фотоиндуцирование изменение двулучепреломления жк

ФОТОИНДУЦИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ
ЖК-ЯЧЕЙКИ С ПОЛИМЕРНЫМ ФОТООРИЕНТАНТОМ
В.О. ДОЛГИРЕВ, С.И. СОН
В работе экспериментально исследован фотоиндуцированный переход Фредерикса в
жидкокристаллических ячейках с полимерным фотоориентантом. Показана возможность
голографического формирования дифракционных поляризационных структур в
жидкокристаллических (ЖК) ячейках.
Исследуемые ЖК-ячейки представляли собой слой нематического жидкого кристалла
разной толщины (20 и 100 мкм), заключенного между двумя стеклянными пластинами с
нанесенными на них слоями полимерного фотоориентанта [1].
Ячейки изготавливались следующим образом. На предварительно очищенные и
высушенные стеклянные пластинки с проводящим оптически прозрачным покрытием
методом центрифугирования наносился тонкий слой ориентирующего фотополимера. Затем
методом натирания тканью задавалась требуемая ориентация молекул ЖК. После этого
проводящие стекла со слоем фотополимера помещались под излучение ультрафиолетовой
(УФ) лампы до полной полимеризации фотоориентанта. Пластинки склеивались между
собой УФ-клеем, толщина пластинки задавалась нитями толщиной 20 и 100 мкм. Между
склеенных пластин помещался слой ЖК, предварительно нагретый до температуры фазового
перехода. После остывания, ЖК ориентировался в соответствии с заданным
фотоориентантом направлением. Пластинки окончательно склеивались, тем самым
обеспечивая герметичность ячейки.
Эксперимент проводился следующим образом (рис. 1): на ЖК-ячейку в одну точку
направлялись два линейно поляризованных пучка лазерного излучения разной длины волны:
зондирующий пучок (633 нм, 0.5 мВт) и пучок-засветка большей мощности (532 нм, 27 мВт).
На выходе ЖК-ячейки излучение проходило через фильтр, которым подавлялось излучение
засветки. Далее снималась поляризационная диаграмма зондирующего излучения при
помощи поляризатора и фотодиода.
Рисунок 1 – Схема установки: 1 – пучок-засветка, 2 – зондирующий пучок, 3 – зеркало, 4 –
светоделительный кубик, 5 – объектив, 6 – ЖК-ячейка, 7 – фокусирующая линза, 8 –
поляризатор, 9 – светофильтр от засветки, 10 – фотодиод
Полученные поляризационные диаграммы (зависимость тока фотодиода от угла
поворота поляризатора), приведенные на рис. 2, показывают, что поляризованное излучение
засветки изменяет ориентацию молекул ЖК, что приводит к изменению анизотропии
оптических свойств и, следовательно, к изменению эллиптичности и азимута эллипса
поляризации зондирующего излучения.
а)
б)
Рисунок 2 – Поляризационные диаграммы для ЖК-ячеек толщиной 100 мкм (а) и 20 мкм(б)
На рис.2 кривая 1 – зависимость тока фотодиода от поворота угла поляризатора без
ЖК-ячейки (характеристика зондирующего пучка), 2 и 3 кривая – зависимость тока
фотодиода без засветки и с ней при прохождении излучения через ЖК-ячейку. Из рис. 2
видно, что засветка указанной мощности вызывает изменение состояния поляризации
зондирующего пучка (поворот эллипса поляризации на 5-10 градусов и изменение его
эллиптичности на 1-5%).
По полученным поляризационным диаграммам оценим фотоиндуцированное
двулучепреломление среды, используя формализм Джонса [2].
Зададим состояния поляризации выходящего из системы пучка следующим
выражением:



0
 '   exp(ins l )

 
V s   
V s 
c

(1)
*
 '  

  
0
exp(in f l )  V f 
V f  
c 

где Vs , Vs ' – «медленные» составляющие зондирующего излучения на входе в ячейку и
выходе из нее соответственно; V f , V f ' – «быстрые» составляющие зондирующего
излучения; l – толщина образца;  – частота излучения; ns и n f – показатели преломления
«медленной» и «быстрой» составляющих;
Показатели преломления для «медленной» и «быстрой» волн, распространяющихся в
образце, выразим из выражения (1):
 V f' 
ln 
Vf 
nf    ,
(2)
1
 i 2

V ' 
ln s 
Vs
ns   
1
 i 2

(3)
Определяя n s и n f для световых волн, прошедших ЖК-ячейку с засветкой и без неё из
(2) и (3), определим изменение двулучепреломления n среды:
n1  n f  ns
n2  n fз  nsз
(4)
n  n1  n2
где nsз и n fз – показатели преломления медленной и быстрой составляющих при проведении
эксперимента с засветкой;
Оценим
дифракционную
эффективность
гипотетической
поляризационной
дифракционной решетки, записанной в ЖК-ячейке методами поляризационной голографии
при тех же условиях эксперимента, по формуле Когельника [3]:
 nl 
()  sin

  cos 
(5)
где l – толщина образца;  – угол Брэгга;  – длина волны излучения.
Результаты расчётов представлены табл. 1.
Таблица 1 – Результаты оценки дифракционной эффективности
,%
l , мкм
толщина образца
дифракционная
эффективность
20
2,5
100
12,5
Полученные результаты в табл. 1 показывают, что в имеющихся условиях, мощности
лабораторного лазера достаточно для записи поляризационных голограмм с дифракционной
эффективностью в пределах от 2% до 12%, что качественно соответствует
экспериментальным данным [4].
Список литературы
1.
Управляемые дифракционные жидко-кристаллические структуры на основе
полимерного фотоориентанта / А.А. Казак, Е.А. Мельникова, А.Л. Толстик, В.В.
Могильный, А.И. Станкевич // Письма в ЖТФ. – 2008. – Т. 34, №20.
2.
Оптические волны в кристаллах / А. Ярив, П. Юх // издательство Мир. –
1987. – 616 с .
3.
Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The bell system
technical journal. – 1969. –V. 48, №9.
4.
Поляризационные голографические решетки в жидкокристаллических
композитах / Г.М. Жаркова, А.П. Петров, С.А. Стрельцов, В.М. Хачатурян // Вестник НГУ.
Сер. Физика. – 2012. –Т. 7, №2 – С. 5–14.