Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Обзор литературы по электрооптическим свойствам микронеоднородных
жидкокристаллических материалов и их использованию в устройствах управления
световым излучением 8
-
Общие сведения о жидкокристаллических материалах 8
-
Механизмы воздействия электрического поля на структуру нематического жидкого кристалла 14
-
Применения жидкокристаллических материалов в электрооптических устройствах управления световым излучением 18
1.3.1. Дефлекторы на клиновидной деформации 20
1.3.2. Дефлекторы на явлении нарушенного полного внутреннего отражения
/.5,3. Волноводные модуляторы на-жидких кристаллах 25
1.4. Ключевые требования к жидкокристаллическим материалам в современных
устройствах и системах оптоволоконной техники 30
-
Оптическая прозрачность 30
-
Потери 31
-
Зависимость от поляризации и дисперсия в режиме поляризации 32
-
Зависимость от длины волны и хроматическая дисперсия 33
-
Время отклика 34
-
Температурная зависимость 35
-
Примеры использования жидких кристаллов в современных оптоволоконных устройствах 36
1.5. Постановка задач и выбор объектов исследования 39
-
Задачи исследования 39
-
Объекты исследования 41
Глава 2. Разработка экспериментальных, установок и методики исследования
структуры и электрооптических явлений в микронеоднородных СЛОЯХ И в
эмульсиях жидких кристаллов 44
2.1. Блок-схемы экспериментальных установок для исследования
электрооптических явлений в микронеоднородных жидкокристаллических
материалах 44
-
Установка для исследования распространения света в плоскости слоя ЖК 44
-
Установка для исследования распространения света в эмульсиях .жидких кристаллов 48
-
Конструкции измерительных ячеек 51
-
Методы получения эмульсий жидких кристаллов 54
-
Методы контроля свойств микронеоднородных ЖК материалов 55
-
Контроль структуры микронеоднородных ЖК материалов методом, цифровой микроскопии 55
-
Оценка размера капель ЖК в эмульсиях методом динамического рассеяния света 55
-
Контроль характеристик фазового перехода в каплях ЖК в эмульсиях акустическим методом 59
-
Разработка элементов автоматизации измерений и обработки данных 61
-
Выводы по второй главе 63
Глава 3. Исследование ориентационной структуры и электрооптических явлений в
слое жидкого кристалла с неодиородностями, индуцируемыми электрическим
полем 65
3.1. Изучение отражения и преломления света в слое нематического жидкого
кристалла с переменой ориентацией директора, индуцированной электрическим
полем 65
-
Вводные замечания 65
-
Условия провидения эксперимента 65
-
Отражение и преломление света, распространяющегося в плоскости слояЖК 68
-
Глубина модуляции и время отклика для луча света в ЖК слое при включении и выключении электрического поля 76
-
Численное моделирование ориентационной структуры и распространения световой волны в слое жидкого кристалла с неодиородностями ориентации, индуцированными электрическим полем 77
-
Изучение фокусировки световой волны, распространяющейся в слое НЖК в канале, образованном участками ЖК с различной ориентацией директора 92
-
Фокусировка света в плоском прямолинейном канале 92
-
Фокусировка света в плоском криволинейном канале 95
3.4. Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Исследование структуры, физических свойств и электрооптических
эффектов в эмульсиях жидких кристаллов 102
4.1. Структура и физические свойства эмульсий жидких кристаллов 103
-
Определение размеров капель ЖК и распределения капель ЖК по размерам в эмульсиях 104
-
Оценка характеристик (разовых переходов в каплях ЖК в эмульсиях по акустическим данным 107
4.2. Исследование прохождения света через слой эмульсии жидкого кристалла
-
Прохождение света через насыщенный раствор и эмульсию жидкого кристалла при температурах вблизи точки расслаивания 111
-
Прохождение света через слой эмульсии ЖК в пульсирующем, электрическим полем 113
4.3. Исследование влияния электрического поля на структуру и фазовое
равновесие в эмульсии жидкого кристалла 117
-
Деформация и слияние капель ЖК в электрическом поле 117
-
Фазовое равновесие в эмульсии капли нематика- изотропная фаза жидкого кристалла в электрическом поле 124
-
Перемещение капель в эмульсии жидкого кристалла в неоднородном электрическом поле 132
4.4. Выводы по четвертой главе 134
Выводы 136
Литература 139
Приложение 149
Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям электр о оптических свойств жидкокристаллических (ЖК) систем с различным типом пространственной неоднородности. Структура жидких кристаллов (ЖК) занимает промежуточное положение между анизотропными телами и изотропными жидкостями. Характерной особенностью жидких кристаллов является высокая чувствительность к различным внешним воздействиям, таким, например, как температура и электрическое иоле. Микро неоднородные ЖК системы в последнее время находят широкое применение при разработке дисплеев, индикаторов, устройств хранения информации и т.п.
Прикладное значение данной работы состоит в обнаружении новых электрооптических эффектов в слоях с переменой ориентацией директора и в ЖК эмульсиях, которые могут найти применение в устройствах оптоволоконной техники.
В научном плане исследование локальных электрооптических свойств в микро неоднородных ЖК системах позволяет получить ценную информацию о структуре и молекулярной природе ЖК в условиях сильных пространственных ограничений.
Полученные экспериментальные данные позволили проверить результаты теоретического моделирования поведения ориентационной структуры пространственно неоднородных ЖК систем, подверженных воздействию электрических полей, а также особенностей распространения световых волн в данных системах.
Цель работы. Изучение электрооптических свойств микронеоднородных жидкокристаллических сред с различной структурой - слоев жидких кристаллов с индуцированной электрическим полем пространственной неоднородностью ориентационнои структуры, а также эмульсий жидких кристаллов в изотропной жидкости.
Достижение данной цели включает решение следующих частных задач: - развитие методики и техники экспериментальных исследований электрооптических свойств микронеоднородных сред на основе жидких кристаллов; поиск и детальное экспериментальное исследование новых электрооптических эффектов в данных средах, представляющих практический интерес; теоретический анализ обнаруженных эффектов в рамках физических моделей, соответствующих по основным параметрам проведенным экспериментам, с широким использованием компьютерной обработки полученных результатов и численного моделирования эксперимента; разработку практических рекомендаций по использованию результатов исследования для создания на основе микроиеоднородных сред элементов управления оптическим излучением (затворов, переключателей, аттенюаторов и т.д.),
Научная новизна. Впервые экспериментально исследованы электрооптические эффекты: отражения, преломления, фокусировки и расхождения световой волны, распространяющейся в плоскости слоя ЖК при наличии индуцированных электрическим полем граничных областей между участками с различной ориентационнои структурой. Впервые измерены электрооптические характеристики и глубина оптической модуляции в микроэмульсиях жидких кристаллов; установлено уменьшение времени ориентационнои релаксации с уменьшением размера капель ЖК. Впервые обнаружены эффекты: формирования дисперсной мезофазы в слое жидкого кристалла под действием переменного электрического ПОЛЯ.
Практическая ценность. Установлена возможность управления с помощью электрического поля оптическими лучами, распространяющимися в плоскости жидкокристаллического слоя за счет отражения и преломления световых волн на границе раздела участков ЖК с различной ориентацией. Экспериментально реализован управляемый полем оптический канал с границами, образованными переходными областями в слое ЖК с изменяющейся ориентацией директора от планарнои ориентации во внешней относительно капала области ЖК до гомеотропной ориентации ЖК внутри оптического канала. Созданы экспериментальные установки для исследования электр о оптических эффектов в микронеоднородных жидкокристаллических средах с различной ориентационной структурой. Установки позволяют проводить микроскопические и фотометрические измерения при различных температурах и напряженностях электрического поля; при различных режимах освещения образцов. Это позволило получить достоверную информацию об электр о оптических характеристиках исследованных микронеоднородных жидкокристаллических систем. Полученные температурные и временные зависимости электрооптических свойств микродисперсных фаз жидких кристаллов являются научной основой для практического применения микронеодпородных сред на основе жидких кристаллов в качестве рабочих тел в устройствах волоконной оптики и устройствах отображения информации.
Автор защищает. Методику экспериментального исследования и результаты численного моделирования электрооптических эффектов в микронеоднородных жидкокристаллических средах. Обнаруженные закономерности в изменении ориентационной структуры и в распространении света в микронеоднородных жидкокристаллических средах - в слое жидкого кристалла и в эмульсии жидкого кристалла, при воздействии электрического поля.
Апробация работы. Содержание работы докладывалось: на V международной конференции по лиотропным жидким кристаллам, Иваново, 2003; на международной школе молодых ученых "IV Чистяковские чтения", Иваново, 2004; на 15^й 16-й сессиях Российского Акустического Общества, Москва, 2004-2005; на 20-й международной конференции по жидким кристаллам, Lubljana, Slovenia. 2004; на 21-й международной конференции по жидким кристаллам. Colorado, USA, 2006; на международном конгрессе "Лазеры и моделирование оптоволоконных сетей", Харьков, Украина, 2006; на 6-м международном конгрессе "Численное моделирование оптоэлектронных устройств", Singapore, 2006; на 13-м международном симпозиуме по дисплеям, Otsu, Japan, 2006;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она содержит 106 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 1 таблицу. Список литературы содержит 108 наименований.
Благодарности. Автор выражает благодарность СВ. Пасечнику за инициирование работы и помощь в ее выполнении; Д.А.Яковлеву за плодотворное обсуждение результатов и помощь в проведении численного моделирования; В.А Цветкову и Г.И. Максимочкину за поддержку и уроки по технологии изготовления ячеек; профессору В.Г. Чигринову за помощь в организации экспериментальных исследований на базе Гонг-Конгского университета науки и технологии и в обсуждении отдельных результатов; Е.И. Рюмцеву и С.Г. Филиппову за помощь в организации и проведении эксперимента по динамическому рассеянию света в эмульсиях жидких кристаллов. Исследования, представленные в диссертационной работе, поддерживались грантом РФФИ№ 05-01-08085-ОФИа.
