Висококонтрастні рідкокристалічні модулятори лазерного випромінювання

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Висококонтрастні рідкокристалічні модулятори лазерного випромінювання

Сушинський Орест Євгенович

Львів - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електронних приладів Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук, доцент,

ЛОПАТИНСЬКИЙ Іван Євстахович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

завідуючий кафедрою фізики.

Офіційні опоненти доктор фізико-математичних наук, професор

КУРИК Михайло Васильович

Інститут фізики НАН України,

завідуючий відділом молекулярної фотоелектроніки

доктор технічних наук, професор

ЦІЖ Богдан Романович

Львівська державна академія ветеринарної

медицини ім. С.З.Гжицького, завідувач

кафедрою загально технічних дисциплін

Провідна установа Інститут фізики напівпровідників Національної

академії наук України, відділ рідких кристалів.

Захист дисертації відбудеться 27 серпня 2004 року о 14 30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. Ст. Бандери, 12)

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. Професоррська, 1).

Автореферат розісланий “ 23 ” липня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, Заячук Д. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В пристроях обробки та відображення інформації широко використовуються рідкі кристали (РК). Таке використання пояснюється унікальними властивостями РК, які дозволяють створювати конструктивно прості, економічні, мініатюрні пристрої, сумісні з інтегральною схемотехнікою. На сьогоднішній день на основі електрооптичних ефектів в РК створено індикатори, модулятори, дефлектори випромінювання, рідкокристалічні дисплеї, оптичні процесори та ін. Найбільш широке використання знайшли “твіст” - та “супертвіст” - ефекти. Перевагою цих ефектів є низькі напруги керування, а основним недоліком - втрати випромінювання внаслідок наявності поляризаційної оптики. З точки зору використання в приладах обробки оптичної інформації перспективним є ефект холестерико-нематичного переходу (ХНП) в індукованих холестериках. Він полягає в переході рідкого кристала від сильнорозсіюючої конфокальної текстури холестерика до прозорого гомеотропного нематика під дією електричного поля, причому модифікацією властивостей РК-матеріалу можна задавати необхідні електрооптичні параметри створюваних пристроїв.

Сучасний розвиток інтегральної оптики зумовив розвиток пристроїв на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах. Тому існує необхідність створення рідкокристалічних модуляторів лазерного випромінювання, особливо для ІЧ-діапазону випромінювання, в якому працює більшість таких приладів. Застосування ефекту холестерико-нематичного переходу - перспективне, у зв'язку з тим, що він не потребує використання поляризаційної оптики, однак зараз йому притаманне низьке значення величини контрасту, що обмежує його використання. Питання дослідження ефекту холестерико-нематичного переходу в індукованих холестериках і пошук методів підвищення величини контрасту з метою створення модуляторів лазерного випромінювання є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження дисертаційної роботи проводились у відповідності з тематичними планами науково-дослідних держбюджетних і госпдоговірних робіт у Національному університеті ”Львівська політехніка” з 1999 до 2004 року:

1. ”Дослідження та розробка активних феримагнітних та рідкокристалічних середовищ для елементів електронної техніки” (номер ДР 0198U002344);

2. ”Розробка нових структур та сенсорів фізичних величини на основі рідкокристалічних та магнітних матеріалів” (номер ДР 0100V000486).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в дослідженні фізичних процесів розсіювання лазерного випромінювання видимого та ближнього інфрачервоного діапазонів у рідкокристалічних матеріалах та розробці висококонтрастних рідкокристалічних модуляторів лазерного випромінювання.

Основними завданнями досліджень для досягнення поставленої мети, були:

Вивчення фізичних процесів розсіювання лазерного випромінювання в шарі індукованого холестерика.

Дослідження впливу зміни довжини хвилі лазерного випромінювання на характер розсіювання в шарі індукованого холестерика.

Побудова математичної моделі розсіювання лазерного випромінювання в індукованих холестериках. модулятор лазерний випромінювання

Розробка нових багатошарових висококонтрастних рідкокристалічних модуляторів лазерного випромінювання видимого і ближнього інфрачервоного випромінювання.

Об'єкт дослідження. Холестерико-нематичний перехід в індукованих холестериках, а також процеси розсіювання лазерного випромінювання в процесі його протікання.

Предмет дослідження. Індуковані холестерики на основі нематичної суміші ціанобіфенілів та оксиціанобіфенілів зі слабополярним ЖК-440 (азоксисполуки) з нерідкокристалічною домішкою ВІХН-3 і оптично активною домішкою на основі n - гексиловий ефір - n - октилбензойної кислоти та ефірами холестерину ряду одноосновних карбонових кислот, а також конструкції модуляторів на їх основі.

Методи дослідження. Малокутове розсіювання лазерного випромінювання, інфрачервона спектроскопія, мікроскопічні дослідження рідкокристалічних матеріалів, комп'ютерне моделювання, аналіз одержаних електрооптичних характеристик.

Наукова новизна одержаниж результатів.

Розроблено математичну модель процесу розсіювання лазерного випромінювання в індукованих холестериках, в основу якої покладено ототожнення розсіюючих частинок з доменною структурою, що утворюється при накладанні електричного поля в процесі текстурного та холестерико-нематичного переходів, а також встановлений вклад селективного розсіювання на холестеричній спіралі.

Розроблено новий вимірювальний комплекс із використанням мікропроцесорного контролера для підвищення точності експериментальних досліджень.

Виявлено і враховано вклад багатократного розсіювання в загальній моделі розсіювання при протіканні холестерико-нематичного переходу, а також враховано полідисперсний стан рідкокристалічних сумішей при зростанні величини керуючого поля в процесі холестерико-нематичного переходу.

Виявлено, що збільшення концентрації оптично активної домішки в нематичній матриці приводить до збільшення розмірів конфокальних доменів і зростання їх концентрацій і, як наслідок, зростання розсіювання на цих доменах, що зумовлює зростання величини контрасту, яке приводить до зростання глибини модуляції.

Розроблена нова двошарова конструкція рідкокристалічного модулятора лазерного випромінювання для довжин хвиль в діапазоні від 0,63 до 3,39 мкм, який забезпечив величину контрасту 1 : 85 з керуючою напругою від 6 В і граничною частотою модуляції 50 Гц.

Новизна практичних розробок захищена патентами.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведеної роботи є базовими для створення та розробки нових висококонтрастних рідкокристалічних модуляторів лазерного випромінювання для видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання. Встановлено взаємозв'язок між процесами розсіювання лазерного випромінювання та частотно-модуляційними характеристиками розробленого рідкокристалічного модулятора. Теоретичні результати дисертації використано при виконанні держбюджетних науково-дослідних робіт в лабораторії НДЛ-3 Національного університету “Львівська політехніка” в лекційному курсі “Рідкокристалічні матеріали в біології та медицині”.

Особистий внесок здобувача. Наведені в роботі результати досліджень проведені автором особисто, а також у співпраці зі співробітниками лабораторії рідких кристалів кафедри електронних приладів Національного університету “Львівська політехніка”.

Автором вперше запропоновано шляхи підвищення величини контрасту для рідкокристалічних модуляторів лазерного випромінювання на основі індукованих холестериків із використанням багатошарової структури [1, 3, 5]. Автором проведені дослідження процесу розсіювання світла в шарі індукованого холестерика при протіканні холестерико-нематичного переходу. Досліджено і обґрунтовано вплив двох процесів розсіювання, а саме, розсіювання на конфокальних доменах [4, 10, 13] і селективного розсіювання на холестеричній спіралі [2, 9, 15] на електрооптичні властивості рідкокристалічних модуляторів лазерного випромінювання. Створено нові конструкції рідкокристалічних модуляторів із високим значенням контрасту [20], модуляторів для потужного лазерного випромінювання [6, 19].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на таких конференціях:

3ій і 4ий Міжнародні симпозіуми Microelectronic Technologies and Microsystems. Kosice (Poland), 1999, Zwickau (Germany), 2000.

Міжнародні конференції European conference on liquid crystals. - Zakopane (Poland). - 1997 і Crete (Greece). - 1999.

XIII і XIV Міжнародні конференції Conference on Liquid Crystals “Chemistry, Physics and Applications”. Krynica (Poland). - 1999, Zakopane (Poland). 2001.

Конференція Advaces in Non-impact Printing tecnologies. South Carolina (USA) . - 1996.

VIII International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. Puerto Rico (USA). 1999.

International Conference on Modelling & Simulation. Lviv (Ukraine). 2001.

International Conference on Optoelectronic Information Technologies “Optoelectronic Information - Energy Technologies”. Vinnytsia (Ukraine). 2001.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 22 роботи, з них 4 патенти, 6 статей в українських та зарубіжних виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, переліку умовних скорочень, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури. Обсяг дисертації 139 сторінок машинописного тексту, вона містить 64 рисунки і 7 таблиць. Список використаних джерел містить 91 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета та задачі досліджень, наведена наукова новизна дисертації та її практична цінність. Представлені відомості про апробацію роботи та публікації.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан розробки модуляторів випромінювання, як твердотільних, так і рідкокристалічних. Проведено огляд модуляторів випромінювання, які дозволяють здійснювати амплітудну модуляцію світла. Особливий акцент зроблено на рідкокристалічних модуляторах лазерного випромінювання на ефекті холестерико-нематичного переходу. Проводився огляд модуляторів лазерного випромінювання на ефекті динамічного розсіювання світла, твіст - та супер - твіст ефектах.

Показано, що на даний час існує проблема у створенні ефективних висококонтрастних модуляторів лазерного випромінювання. З цієї точки зору перспективним є дослідження холестерико-нематичного переходу в індукованих холестериках і створення на його основі модуляторів лазерного випромінювання, особливо, для ІЧ-діапазону лазерного випромінювання. Оскільки, цей ефект відноситься до розсіюючих і не потребує використання поляризаційної оптики, що є найбільш актуальним, особливо, в ІЧ-діапазоні, в якому зростає поглинання лазерного випромінювання.

У другому розділі проаналізовано сучасний стан досліджень механізмів утворення індукованої спіральної структури, фізичних процесів деформації холестеричної спіралі під дією електричного поля, проведено аналіз теорій світлорозсіювання.

Досліджувались індуковані холестеричні суміші з . Нематичними матрицями були серійна суміш на основі ціанобіфенілів (СЖК), 4_пентил-4-ціанобіфеніл (5ЦБ), суміш азоксисполук (ЖК-440). Були використані (до 3 ваг. %) як оптично-активні домішки ефіри холестеририну, члени гомологічного ряду одноосновних карбонових кислот, а також домішка на основі n - гексиловий ефір - n- октибензойної кислоти (ОАД1) і нерідкокристалічна домішка ВІХН-3. Використання немезогенної домішки ВІХН - 3, обумовлене високою закручуючою здатністю.

Експериментальна установка для вимірювання кутової залежності інтенсивності розсіяного світла при фіксованій довжині хвилі зібрана на основі рентгенівського гоніометра ГУР, який дозволив фіксувати кут розсіювання з точністю 20. В якості джерела світла використовувався одномодовий гелій-неоновий лазер з довжинами хвиль 0,63 мкм, 1,15 мкм та 3,39 мкм, а також лазер на GaAs з довжиною хвилі 0,84 мкм та лазер на ітрій-алюмінієвому гранаті з неодимом з довжиною хвилі 1,06 мкм. Приймачем розсіяного випромінювання служив фотопомножувач з діафрагмою. З метою коректного визначення потужності джерел випромінювання а також оптимізації їх величин використовувався вимірювач потужності ІMO.

Для підвищення точності вимірювання і спрощення експериментальних досліджень розроблено новий експериментальний комплекс на основі спеціалізованого мікропроцесора в якості проміжної ділянки між персональним комп'ютером і вимірювальним комплексом. Було вибрано мікроконтролер типу CY8C26643 фірми Cypress MicroSystems із набором реконфігурованих аналогових та цифрових периферійних модулів архітектури PSoC (Programmable System on Chip). Експериментальний комплекс дозволив провести вимірювання електрооптичних характеристик рідкокристалічного модулятора, а саме, вольт-контрастних, модуляційних характеристик в динамічному режимі, тобто всі зміни реєструвались на моніторі комп'ютера із одночасним контролем температури рідкокристалічної комірки. На рідкокристалічний модулятор подались два типи сигналу прямокутної і трикутної форм, із такими параметрами: частота сигналу до 100 кГц, напруга керування до 15 В. Точність вимірювання напруги становила 0,2 В, в температурному інтервалі від 289 К до 325 К і з точністю 0,3 К.

В даному розділі дана оцінка розмірам розсіюючих частинок індукованих холестериків. ЇЇ можна було провести, вимірюючи спектральну залежність прозорості рідкокристалічного шару. Внаслідок складної залежності показника заломлення від довжини хвилі випромінювання, особливо в середній інфрачервоній області, цей метод є малопридатним. Основним методом для вирішення проблеми вибрано метод кутової залежності інтенсивності розсіяного світла при фіксованій довжині хвилі. Дослідження проводились на довжинах хвиль 0,63 мкм, 0,84 мкм, 1,06 мкм, 1,15 мкм та 3,39 мкм.

Основним параметром, що визначає індикатрису розсіювання та прозорість системи, згідно з теорією розсіювання світла на ”м'яких” частинках є величина:

де R - радіус розсіюючої частинки.

Характер розсіювання буде визначатися співвідношенням величини та довжини хвилі , або лінійних розмірів розсіюючих частинок R та довжини хвилі . Наближення Релея-Ганса застосовується у випадку, коли відносний показник заломлення рідкого кристала близький до 1 і розміри розсіюючих частинок знаходяться в межах довжини хвилі.

Для розрахунку кутового розподілу інтенсивності розсіяного світла в наближенні Релея - Ганса використовувалась формула:

(1)

де I(,R) інтенсивність світла, розсіяного під кутом до напрямку падаючого світла, I0 інтенсивність падаючого випромінювання, v об'єм розсіюючої частинки,

Використання приведеної індикатриси (рис. 1), нормованої на інтенсивність світла, розсіяного вперед, дозволило провести коректне порівняння з експериментальною залежністю:

(2)

З метою одержання максимального узгодження розрахованих та експериментальних індикатрис і визначення ефективного розміру розсіюючих центрів змінна у рівнянні (2) змінювалась як параметр до отримання максимального збігу розрахованих і експериментальних індикатрис. Якщо теоретичні індикатриси не повністю збігаються з експериментальними, то розходження може зумовлюватися значною полідисперсністю системи. Із наведених вище залежностей світлорозсіювання на різних довжинах хвиль випливає, що найбільший збіг спостерігається для довжини хвилі 0,63 мкм і 0,84 мкм (рис. 1, а, б). Це пояснюється більшою кількістю в зразку частинок з розміром від 1,5 до 4 мкм на довжині хвилі 0,63 мкм, а для 0,84 мкм характерними є розміри частинок від 4 до 8 мкм. Це пояснюється тим, що система є полідисперсною, тобто при зміні довжини хвилі розсіювання на частинках буде тим ефективнішим, чим більше частинок, розмір яких збігається з довжиною хвилі випромінювання. При збільшенні довжини хвилі до 1,06 мкм (рис. 1, в) хід індикатрис змінюється і можна говорити про те, що індикатриси характеризуються строгою напрямленістю в області малих кутів, а в області кутів від 14 до 26 виникають максимуми, які зміщуються при збільшенні керуючої напруги в напрямку центрального максимуму. При 4 В (рис. 1, г) формується строго напрямлений центральний максимум і додаткові окремі дифракційні максимуми першого і другого порядку. А при 8 В центральний максимум ще більше звужується, а додатковий зростає за інтенсивністю. Це може свідчити про завершення процесу переорієнтації осей холестеричних спіралей в напрямку, перпендикулярному до вектора електричного поля. Збільшення інтенсивності такого максимуму супроводжується зсувом у напрямку центрального, що пояснюється процесом розкручування холестеричної спіралі. Строга напрямленість індикатрис розсіювання характерна для довжин хвиль 1,15 мкм і 3,39 мкм (рис. 1, г, д), в яких також спостерігаються максимуми. Це значить, що інтенсивність нормальної компоненти випромінювання джерела спільно з розсіюванням на холестеричних спіралях є на декілька порядків вища, ніж розсіювання дифузною компонентою, тобто розсіювання на частинках.

Для врахування розсіювання світла полідисперсною системою в наближенні одноразового розсіювання використовувалась індикатриса I(), розрахована за формулою:

(3)

де F(R) - спектр частинок у системі.

Як видно з рис. 2, функція F(R) при напрузі 4 В має три максимуми, причому два є менш інтенсивними при R = 0,83 мкм і при R = 1,3 мкм і один більш інтенсивний при R = 2,1 мкм. При напрузі 4 В спостерігаємо утворення конфокальної холестеричної структури, причому характерне існування частинок різного розміру і в різній кількості, про що можна судити з площ цих кривих, що свідчить про полідисперсність системи. Як виявилось, частинок з радіусом 2,1 мкм є в 15 разів більше ніж частинок радіусом 0,83 мкм. Крива розподілу при напрузі 6 В , характеризується ростом напруги на зразку і зростанням кількості частинок із більшим розміром, що пояснюється переорієнтацією холестеричних спіралей у процесі холестерико-нематичного переходу і утворенням частинок більшого розміру до 5 мкм. Із співставлення цих кривих видно, що при збільшенні величини поля система стає більш полідисперсною, що пояснюється переорієнтацією і розкручуванням холестеричних спіралей з утворенням доменів різного розміру, а саме від 1,5 мкм до 5 мкм.

Для визначення величини неоднорідності додатково було проведено розрахунок парної кореляційної функції. Кореляційна функція визначалася за формулою:

(4)

де:

Результатом врахування багаторазового розсіювання в рамках геометричної оптики, можна вважати гаусову форму індикатриси розсіювання, яка описується виразом, де А = const, a - півширинa лінії:

(5)

Залежність інтенсивності розсіяного світла від квадрата кута розсіювання при різних напругах на зразку. Якщо побудована залежність інтенсивності розсіювання від квадрата кута розсіювання за певної напруги на зразку набуває лінійного характеру, це свідчить про те, що багаторазовим розсіюванням для цих значень поля нехтувати не слід. Багатократне розсіювання виникає при великих концентраціях розсіюючих частинок, тобто тоді коли відстань між частинками є меншою двох діаметрів. Коли відбувається процес утворення конфокальних доменів а потім розкручування і руйнування холестеричних спіралей, частинки які при цьому утворюються, характеризуються великою концентрацією в одиниці об'єму рідкого кристала і різними розмірами, що приводить до багатократного розсіювання. Як випливає з рисунка, при напругах від 4 В до 6 В система характеризується багатократним розсіюванням, що пояснюється наявністю в зразку великої кількості частинок різних розмірів, тобто зразок знаходиться в стадії формування конфокальних доменів. При збільшенні напруги до 10 В, коли відбувається розкручування холестеричних спіралей і руйнування конфокальних доменів, тобто коли холестерик переходить у прозорий нематичний стан, багатократним розсіюванням можна нехтувати.

З метою підтвердження теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень кутової залежності інтенсивності розсіяного світла було проведено оптичні дослідження, які підтвердили достовірність отриманих експериментально і теоретично розрахованих результатів.

У третьому розділі наведено основні фізико-хімічні параметри рідких кристалів та їх сумішей, що використовувались як об'єкти досліджень.

Дослідження проводились на одношарових структурах рідкокристалічної комірки та на запропонованих нами двошарових структурах.

Запропоновано методику автоматизації вимірювань електрооптичних характеристик із використанням сучасних засобів обчислювальної і мікропроцесорної техніки.

Для підвищення точності температурного контролю процесу дослідження рідкокристалічних сумішей пропонується використання мікропроцесорного контролера, фірми Cypress MicroSystems із набором реконфігурованих аналогових та цифрових периферійних модулів архітектури PSoC (Programmable System on Chip). Процесори сімейства PSoC мають у своєму розпорядженні 12 аналогових та 8 цифрових модулів. На основі аналогових модулів були реалізовані фільтри різних типів, змішувачі сигналів, підсилювачі, аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі різних типів. Функції кожного з аналогових та цифрових модулів визначалися вмістом відповідних регістрів керування. Шляхом зміни вмісту цих регістрів під час виконання програми різні реконфігуровані модулі виконували різні функції в різні моменти часу. Зокрема, для вимірювання струму два аналогових модулі сконфігуровані як інструментальний підсилювач. Для вимірювання напруги один з цих модулів слугував в якості підсилювача зі змінним коефіцієнтом підсилення. Такий вимірювальний комплекс дозволив оптимізувати електрооптичні вимірювання і спростити експериментальну установку.

У четвертому розділі викладено результати експериментальних досліджень властивостей індукованих холестеричних систем на основі нематичних сполук з різним процентним складом холестеричної компоненти.

Введення в нематичний рідкий кристал хіральних молекул приводить до утворення закрученої надмолекулярної структури, період якої характеризується величиною Р0 - кроком спіралі. Величина Р0 залежить від так параметрів: концентрації домішки, товщини зразка, енергії міжмолекулярних взаємодій між молекулами нематика і холестерика. При невеликих концентраціях власний крок немато-холестеричної суміші визначається за формулою:

Р 0 =1/С,

де С - концентрація холестерика в нематику, мікроскопічна сила закручування хіральних молекул.

Проведено оптимізацію складу сумішей індукованих холестерикиів з метою вибору тих сумішей, кроки яких були сумірними з довжинами хвиль лазерного випромінювання. Мінімальний крок був досягнутий для суміші на основі нематичної матриці 20 % 5ЦБ + 80 % ЖК-440 із 3 % холестерипропіонату.

Збільшення концентрації оптично активної домішки в нематичній матриці приводить до зростання концентрації розсіюючих центрів і до зменшення величини кроку індукованої спіралі.

Встановлено, що збільшення шарів рідкого кристала приводить до зростання відносного значення контрасту, що пов'язано зі збільшенням кількості розсіюючих світло частинок. Збільшення відносної величини контрасту при збільшенні довжини хвилі лазерного випромінювання для суміші індукованого холестерика пояснюється виконанням умови селективного розсіювання, оскільки величина кроку надмолекулярної спіральної структури стає сумірною з довжиною хвилі лазерного випромінювання

Характер залежності мінімальної інтенсивності світла, що пройшло через РК в процесі холестерико-нематичного переходу, від співвідношення d/P0 свідчить про переважання механізму розсіювання випромінювання видимого діапазону (0,63мкм) на неоднорідностях (доменах) конфокальної текстури НХС, але при збільшенні довжини хвилі головну роль у процес розсіювання вносить селективна складова, яка на довжині хвилі 3,39мкм (для суміші на основі нематичної матриці СЖК із 1,7% ВІХН-3) має домінуючий характер.

Дослідження показали, що збільшення концентрації оптично активної домішки в суміші приводить до зростання величини глибини модуляції. Глибина модуляції двошарової рідкокристалічної комірки зростає у порівнянні з одношаровою, що пояснюється зростанням відносної величини контрасту. Часи ввімкнення і вимкнення залишились незмінними у порівнянні з одношаровою структурою, оскільки при було використано паралельне електричне підключення двох рідкокристалічних комірок.

Запропонована нова багатошарова структура рідкокристалічного модулятора лазерного випромінювання на ефекті холестерико-нематичного переходу, та проведено її оптимізацію. Робоча область функціонування рідкокристалічного модулятора (рис. 7) визначається значенням величин контрасту і поглинання.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

Теоретично та експериментально встановлено, що характер розсіювання лазерного випромінювання в шарі індукованого холестерика залежить від довжини хвилі лазерного випромінювання, а саме:

при умові, коли значення кроку індукованої спіралі P0 набагато перевищує значення довжини хвилі випромінювання , основний вклад у розсіювання вносить розсіювання на конфокальних доменах, причому ефективність розсіювання буде визначатися концентрацією доменів;

коли значення кроку індукованої спіралі P0 прямує до значення довжини хвилі лазерного випромінювання , а саме, становить P0 = 1 … 2 , вклад у процес розсіювання вносять як селективна складова, так і розсіювання на конфокальних доменах;

коли значення кроку P0 сумірне зі значенням довжини хвилі лазерного випромінювання , а саме P0 = 0,3 … 0,5 , спостерігаємо розсіювання на холестеричній спіралі.

Розроблено математичну модель процесу розсіювання лазерного випромінювання в індукованих холестериках, в основу якої покладено ототожнення розсіюючих частинок з доменною структурою, що утворюється при накладанні електричного поля в процесі текстурного та холестерико-нематичного переходів. Показано, що зразок індукованого холестерика характеризується значною полідисперсністю, що пояснюється наявністю в зразку частинок різного розміру від 0,5 мкм до 10 мкм.

Встановлений характер багатократного розсіювання на конфокальних доменах. Показано, що при зростанні величини керуючого поля, а саме, в процесі утворення конфокальних доменів багатократне розсіювання має значний вплив, а при переході до нематичного стану багатократним розсіюванням можна нехтувати.

Виявлено, що збільшення концентрації оптично активної домішки в нематичній матриці приводить до збільшення розмірів конфокальних доменів і зростання їх концентрації і, як наслідок, зростає розсіювання на цих доменах, що приводить до збільшення контрасту, що, в свою чергу, спричиняє зростання глибини модуляції рідкокристалічного модулятора.

Розроблено новий експериментальний вимірювальний комплекс із використанням програмованого мікропроцесорного контролера, що дозволило суттєво спростити експериментальне устаткування і підвищити точність вимірювань, а саме, напруги 0,2 В, температури 0,3 К.

Розроблено нову двошарову структуру висококонтрастного рідкокристалічного модулятора лазерного випромінювання на основі холестерико-нематичного переходу з високим значенням контрасту 1 : 85 при збережені малих керуючих напруг 6 В, часів увімкнення 100 мс і вимкнення 200 мс, за рахунок збільшення концентрації розсіюючих центрів, шляхом встановлення додаткової рідкокристалічної комірки і паралельного електричного з'єднання.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

Лопатинський І. Є., Сушинський О. Є. Висококонтрастні рідкокристалічні модулятори лазерного випромінювання // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки. 2003. № 491. С. 75 81.

Дисертантом проведені експериментальні електрооптичні дослідження висококонтрастних модуляторів лазерного випромінювання на основі подвійних структур.

Микитюк З. М., Сушинський О. Є., Черпак В. В., Іваницький В. Г. Селективне розсіювання на конфокальних доменах індукованих холестериків // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Сер. Електроніка. - 2001. № 483. С. 86 92.

Дисертантом проведено математичне моделювання процесів розсіювання лазерного випромінювання на конфокальних доменах і визначено вплив селективної компоненти в загальний процес розсіювання.

Микитюк З. М., Сушинський О. Є., Черпак В. В., Іваницький В. Г., Даламбаяр Б. Багатофункціональний рідкокристалічний сенсор // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки. - 2001. № 427. С. 143 149.

Дисертантом запроновано шляхи підвищення чутливості рідкокристалічного сенсора за рахунок використання багатошарової структури рідкокристалічної комірки.

Микитюк З. М., Сушинський О. Є., Черпак В. В., Іваницький В. Г. Розсіювання світла на конфокальних доменах в індукованих холестериках // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Сер. Електроніка. 2000. № 397. С.70 77.

Дисертантом запропоновано використання наближення Релея-Ганса для створення моделі розсіювання лазерного випромінювання на конфокальних доменах в індукованих холестериках.

Микитюк З. М., Сушинський О. Є., Черпак В. В., Нуцковський М. С. Електрооптика подвійних РК структур // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки . 2000. № 393. С.134 137.

Дисертантом проведені порівняльні експериментальні дослідження електрооптичних характеристик рідкокристалічних модуляторів на основі одно- і двошарових структур.

Mikityuk Z., Semenova J., Sushinsky O., Nutskovsky M. Liquid crystal modulator of laser radiation for high-power lasers of infrared range of spectrum // Molecular Crystal & Liquid Crystal. - 1998. Vol. 1123. - P. 1 5.

Дисертант брав участь у підготовці і проведенні експериментів із дослідження електрооптичних характеристик рідкокристалічного модулятора для потужного лазерного випромінювання.

Lopatynsky I., Sushynskiy O., Gotra O., Stadnyk B. Microelectronic sensor of physical quantities on based on electrooptical effects in liquid crystals // Proc. 4th International Symposium on Microelectronic Technologies and Microsystems. Zwickau (Germany). 2000. P. 156 162.

Дисертант брав участь у проведенні і обговоренні результатів експерименту зі створення мікроелектронного сенсора фізичних величин на основі рідких кристалів.

Mykytyuk Z., Sushynskyy O., Cherpak V., Dalambayar B. Frequency-amplitude transformer on LC cells for frequency indicator // Proc. 4th International Symposium on Microelectronic Technologies and Microsystems. Zwickau (Germany). 2000. P. 56 61.

Дисертантом запропоновано використання рідкокристалічних комірок в якості частотно-амплітудного перетворювача.

Mykytyuk Z., Sushynskyy O., Semenova J., Dalambayar B. Light scattering in induced cholesterics: the role of scattering on domains and selective scattering. // Proc. XIV Conference on Liquid Crystal “Chemestry, Physics and Applications”. Zakopane (Poland). 2001. P. 12 18.

Дисертантом досліджено спільний впив двох складових розсіювання, а саме, селективного розсіювання і розсіювання на конфокальних доменах у загальний процес розсіювання світла на конфокальних доменах.

Mikityuk Z., Sushynsky O., Fechan V. Modelling of scattering process on focal-conic domains during the cholestsric-nematic transition// Proc of XIII Conference on Liquid Crystals “Chemistry, Physics and Applications”. Krynica (Poland). - 1999. - P. 24 31.

Дисертантом проведено математичну обробку експериментальних досліджень розсіювання лазерного випромінювання в процесі холестерико-нематичного переходу.

Mikitiuk Z., Sushynsky O., Fechan A., Nevmerzhytska O. The Anomalous behavior of inversed CNPT critical Field // Abstract of European conference on liquid crystals. - Zakopane (Poland). - 1997. P. 336.

Дисертант брав участь у проведенні експериментальних досліджень з визначення критичних полів холестерико-нематичного переходу.

Gotra Z., Mykytyuk Z., Sushynskiy O., Zayats R., Sopilnyk L. Multifunctional liquid crystal sensor // Proc. of the 3rd International Symposium on Microelectronics Technology and Microsystems. Kosice (Poland). 1999. P. 88 92.

Дисертант брав участь у створнені і дослідженні електрооптичних характеристик багатофункціональних сенсорів на основі індукованих холестериків.

Mikityuk Z., Sushynsky O., Semenova J. Texture Transformations In Induced Cholesteric Layer During Cholesteric-Nematic Transition // Abstract of European conference on liquid crystals. - Crete (Greece). - 1999. - P. 23.

Дисертант брав участь у експериментальних дослідженнях текстурних перетворень в індукованих холестериках.

Mykytuk Z., Kalita W., Gotra O., Sushynskyy O., Ivanytskyy V. Mode selector based on the controlled refraction // Proc. of International Conference on Modelling & Simulation. Lviv (Ukraine). 2001. P. 172 173.

Дисертант брав участь у дослідженні і створенні селектора мод на основі розсіюючого ефекту в індукованих холестериках.

Mikityuk Z., Sushynsky O., Zayats R. Cholesteric Spiral Pitch, Focal-Conic Domains and Light Scattering Process in Induced Cholesterics // Abstract of VIII International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals. Puerto Rico (USA). 1999. - P. 27.

Дисертантом проведено аналіз процесів розсіювання лазерного випромінювання на конфокальних доменах в індукованих холестериках.

Gotra Z., Sushynsky O., Pryshliak M. Liquid crystal material for multifunctional IR-spectrum sensor // Abstract of the International Conference on Optoelectronic Information Technologies “Optoelectronic Information - Energy Technologies”. Vinnytsia (Ukraine). 2001. P. 167.

Дисертантом запропоновано використання індукованих холестериків в якості активного середовища для багатофункціонального сенсора ІЧ-діапазону.

Mikityuk Z.M., Sushynsky O., Semenova J.V., Nutskovkiy M.S. The Stabiliser of Laser Radiation With Using of Cholesteric-Nematic Phase Transition Effect // Abstract of Advaces in Non-impact Printing tecnologies. South Carolina (USA) . - 1996. - P. 16.

Дисертант брав участь у проведенні експериментальних досліджень зі створення стабілізатора лазерного випромінювання на основі холестерико-нематичного переходу.

Mikityuk Z., Sushynsky O., Zayats R. Fluctuation smectic modes and elasticity constants cholesterics // Abstract of XIII Conference on Liquid Crystals “Chemistry, Physics and Applications”. Krynica (Poland). - 1999. - P. 15.

Дисертантом проведена комп'ютерна обробка експериментальних даних з визначення пружних констант індукованих холестериків.

Пат. 29677А Україна, МКI G 02 F 1/13. Спосіб виготовлення модуляторів ІЧ-випромінювання / Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Нуцковський М.С., Вернікова Л.М. (Україна). № 96103771; Заявл. 01.10.1996; Опубл. 15.11.2000; Промислова власність. Офіційний бюл. 2000, № 6 С. 11.

Дисертантом запропоновано створення модулятора на основі високотемпературних термотропних рідкокристалічних холестеричних сумішей для потужного лазерного випромінювання.

Пат. 44398 А Україна, МКІ G 02 F1/13. Спосіб виготовлення рідкокристалічного модулятора / Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Нуцковський М.С., Іваницький В. Г. (Україна). № 20031577; Заявл. 21.03.2000; Опубл. 15.02.2002; Промислова власність. Офіційний бюл. 2002, № 2. С 34.

Дисертантом запропонована конструкція рідкокристалічного модулятора на основі багатошарових структур.

Пат. № 48576 А Україна, МКІ G 02 F1/13. Селектор довжин хвиль випромінювання / Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В. Г. (Україна). № 20247587; Заявл. 15.05.2000; Опубл. 15.08.2002; Промислова власність. Офіційний бюл. 2002, № 8. С 18.

Дисертант брав участь у створенні селектора довжин хвиль лазерного випромінювання і дослідженні його характеристик і розрахунку його параметрів.

Пат. № 48577 А Україна, МКІ G 02 F1/13. Світловодний рідкокристалічний дисплей / Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В. Г. (Україна) Даланбаяр Б. (Монголія). № 20247591; Заявл. 17.05.2000; Опубл. 15.08.2002; Промислова власність. Офіційний бюл. 2002, № 8. С 27.

Дисертант брав участь у проведенні математичних розрахунків системи хвилевід-чвертьхвилева пластина та впливу селективного дзеркала.

АНОТАЦІЯ

Сушинський О.Є. Висококонтрастні рідкокристалічні модулятори лазерного випромінювання.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем, Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню фізики процесів розсіювання лазерного випромінювання в немато-холестеричних сумішах та створенню рідкокристалічних модуляторів із високим значенням контрасту. Створена теоретична модель розсіювання лазерного випромінювання в індукованих холестериках, в якій зроблено ототожнення розсіюючих центрів із конфокальною доменною структурою, а також встановлено вплив селективної компоненти на загальний процес розсіювання. Показано, що в процесі холестерико-нематичного переходу система характеризується значною полідисперсністю, а саме, наявністю в зразку частинок різного розміру від 0,5 мкм до 10 мкм. Врахований вплив багатократного розсіювання. Теоретична модель експериментально підтверджена дослідженнями кутового розподілу інтенсивності розсіювання світла, а також оптичними дослідженнями. Виявлено, що при збільшенні концентрації оптично активної домішки в нематичній матриці збільшуються розміри і концентрація конфокальних доменів і, як наслідок, зростає розсіювання на цих доменах, що приводить до зростання величини контрасту. Створена нова багатошарова конструкція рідкокристалічного модулятора лазерного випромінювання на основі ефекту холестерико-нематичного переходу і проведена її оптимізація.

Ключові слова: індукований холестерик, холестерико-нематичний перехід, розсіювання лазерного випромінювання, рідкокристалічний модулятор.

АННОТАЦИЯ

Сушинский О.Е. Высококонтрастные жидкокристаллические модуляторы лазерного излучения.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.01 - Физика приборов, элементов и систем, Национальный Университет “Львивська политехника”, Львов, 2004.

В диссертационной роботе рассмотрена физика процесса рассеивания лазерного излучения в немато-холестерических смесях и создание жидкокристаллических модуляторов с высоким значением контраста. Создана теоретическая модель рассеивания лазерного излучения, в которой сделано отождествление центров рассеивания с конфокальной доменной структурой, а также установлен вклад селективной компоненты в общий процесс рассеивания. Установлено, что в процессе холестерико-нематического перехода система характеризируется значительной полидисперсностью, вследствие наличия в образце частиц разного размера от 0,5 мкм до 10 мкм. Учтено влияние многократности рассеивания. Теоретическая модель подтверждена исследованиями углового распределения интенсивности рассеянного света и оптическими исследованиями. Проведены иследования смесей на основе нематических матриц цианобифенилов с оптически активной примессю ефиров холестерина, ряда одноосновных карбоновых кислот, а также с нежидкокристалической примессю ВIХН-3 с малопроцентным соотношение (до 3 %). Установлено, что при увеличении концентрации оптически активной примеси в нематической матрице увеличиваются размеры и концентрация конфокальных доменов, и, как следствие, увеличивается рассеивание на этих доменах, что приводит к увеличению контраста. Предложена новая експериментальная установка для измерений електрооптических свойств жидкокристалических смесей с использованием микропроцессорного контролера типа CY8C26643. Иследования проводились на разных длинах волн лазерного излучения, а именно с ипользованием одномодового гелий-неонового лазера с длиннами волн 0,63 мкм, 1,15 мкм та 3,39 мкм, а также лазера на GaAs с длиной волны 0,84 мкм, и лазер на итрий-алюминиевым гранате с неодимом с длиной волны 1,06 мкм. Создана новая многослойная конструкция жидкокристаллического модулятора лазерного излучения на основе эффекта холестерико-нематического перехода и проведена ее оптимизация. Добавление дополнительной жидкокристалической ячейки и ее паралельного електрического соединения, позволило увеличить рассеивание лазерного излучения, и таким образом увеличь контраст и глубину модуляции с сохранением неизменными управляючих напряжений и времем включения и выключения жидкокристалического модулятора.

Ключевые слова: индуцированный холестерик, холестерико-нематический переход, рассеивание лазерного излучения, жидкокристаллический модулятор.

ABSTRACT

Sushynskyy O. Je. High contrast liquid crystal modulator of laser radiation. The thesis for Candidate degree in Physic and Mathematic Science on specialty 01.04.01.-Physics of Devices, Elements and Systems, Lviv Polytechnical National University, Lviv, Ukraine, 2004.

The presented paper deals with investigation of physical aspects of laser radiation scattering process in nemato-cholesteric mixtures and the liquid crystal modulators with high contrast value are developed. The theoretical model of laser radiation scattering is designed, in which the scattering particles with confocal domain structure are identified, and also the selective component in common scattering process is determinates. In cholesteric-nematic transition process the liquid crystal mixtures characterize of polydispersity. In the sample of liquid crystal mixtures are the particles of the different size from 0.5 mkm to 10 mkm. The influence of multiple scattering is includes. The theoretical model experimentally confirmed by investigations of angle allocation of light scattering intensity, and also optical investigations. The increasing of active optical dopand in nematic matrix leads to increasing of size and concentrations of confocal domain, and the increased the scattering on this domains, which leads to increase the contrast of liquid crystal modulator. The new multi structure of liquid crystal modulators of laser radiation based on cholesteric-nematic effect is designed.

Key words: Induced cholesteric, cholesteric-nematic transition, laser light scattering, liquid crystal modulators.

Размещено на Allbest.ru

...