Введение к работе
Актуальность темы работы: В настоящее время активно развивается область физики конденсированного состояния, связанная с изучением и практическим применением жидких кристаллов (ЖК). Жидкокристаллическое состояние как промежуточная фаза между изотропной жидкостью и твердым кристаллом является уникальным объектом исследования благодаря способности жидких кристаллов легко изменять ориентационную структуру под действием внешних полей различной природы. Наиболее широко исследуются и используются в технике эффекты, связанные с изменением направления оптической оси ЖК под действием магнитного или электрического поля. Объектами исследований являются слои ЖК с различным образом модулированной ориентацией локальной оптической оси (директора).
В работе К.В. Фредерикса и В.Н. Цветкова [1] в нематическом жидком кристалле (НЖК) была создана спиральная ориентация директора при приложении магнитного поля к планарно ориентированному слою, расположенному между стеклянными призмами. Магнитное поле было направленно параллельно плоскости слоя и перпендикулярно ориентации директора на поверхности. Напряженность магнитного поля была такой, что угол поворота директора в слое относительно исходного направления плавно менялся от 0 у поверхности до 90 в середине слоя. При достаточно больших углах падения света на такой слой была обнаружена рефракция света - "отражение" необыкновенного луча в середине слоя, подобное полному внутреннему отражению на границе двух сред. Рефракция света также была обнаружена внутри слоя ЖК с плоской геликоидальной текстурой [2,3], распределение директора в котором аналогично полученному в ориентированном магнитным полем НЖК. В обоих случаях рефракция света связана с градиентом показателя преломления для необыкновенного луча. Этот градиент обусловлен спиральной ориентацией локальной оптической оси в слое ЖК в отличие от хорошо известного явления рефракции световых лучей в атмосфере и изотропных жидкостях, где градиент показателя преломления вызывается градиентом плотности среды. Рефракция света в ЖК с плоской геликоидальной структурой сравнительно мало изучена и совершенно не изучено воздействие электрического поля на рефракцию. В тоже время исследование взаимодействия электромагнитных полей с анизотропной средой с периодически изменяющимся направлением тензора диэлектрических проницаемостей имеет важное значение для физики конденсированного состояния вещества. Также актуально изучение влияния электрического поля на рефракцию света в связи с широким использованием пространственно модулированных жидкокристаллических структур в дисплейной технике.
Цель работы: Исследование влияния электрического поля различной
напряженности и частоты на распространение необыкновенной световой волны в плоской спиральной жидкокристаллической структуре с большим шагом спирали и поворотом директора на 180 от одной границы слоя к другой.
В работе решены следующие основные задачи:
Разработан новый эффективный способ определения угла наклона директора на границе раздела стекло-ЖК с использованием методов поляриметрии. Изготовлены экспериментальные ячейки с различной ориентацией директора НЖК на ограничивающих поверхностях.
Изготовлена экспериментальная ячейка, содержащая слой кирального жидкого кристалла с заданным шагом спирали (32мкм) и поворотом директора на 180 от одной границы слоя к другой.
Создана установка для экспериментального исследования влияния электрического поля на распространение света в жидких кристаллах с различной ориентационной структурой.
4. Исследованы особенности распространения света в ЖК структуре с
геликоидальным распределением директора и планарными граничными условиями в
присутствии электрического ПОЛЯ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан новый метод определения направления локальной оптической оси ЖК на границах слоя, основанный на связи углов наклона директора с азимутами поляризации отраженной от границы слоя обыкновенной и прошедшей через границу слоя необыкновенной волны.
Впервые исследовано влияние переменного электрического поля на рефракцию света в геликоидальной жидкокристаллической структуре с шагом спирали многократно превышающим длину волны света и поворотом директора на 180 от одной границы слоя к другой. Обнаружен пороговый характер нарушения условия, необходимого для "отражения" необыкновенной волны внутри слоя ЖК. Получены зависимости величины порогового напряжения от частоты электрического поля и угла падения света на слой (глубины проникновения в слой).
3. Впервые экспериментально определены времена восстановления спиральной
структуры ЖК на разных расстояниях от поверхности слоя.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод определения угла наклона локальной оптической оси ЖК на границах слоя.
В спиральной жидкокристаллической структуре с большим шагом спирали и поворотом директора на 180 от одной границы слоя к другой электрическое поле изменяет поле директора так, что нарушается условие, необходимое для "отражения" необыкновенной волны внутри слоя ЖК. Возникающее при этом пропускание света сквозь слой носит пороговый характер, значение порогового напряжения зависит от глубины проникновения света в слой и частоты электрического поля.
Наблюдение изменения направления распространения необыкновенной волны в слое ЖК со спиральной структурой под действием электрического поля является
эффективным методом изучения поведения директора на различных расстояниях от поверхности слоя. При уменьшении глубины проникновения необыкновенного луча в слой время восстановления исходной ориентации директора после выключения поля уменьшается.
Практическая значимость работы обусловлена широким использованием различных электрооптических эффектов в ЖК для дисплейной и модуляционной техники. Результаты исследования влияния электрического поля на рефракцию света в ЖК со спиральной структурой могут быть использованы при разработке и создания электроуправляемых жидкокристаллических устройств нового типа.
Предложен и впервые использован простой и точный метод определения угла наклона директора на границе слоя ЖК с твердой поверхностью, обладающий рядом преимуществ перед уже известными. Метод апробирован с использованием кристаллов исландского шпата с известным направлением оптической оси. Данный метод может быть использован при исследовании взаимодействия ЖК с ориентирующими поверхностями различной природы.
Личный вклад автора: участие в планировании работы, выработке методологии исследования, в непосредственном получении экспериментальных данных, их интерпретации и подготовке публикаций. Апробация работы:
Результаты работы представлялись на российских и международных конференциях: Молодежная Научная Конференция "Физика и Прогресс», Санкт-Петербург, октябрь 2006 г., ноябрь 2009 г.; 7-ой Международных Конференции "Лиотропные Жидкие Кристаллы и Наноматериалы" Иваново, 22-25 сентября 2009; XVIII Международной дисплейной конференций SID 2010, , 27 сенятбря-1 октября 2010, Санкт-Петербург.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 2 статьи, тезисы 4-х докладов.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов и списка цитируемой литературы (89 наименований). Работа изложена на 113 страницах текста, содержит 33 рисунка, и 2 таблицы.
