому роздiлi коротко дається огляд робiт, присвячених основним електрооптичним ефектам в рiдких кристалах. Розглянуто орiєнтацiйнi і електрогiдродинамiчнi ефекти в рідких кристалах. Приведено принципи побудови модуляторiв оптичного випромiнювання на цих ефектах. Наведено порiвняльнi характеристики параметрiв модуляцiї оптичного випромiнювання для вiдомих електрооптичних ефектiв в РК. Зроблено висновок про доцiльнiсть проведення пошуку шляхiв пiдвищення швидкодiї і розширення функцiональних можливостей модуляторiв на основi РК.

У наступних параграфах розділу в рамках iнварiантних методiв аналiзу вiдбивання свiтла анiзотропними середовищами проведено розгляд поведiнки електромагнiтних хвиль на межі поділу скло - нематичний рiдкий кристал з метою побудови ефективних модуляторiв оптичного випромiнювання. Розглянуто три випадки переорiєнтацiї оптичної осi вiдносно заданого напрямку: а- в площинi падiння; б - в площинi, перпендикулярнiй площинi падiння і межі поділу ; в - в площинi межі поділу. Показано, що у випадку а ефективну модуляцію можна здійснити не тільки, коли початковий кут орієнтації оптичної осі відносно нормалі до межі поділу дорівнює 0 або 90⁰, як описано в літературі, але і коли кут орієнтації оптичної осі відмінний від нуля. Встановлено, що при правильному виборі параметрів ІД, НРК, а також початкової орієнтації оптичної осі можна значно підвищити як крутизну модуляційної характеристики, так і швидкодію в порівнянні з випадками, описаними в літературі.

При розгляді випадку, коли оптична вісь повертається в площині, перпендикулярній площині падіння і межі поділу, вперше показано, що для цієї геометрії переорієнтації оптичної осі можливо здійснити модуляцію падаючого випромінювання, поляризованого як перпендикулярно площині падіння, так і в площині падіння. Аналіз коефіцієнтів відбивання для складових відбитих хвиль r_ІІ і r в залежності від кута повороту оптичної осі показав, що у випадку падіння на межу поділу випромінювання, поляризованого перпендикулярно площині падіння, для реалізації модуляторів випромінювання, які забезпечують 100% глибину модуляції необхідно вибирати скло з показником заломлення рівним nе.

Із залежностей слідує, що для паралельної складової повинен спостерігатись характерний екстремум при куті нахилу оптичної осі = 45о. Слід відмітити, що через некритичність коефіцієнтів відбивання до кутів падіння, останні можуть вибиратись в широкому діапазоні.

У випадку падіння на межу поділу випромінювання, поляризованого в площині падіння, модулятори не критичні до вибору показника заломлення ІД. Але при цьому кожному значенню показника заломлення відповідає тільки одне значення кута падіння. Характерний екстремум повинен спостерігатись для перпендикулярної складової відбитої хвилі.

У заключному параграфі розділу розглядається третій випадок, коли оптична вісь НРК повертається в площині межі поділу. Показано, що для цієї геометрії переорієнтації оптичної осі можливо здійснення 100 % глибини модуляції тільки для падаючого випромінювання, поляризованого перпендикулярно площині падіння

Аналіз залежностей коефіцієнтів відбивання для перпендикулярної складової відбитої хвилі r від показує, що модулятор на цьому електрооптичному ефекті характеризується високою крутизною електрооптичної характеристики при 100 % глибині модуляції. Щодо коефіцієнтів відбивання для паралельної складової відбитої хвилі, то при різних кутах падіння і відповідних їм кутах орієнтації оптичної осі повинні спостерігатися характерні екстремуми.

В другому розділі дисертаційної роботи приведені результати дослідження методів орієнтації РК, фізичних механізмів взаємодії РК з орієнтуючою поверхнею, методів керування орієнтаційними параметрами. Запропоновано новий технологічний спосіб одержання орієнтуючих РК структур, який базується на методі скісного реактивного катодного розпорошення різних матеріалів. Експериментальні дослідження методу в процесі напорошення таких матеріалів як Si, Ge, Ta, Al, In та інш. в кисневомісткій плазмі показали можливість формування на скляній або іншій підкладці, площина якої орієнтована під деяким кутом по відношенню до катоду, структур окисів вище перерахованних матеріалів, які здатні при контакті з РК орієнтувати молекули останніх в напрямку, що співпадає з напрямком іонного бомбардування підкладки в процесі напорошення. Показано вплив технологічних режимів напорошення на кути нахилу молекул РК відносно орієнтуючої підкладки.

Особливу увагу в цьому розділі приділено технології одержання термостійких (до 520⁰С) орієнтуючих SiOx - структур. Приводяться результати дослідження впливу різних факторів (матеріалу підкладки, температури плавлення органічних і неорганічних герметиків) на появу дефектів в орієнтованних РК-структурах

У третьому розділі приведені результати експериментальних досліджень модуляції випромінювання на межі розділу ІД - НРК в видимій і ближній ІЧ областях. Основну увагу приділено вивченню електрооптичних характеристик межі поділу при переорієнтації оптичної осі в площині перпендикулярній площині падіння і межі поділу. Приведено результати досліджень коефіцієнтів відбивання і пропускання для складових відбитої хвилі і хвилі, що пройшла в залежності від величини керуючої напруги (рис.5). Аналіз отриманих експериментальних результатів показав що максимальна глибина модуляції М = 100% забезпечується для випромінювання, що пройшло при Е^і = 0. Значно менша глибина модуляції для відбитих хвиль пояснюється високим рівнем паразитного відбивання при відсутності напруги на керуючих електродах U = 0 для Е^і_ІІ= 0 або присутністю розсіяної хвилі при U=U_макс. для Е^і_ІІ= 0. Порівняння експериментально отриманих залежностей коефіцієнтів відбивання від величини прикладеної напруги вказує на якісне співпадання експериментальних результатів з теоретичними залежностями. Неспівпадання теоретичних і експериментальних даних для коефіцієнтів відбивання при великих значеннях прикладеної напруги пояснюється наявністю перехідних шарів на межі поділу ІД-НРК із властивостями, відмінними від властивостей ІД або НРК.

Результати досліджень швидкодії розроблених модуляторів світла в залежності від параметрів керуючої напруги і параметрів РК шару показали можливість досягнення часів реакції і релаксації 0.02 мс і 0.5 мс, відповідно. Експериментальні дослідження часів реакції - релаксації в залежності від величини керуючої напруги і товщини РК шару показали, що час релаксації не залежить від величини керуючої напруги і товщини РК шару. Це дозволило зробити висновок, що за модуляцію світла відповідає дуже тонкий приграничний шар РК.

У четвертому розділі розглянуті, питання пов'язані із використанням модуляторів світла на електрооптичних ефектах межі поділу. Запропоновано, реалізовано і досліджено оптичну схему лазерного проекційного мікроскопу (ЛПМ) з РК-модулятором в каналі обробки, реєстрації і спостереження, який може виконувати одночасно функції світлоподільного елементу, атенюатора і швидкодіючого модулятора. Експериментальні дослідження РК-модулятора, як керуючого елементу в резонаторі ЛПМ, показали можливість забезпечення гарантованого пропускання пачки лазерних імпульсів з мінімальним число N = 7. З метою дослідження функціональних (технологічних) можливостей ЛПМ із РК-модулятором була проведена лазерна обробка плівок хрому (товщина 0.1 мкм) на склі і полісиліцидів (товщина 0.3 мкм ) на фосфоросилікатному склі. Розміри світлової плями складали 1,5x1,5 мкм. У результаті проведених експериментів було встановлено, що застосування рідкокристалічного модулятора в якості переривача світлового потоку дозволяє одержати на плівках типу хром на склі різі з відтвореним мінімальним розміром 2х2 мкм. При зміні амплітуди синусоїдальної напруги керування досягається можливість пошарового контрольованого видалення плівок полісиліциду. На основі цих результатів були створенні установки лазерної обробки широкого класу матеріалів, які використовуються сучасною мікроелектронікою.

Далі в роботі приведено результати експериментальних досліджень, які показують перспективність використання електровідбивання світла від межі поділу ІД - НРК для зчитування записаної в структурі ДН інформації. Показана можливість створення ефективних, швидкодіючих перетворювачів зображення не тільки на основі високоомного кремнію, але і на основі промислового низькоомного кремнію з = 4.4 - 10 Ом см.

У заключному параграфі розділу приведено результати досліджень по розробці елементів технології створення світлоклапанних пристроїв для маски зварювальника.

У п'ятому розділі приведені результати досліджень по розробці автоматизованих методик виміру міжелектродної відстані в РК пакетах, кутів нахилу молекул РК відносно поверхні підкладки, коефіцієнтів відбивання і пропускания РК комірок, часів реакції і релаксації електрооптичного відгуку. Особливу увагу приділено розробці вимірювально-обчислювального комплексу діагностики параметрів РК і світломодулюючих пристроїв на РК.

ВИСНОВКИ

нематичний кристал оптичний модулятор

1. У рамках інваріантних методів аналізу відбивання випромінювання від анізотропних середовищ показана можливість здійснення ефективної модуляції випромінювання на межі поділу ІД-НРК при переорієнтації оптичної осі у площині падіння, у площині, перпендикулярної площини падіння і межі поділу, а також у площині межі поділу.

2. Показана можливість досягнення високої крутизни модуляційної характеристики, високої ефективності перетворення оптичного сигналу, високої оптичної однорідності по всьому робочому полю модулятора. Досліджено модуляційні і релаксаційні характеристики межі поділу ІД-НРК в залежності від параметрів ІД, НРК, поляризації випромінювання, параметрів сигналів керування. Bстановлено, що час релаксацiї оптичного відгуку не залежить від товщини РК-шару. Виявлено нові закономірності в поведінці коефіцієнтів відбивання та пропускання для складових відбитих хвиль та хвиль, що пройшли в залежності від величини керуючої напруги, що приводять до збільшення в 2 або 4 рази частоти сигналу фотовідгуку відносно частоти керуючого синусоїдального сигналу.

3. Досягнуто рекордні для модуляторів на НРК часи перемикання світлового потоку (0.02 - 0.5 мс) в видимій і ближній ІЧ областях спектру при 100 % глибині модуляції.

4. Запропонована нова технологія одержання орієнтуючих рідкі кристали структур, яка базується на методі реактивного катодного розпорошення. Вивчено вплив орієнтуючих шарів окисів матеріалів Si, Ge, Al, In, Ta, отриманих методом реактивного катодного розпорошення, і технологічних параметрів їх нанесення на орієнтаційні параметри РК. Встановлено, що напрямок орієнтації молекул НРК збігається з напрямком іонного бомбардування підкладки в процесі напорошення орієнтуючих шарів.

5. Вивчено процеси деградації SiO_x орієнтуючих плівок. З'ясовано, що суттєву роль в процесах втрати анізотропії мікрорельєфу SiO_x орієнтуючих шарів при термообробці відіграють продукти розкладу, як неорганічних, так і органічних плівок, якими склеюють рідкокристалічні комірки.

6. Використання розробленого технологiчного процессу орiєнтацiї дозволило вперше в Україні розробити автоматичний світлоклапанний пристрій для маски зварювальника з часом реакції на спалах 1- 1,5 мс в робочому температурному діапазоні від -20⁰С до 50⁰С при високому рівні захисту від світлових завад.

7. Показано, що використання РК-модулятора на основі електровідбивання світла від межі поділу ІД-НРК в каналі обробки, спостереження i реєстрацiї лазерного проекційного мiкроскопа, який виконує одночасно функції модулятора, атенюатора і світлоподільного елементу, відкриає можливiсть для створення високоточних установок лазерної обробки широкого класу матерiалiв сучасної мiкроелектронiки.

8. Результати досліджень просторово-часової модуляції світла на основі структур фотонапівпровідник-РК з використанням електрооптичних ефектів на межі поділу ІД-НРК дозволяють будувати високоефективні перетворювачі оптичного зображення ІЧ - видиме.

9. Розроблені автоматизовані методики вимірювання міжелектродної відстані в пакетах РКІ, кутів нахилу молекул РК щодо поверхні підкладки, коефіцієнтів відбивання і пропускания, часових параметрів фазових переходів в РК і створені на їх основі унікальні вимірювально-обчислювальні комплекси для діагностики параметрів і характеристик приладів, елементів і систем оптоелектроніки сприяють успішному вирішенню проблем, пов'язаних як з синтезом нових РК-матеріалів і їх сумішей, так і пошуком нових електрооптичних ефектів, відповідальних за модуляцію світла. Комплекси пройшли апробацію в Кореї (Samsung), Індії (Hitronix), Швеції (Swedish LCD Center), Гонк-Конгу (BONA FIDE Instruments Co.).

Таким чином в дисертаційній роботі вирішено важливе наукове завдання - розроблено фiзико-технологiчні принципи створення модуляторiв оптичного випромiнювання підвищеної швидкодії на основi ефектiв електрокерованого відбивання випромiнювання вiд межі поділу ізотропний діелектрик - нематичний рiдкий кристал для широкого класу приладiв i систем сучасної оптоелектронiки.

Отримані в дисертаційній роботі результати важливі для науки та виробництва. В наукових дослідженнях їх слід використовувати при вирішенні широкого кола завдань сучасної оптоелектроніки; при дослідженні електрооптики нових рідких кристалів, межі поділу рідкий кристал - тверде тіло; при вирішенні завдань, пов'язаних з розробкою та дослідженням засобів захисту оптоелектронної апаратури та очей оператора від високоенергетичних світлових завад. У виробничій практиці їх слід використовувати при розробці технологій виробництва оптоелектронних рідкокристалічних пристроїв різного призначення і проведенні комплексних досліджень їх параметрів і характеристик.

Достовірність одержаних в дисертації результатів гарантується застосуванням сучасних експериментальних методів і методик (поляризаційна мікроскопія, спектрофотометричні та гоніометричні методи дослідження оптичних параметрів ІД , НРК та межі поділу ІД-НРК), використанням розроблених автором і метрологічно атестованих автоматизованих методик дослідження параметрів рідких кристалів і світломодулюючих пристроїв на їх основі, узгодженням із сучасними уявленнями електрооптики рідких кристалів, даними, отриманими іншими авторами та високим міжнародним рейтингом наукових видань, у яких опубліковано основні роботи з теми дисертації (“Moleсular Crystals and Liquid Crystals”, Proceedings of SPIE, Proceedings of SID, “Журнал прикладной спектроскопии”, “Оптоэлектроника и полупроводниковая техника”), а також апробацією матеріалів роботи на конференціях, у т.ч. міжнародних.

ГОЛОВНI РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦIЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛIКАЦIЯХ

1. Зелинский Р.Я., Олексенко П.Ф., Сорокин В.М. Модуляция излучения на границе раздела изотропный диэлектрик - жидкий кристалл при вращении оптической оси в плоскости раздела // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1986.- вып.9.- С.37-39.

2. Горбань А.П., Зелинский Р.Я., Иваницкий О.П., Литовченко В.Г. Сорокин В.М. Об особенностях использования ЖК для визуализации потенциального рельефа в структурах ДП с неравновесным обеднением // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.- 1986.- вып.9.- С.94 - 99.

3. Зелинский Р.Я., Олексенко П.Ф., Сорокин В.М. Исследование электрооптических характеристик границы раздела ИД - ЖК// Оптоэлектроники и полупроводниковая техника.- 1986.- вып.10.- С.54 - 58.

4. Sorokin V., Kuzmin N.G., Oleksenko P., Kolomzarov Y.V. Zelinski R., Semenist V.N. Investigation of methods for molecular alignment in nematic and smectic liquid crystal displays.// Mol.Crys.Liq.Crys.- 1992, Vol. 215.- Р. 137-143.

5. Zelinski R., Sorokin V., Oleksenko P. Electrooptic Glass-NLC Light Modulator.// Proc.SPIE.-1995.- Vol.2372.- Р.323-329.

6. A.Kozachenko, V.Sorokin, Yu.Kolomzarov, V.Nazarenko,, R.Zelinskii and P.Titarenko Multi-color surface stabilized cholesteric LCD // Proc.SPIE.-1997.- Vol. 3313.-Р.496-499.

7. Зелинский Р.Я., Олексенко П.Ф., Свечников С.В., Сорокин В.М. Некоторые возможности построения ЖК-модуляторов излучения //В кн.: Оптоэлектронные элементы связи. Труды Республиканского научно-технического совещания "Функциональные элементы и устройства для аппаратуры средств связи ".-Минск.-1984.-С.153 -155.

8. Зелинский Р.Я., Олексенко П.Ф., Сорокин В.М. Исследование модуляторов излучения на электроуправляемом эффекте ПВО// В кн.: Функциональная электроника в вычислительной технике и устройствах управления. Материалы Всесоюзной конференции .- Тбилиси.- 1986.- С.206 - 209.

9. Аношкин А.В., Зелинский Р.Я., Олексенко П.Ф., Сорокин В.М. Исследование особенностей ориентированных ЖК-структур устройств отображения информации // В кн.: Функциональная электроника в вычислительной технике и устройствах управления. Материалы Всесоюзной конференции.- Тбилиси.- 1986.- С.203-205.

10. Зелинский Р.Я., Карпов И.Л., Скрипниченко А.С., Сорокин В.М. ЖК-модулятор в канале лазерного проекционного микроскопа // В кн.: Оптоэлектронные методы и средства обработки изображений. Материалы 2 Всесоюзной конференции по функциональной оптоэлектронике.- Винница - Тбилиси.- 1987.- С.379 - 381.

11. В.М.Сорокин, Р.Я.Зелинский, С.П.Курчаткин, Ю.В.Коломзаров Ориентационные параметры и електрооптические характеристики SBE-эффекта в НЖК// В кн.: “ Состояние, переспективы и применения крупногабаритных экранов для вычислительной техники“. Материалы Всесоюзного симпозиума “Дисплей - 90“.- Саратов.-1990.-С.31-32

12. В.Сорокин, Р.Зелинский, Ю.Коломзаров, А.Чеховой, В.Белый. Жидкокристаллические светоклапанные устройства для защиты органов зрения.// В кн.: Современные средства отображения информации. Материалы Y Международного симпозиума.- Минск.- 1996.- С.182-185.

13. Устройство для нанесения ориентирующих пленок: А.с. 1492736 СССР, Аношкин А.В., Зелинский Р.Я., Кузьмин Н.Г., Севостьянов В.П.,Сорокин В.М. / Заявлено 20.07.87. Видано 8.03.89.

14. Акустооптичский преобразователь. А.С.999810.Сорокин В.М., Маглеванный В.И., Безручко В.М., Олексенко П.Ф., Зелинский Р.Я / Заявлено 31.08.81. Видано 21.10.82.

15. Зелинский Р.Я., Олексенко П.Ф., Сорокин В.М. Модуляция излучения на границе раздела изотропный диэлектрик - одноосный жидкий кристалл при вращении оптической оси в плоскости, перпендикулярной плоскости падения и границе раздела/ Ред. “Ж. прик. спектрорскопия” АН БССР. Минск,1985, 8 с., ил.,библиогр. 6 назв. Деп. в ВИНИТИ рег. №5297-85. // Анот. в ж. Ж П С .-1985.- т.43.-в.5.-С.866.

16. Sorokin V., Kuzmin N.G., Oleksenko P., Kolomzarov Y.V. Zelinski R., Semenist V.N. Investigation of methods for molecular alignment in nematic and smectic liquid crystal displays// Abstracts of the Europeаn Conf. on Liq.Crys., Cour-Mayeur-Valle d"Aosta-Italia, 10-16 March, 1991, Р.37.

17. Zelinskiy R., Sorokin V., Oleksenko P. The Light Modulator on Electrooptic Effect on the Interface Glass - NLC.// Abstracts of the 11 ^th Confertence on Solid and Liquid Crystals - Material Science and Applications.- Zacopane - Poland., 23-27 Octob.- 1994.-Р.42

18. R.Zelinskiy, P.Oleksenko, V.Sorokin, A.Sorokin. Investigation of the processes of reaction-relaxation in bistable cholesteric liquid crystals// Abstracts of the 10^th SID Symposium”Advance Display Technologie”, Minsk, Belarus, September 18-21.- 2001.- Р.10.

19. V. Sorokin, S.Valyukh, A. Sorokin, R Zelinskyy. Characterization of LCD/ / Abstracts of the 10^th SID Symposium” Advance Display Technologies”, Minsk, Belarus, September 18-21.- 2001.- Р.14.

20. V.Sorokin, S.Valyukh, R.Zelinskyy, A.Rybalochka, A.Sorokin/ Display measuring System SV-100/ Abstracts of the 11^th SID Symposium”Advance Display Technologie” Crimea, Ukraine, September 8-12.- 2002.-Р.48.

Размещено на Allbest.ru

...