Поляризационно-фазовые дифракционные структуры на основе фотоориентации жидких кристаллов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет

ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ФАЗОВЫЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ФОТООРИЕНТАЦИИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

А.А. Казак

Е.А. Мельникова

В работе исследована фотоориентация жидких кристаллов (ЖК) с помощью бензальдегидсодержащих фотополимеров и продемонстрирована возможность создания управляемых дифракционных элементов, формирующих сингулярные и бесселевы световые пучки.

Фотоиндуцированная ориентация (фотоориентация) нематических жидких кристаллов (ЖК) на протяжении последних лет активно исследуется и используется в качестве одной из базовых технологий создания многодоменных ЖК ориентирующих слоев [1]. В основе фотоориентации лежит фотохимическая запись анизотропии поверхности полимерного слоя под действием линейно-поляризованного активирующего излучения. Запись фотоанизотропии не предполагает механического контакта с поверхностью слоя, поэтому метод фотоориентации пригоден для создания локально-неоднородной ориентации, т.е. для создания в пределах одной поверхности участков с различной величиной анизотропии и различным направлением ее оптической оси. Ориентирующие слои с заданной топологией анизотропии могут быть использованы для изготовления на основе ЖК различных поляризационно-фазовых оптических элементов как статического, так и динамического типов. Основной проблемой в создании таких ЖК элементов является надежность и простота технологии задания локальной ориентации ЖК, что во многом определяется свойствами используемых полимерных фотоориентантов. В настоящей работе проведено экспериментальное изучение фотоориентирующей способности фотосшиваемых бензальдегидсодержащих полимеров, позволяющих создавать с их использованием оригинальные оптические поляризационно-фазовые ЖК элементы.

В экспериментах использовался метакрилатный полимер B-15 с боковыми бензальдегидными группами [2]. Тонкие полимерные слои готовили методом центрифугирования раствора полимера на стеклянной подложке. После сушки (90 C) приготовленные слои подвергались облучению линейно-поляризованным светом ртутной лампы высокого давления: однородному или через фотомаску с необходимым рисунком. Поляризация света обеспечивалась поляризатором Wire-Grid (степень поляризации ~ 100 %). Изучение закономерностей фотоориентации проводили с использованием электрически управляемых ЖК-элементов (динамические структуры) или на основе ЖК-мономера RMM491, который наносился непосредственно на ориентирующий слой (статические структуры). Оценку качества ориентации проводили, измеряя коэффициент пропускания T в зависимости от угла поворота образца в системе скрещенных линейных поляризаторов. По этим данным находили двулучепреломление (дn) отвержденного слоя ЖК-мономера с помощью формулы: кристалл фотополимер дифракционный световой

где , Tmax, Tmin - максимальное и минимальное значение коэффициента пропускания, достигаемые при вращении образца, л - длина волны лазерного излучения (л = 650 нм), - толщина слоя.

Качество ориентации ЖК молекул было дополнительно оценено коэффициентом качества q, который рассчитывался согласно формуле:

Для определения направления ориентации (директора ЖК) систему измерений дополняли фазовой пластинкой с известным направлением оптической оси анизотропии.

В ходе проведения экспериментов было установлено, что направление директора ЖК при фотоориентации совпадает с направлением электрического вектора возбуждающего излучения. Для достижения высокой эффективности ориентации ЖК был оптимизирован процесс поляризационного облучения полимерного слоя. С этой целью было приготовлено несколько экспериментальных образцов ориентированного ЖК-мономера при его нанесении на однородно облученный слой бензальдегидного полимера и измерена зависимость наведенного двулучепреломления ЖК от величины экспозиционной дозы, рис. 1а. Рассчитанная зависимость коэффициента качества от экспозиционной дозы представлена на рис. 1б.

Как видно из рис. 1а, по мере увеличения экспозиционной дозы полимерного слоя наблюдается рост двулучепреломления ЖК, максимальное его значение, равное 0,1, достигается при 2-4 минутах облучения. Рост параметра качества q (рис. 1б) происходит с большей скоростью и устанавливается на довольно высоком уровне в 0,95 уже при 1 минуте поляризационного экспонирования.

Были проведены эксперименты по двукратному облучению ориентирующего полимерного слоя перед нанесением ЖК-мономера. Первоначально экспонирование вели линейно-поляризованным светом в течение 4 минут. Повторное экспонирование осуществлялось линейно-поляризованным светом с плоскостью поляризации, ориентированной перпендикулярно ее первоначальному направлению. Выявленное оптимальное значение времени облучения полимерного слоя оказалось оптимальным и для второй стадии экспонирования, при этом уменьшение величины двулучепреломления ЖК не превысило 10 %.

Обнаруженное несущественное снижение уровня анизотропии позволяет рассчитывать на возможность модуляции величины дn по поверхности слоя ориентированного ЖК-мономера при однократном экспонировании ориентирующего слоя через фотомаску и последующем однородном экспонировании. На основе приготовленных таким способом ориентирующих слоев с периодически модулированной поверхностной фотоанизотропией нами были созданы несколько типов ЖК дифракционных структур с локально-изменяющейся ориентацией директора.

Статические поляризационные дифракционные решетки с периодом 20 - 80 мкм с направлением директора вдоль штрихов решетки и перпендикулярно им формировали с помощью ЖК-мономера, тонкий слой которого наносили на многодоменный ориентирующий слой и затем полимеризовали. При зондировании структуры лазерным пучком возникала характерная дифракционная картина (рис. 2). Как видно, при зондировании записанной решетки поляризованным вдоль штрихов лазерным излучением в дифракционной картине наблюдаются максимумы 0-го, 1-го и -1-го порядков высокой интенсивности и максимумы ±3-й порядка сравнительно меньшей интенсивности. В то же время максимумы 2-го и -2-го порядков практически невидимы. Отсутствие дифракционных максимумов интенсивности четных порядков является признаком прямоугольной формы созданных анизотропных решеток.

Сопоставление теоретической оценки дифракционной эффективности 1-го порядка изготовленных поляризационных решеток с экспериментальными данными показало, что двулучепреломление в пределах штрихов практически равно величине дn для однородно-ориентирующих слоев.

Представленные выше результаты были эффективно использованы при создании более сложных структур с пространственной модуляцией ориентации директора жидкого кристалла. На основе отработанной технологии нанесения и засветки фотополимерных ориентирующих слоев были разработаны и созданы электрически управляемые дифракционные элементы [3].

Принципиальная схема созданного ЖК-элемента представляет собой две стеклянные пластины с прозрачными электродами из окиси индия и нанесенными на них (по технологии описанной выше) слоем фоточувствительного полимера, засвеченного необходимым образом. Засветка первого слоя проводится через специально разработанную маску-транспарант на кварцевом стекле для наведения соответствующей анизотропии в слое ориентирующего фотоматериала и, соответственно, формирования дифракционной структуры формирующей световое поле с необходимыми свойствами. Для создания элементов, изменяющих фазовые характеристики светового поля и формирующих сингулярные или бесселевы оптические пучки необходимо создать соответствующую сложную дифракционную структуру жидкого кристалла. Для решения этой задачи профиль транспаранта рассчитывается заранее и представляет собой картину интерференции когерентной плоской волны с бесселевым либо сингулярным оптическим пучком. В случае создания одно- либо двумерной управляемой дифракционной решетки экспозиция производится через соответствующую периодическую структуру.

Вторая пластина засвечивается однородно, с поляризацией излучения ортогональной используемой при засветке первой пластины. В таком варианте создания дифракционных элементов имеет место ортогональная ориентация ЖК на обеих подложках, что соответствует формированию закрученной (твист) структуры. Выбор такой геометрии объясняется существенной зависимостью дифракционной эффективности от типа ЖК структуры. Проэкспонированные пластины были склеены друг с другом с соблюдением необходимого зазора с помощью спейсеров различной толщины. Таким образом, удалось достигнуть толщин ЖК слоя 5, 9 и 20 мкм. Использовался нематический ЖК 1289, оптическая анизотропия = 0,17.

При исследовании полученных структур зондирующий световой пучок направлялся на грань ЖК-ячейки, проэкспонированную через необходимую дифракционную маску-транспарант. В этом случае, взаимодействие пучка с ЖК-слоем происходит со стороны пространственно- модулированной твист-структуры, которая отвечает существенно большей глубине модуляции показателя преломления ЖК слоя.

Управление оптоэлектронными ЖК элементами реализуется с помощью электрического поля, приложенного к ячейке и приводящего к переориентации молекул ЖК. Для избегания эффекта экранировки подавалось переменное электрическое поле на частоте 1 кГц. Анализ зависимости дифракционной эффективности от приложенного электрического напряжения показал, что для разрабатываемых элементов существует оптимальное напряжение, при котором дифракционная эффективность максимальна. Значения «оптимальных» напряжений различны для разных периодических структур и толщин создаваемых элементов и находятся в диапазоне 1,5-2 В. При напряжениях свыше 5 В, происходит практически полная переориентация директора ЖК (молекулы жидкого кристалла располагаются ортогонально электродам) и световой пучок распространяется вдоль оси двулучепреломляющего кристалла, практически не дифрагируя. Графики зависимости дифракционной эффективности от напряжения представлены на рис. 3.

Таким образом, в представленной работе исследован метод ориентирования жидких кристаллов с помощью бензальдегидсодержащих фотополимеров и показаны условия формирования эффективной ориентационной структуры с высоким коэффициентом двулучепреломления. Так же показана возможность использования исследованного метода для создания оптоэлектронных дифракционных элементов, формирующих световое поле с заданными свойствами. Разработанные элементы, позволяющие формировать сингулярные и бесселевы пучки с различными топологическими зарядами, могут представлять практический интерес при разработке разнообразных лазерно-оптических устройств, включая лазерные пинцеты, системы контроля фазовых неоднородностей, диагностики турбулентности и т.д.

Литература

1. Muravsky, A. Next Generation of Photoalignment. VDM Verlag, 2009.

2. Могильный В.В., Станкевич А.И., Трофимова А.В., Вестник БГУ. 2014. Сер.1, №2. с.17-22.

3. Казак А. А., Казак Л. А., Мельникова Е. А., Толстик А. Л., Вестник БГУ. 2011. Сер.1, №1. с.1-6.

Размещено на Allbest.ru