Введение к работе
Актуальность темы исследований
Большинство систем когерентно-оптической обработки информации функционирует в условиях импульсной записи и считывания. Частота повторения цикла запись—считывание является одним из параметров, определяющих быстродействие, а следовательно, область применения указанных систем. К числу ключевых элементов таких систем относятся оптически управляемые пространственно-временные модуляюры света (ПВМС) на основе жидких кристаллов (ЖК), в которых основную нагрузку несут фоточувствительный слой и модулирующая среда. Проблема сочетания высокой скорости переключения подобных структур и' их высокого разрешения является одной из важнейших в физике информационных систем, лазеров и корреляторов совместного преобразования. Это связано с тем, что простым подбором приемлемых условий по слоям структуры (например, толщины слоев, диэлектрической проницаемости и т.д.) невозможно получить одновременно высокое быстродействие при сохранении высокого разрешения.
Наиболее перспективными для поиска путей решения указанного компромисса являются модуляторы с фотослоем из класса сенсибилизированных органических фотопроводников (ФП) — палшшидов. Отметим, что максимальное разрешение более 1000 мм"1 по уровню 0,1 частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) и дифракционная эффективность -40% на достаточно высоких пространственных частотах 100-150 мм'1, показанные этими структурами, являются, пока, недостижимыми параметрами для прочих систем ФП-ЖК. Высокое разрешение ПВМС на основе полиимидов обусловлено низкой подвижностью носителей заряда, что обеспечивает медленное растекание потенциального рельефа и, следовательно, длительное сохранение созданной информационной картины. Однако, временные характеристики полимерных модуляторов часто хуже, чем у структур с другими фотослоями. Одним из путей улучшения быстродействия подобных структур является использование импульсного излучения наносекундного диапазона, что дает возможность уменьшить время включения из-за увеличения фототока, обусловленного повышением мощности записывающего излучения. Другим путем ускорения переходных процессов является использование резонансных ЖК-сред, позволяющих исключить инерционность, как основную черту фотодинамики ЖК.
К моменту начала настоящей работы (1985 г.) в литературе не сообщалось о возможности улучшения временных характеристик структуры полиимид-ЖК при варьировании задержкой между импульсом генерации лазера и импульсом питания структуры, не была выяснена роль различного рода ориентирующих покрытий в динамике процессов на границе раздела ФП-ЖК, не были исследованы особенности импульсного лазерного воздействия на резонансные системы на основе немато-хиральных ЖК-композиций с красителем на высоких пространственных частотах и при различных значениях энергии записи, а также не выяснены закономерности многоступенчатости релаксационных процессов в этих структурах.
Данная работа, состоящая из исследований динамических характеристик светоуправляемых ЖК-ПВМС для систем оптической обработки информации и изучения особенностей бормановских систем, как перспективных сред для записи динамических голограмм, является актуальной как с практической, так и с научной точки зрения, так как включает в себя исследование процессов, происходящих при взаимодействии импульсного лазерного излучения наносе-кундного диапазона с ЖК-средой и сопряженными слоями, влияние этих процессов на скорость переключения структур, связь с параметрами генерации и характеристиками нелинейных сред.
Цель работы
Основной целью данной работы явилось исследование проблемы получения высокого быстродействия при условии сохранения высокого разрешения структуры полиимид—ЖК для систем когерентно-оптической обработки информации и изучение особенностей эффекта дифракционного подавления поглощения (оптический аналог эффекта Бормана) в резонансных ЖК-средах для записи динамических голограмм.
Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:
1. Исследование влияния начальной ориентации директора ЖК-молекул на
временные характеристики электрооптического отклика НЖК-ячеек.
2. Исследование влияния условий записи и считывания на переходные процес
сы в системе ФП-ЖК. Изучение особенностей сочетания импульсной записи
и импульсного напряжения питания на времена включения и выключения
структуры.
-
Изучение роли ориентирующих покрытий в изменении подвижности носителей заряда на границе раздела ФП-ЖК.
-
Исследование особенностей записи динамических голограмм в немато-хи-ральных ЖК-композициях с красителем на различных пространственных частотах и при различных значениях энергии записи.
-
Исследование многоступенчатости релаксационных процессов в указанных структурах.
Степень новизны.
Определены основные закономерности, вызывающие улучшение временных параметров НЖК-ячеек и полимерных модуляторов при сохранении высокого разрешения последних. Выявлено наличие корреляции между уменьшением начального угла наклона ЖК-молекул и увеличением быстродействия НЖК-ячеек. Впервые исследовано влияние длительности импульса питания структуры полиимид-ЖК на дифракционную эффективность при различных значениях плотности энергии записи, исследовано влияние задержки между импульсом генерации лазера и импульсом питания на ускорение переходных процессов в системе ФП-ЖК. Впервые проведены сравнительные исследования влияния различных ориентирующих покрытий (окисных и полимерных) на динамические характеристики системы ФП-ЖК. Получено существенное улучшение быстродействия в случае применения ориентантов на основе поливинилового
спирта (ПВС) и аморфного углерода (а-С:Н). Механизм увеличения быстродействия модуляторов с полимерными орнентантами связывается с возможностью увеличения подвижности носителей заряда на границе раздела фаз. Для интерпретации отмеченного механизма предложена модель внутреннего р-і-п-диода.
Методами динамической голографии (режим самодифракции) исследованы процессы записи голографических решеток в резонансной ЖК-среде в широком диапазоне пространственных частот и при различных значениях энергии записи. Проведено исследование особенностей переходных процессов в нема-то-хиральных ЖК-композициях, для которых реализуется эффект дифракционного подавления поглощения. Изучен многоступенчатый механизм релаксации резонансной ЖК-среды, дана его интерпретация, основанная на учете возбужденных состояний примеси.
Практическая значимость работы.
В результате проведенных исследований показана возможность управления и оптимизации временных параметров НЖК-ячеек путем, вариации начального угла наклона ЖК-молекул, определены пути совершенствования временных характеристик полимерных ЖК-ПВМС и уточнены основные требования, предъявляемые к структурам ФП-ЖК, предназначенным для успешного функционирования когерентно-оптических систем обработки информации.
Исследованые ЖК-ПВМС были успешно использованы для голографиче-ской коррекции фазовых аберраций при совпадении и различии частот излучения записи и считывания. Показана перспективность их применения в медицине.
Для немато-хиральной резонансной ЖК-среды на основе анализа зависимости дифракционной эффективности от времени для разных механизмов релаксации записанной решетки показана возможность использования в системах ОВФ и хранения оптической информации.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Экспериментально подтверждено, что начальный угол наклона директора молекул жидкого кристалла существенно влияет на динамику процессов в тематических ЖК-композициях. Выявлено наличие корреляции между уменьшением начального угла наклона и увеличением быстродействия.
Установлено, что полимерные ориентирующие покрытия (на основе пленок ПВС и а-С:Н) обеспечивают лучшие временные характеристики НЖК-ячеек по сравнению с окисными (СеОг, SiOx), что обуславливается физико-химическим взаимодействием на границе раздела фаз твердое тело — ЖК и возможным изменением подвижности носителей заряда на границе раздела в случае применения полимерных ориентантов.
Реализованы два пути увеличения быстродействия полимерных ЖК-ПВМС при условии сохранения высокого разрешения:
1) варьирование задержкой между импульсом генерации лазера и передним фронтом импульса питания при сочетании импульсной засветки и импульсного режима питания;
2) преимущественное использование полимерных ориентирующих покрытий.
Теоретически рассмотрена интерпретация улучшения динамических характеристик ЖК-ПВМС на основе полимерных ориентантов: ПВС и а-С:Н - в рамках модели внутреннего р-і-п-диода.
Теоретически рассчитаны временные характеристики ЖК-ПВМС на основе применения операционного метода Лапласа. Установлено соответствие с экспериментальными данными для ПВМС с различными фотослоями.
Экспериментально показана эффективность использования структуры ФП-ЖК в системах коррекции фазовых аберраций как при совпадении, так и при отличии частот излучения записи и считывания.
Получена и исследована самодифракция в системе НЖК с красителем при различных пространственных частотах и различных энергиях записи. Установлено существование нескольких механизмов релаксации голографиче-ской решетки в указанной структуре и дала их интерпретация. Показана возможность использования данных ЖК-композиций в системе ОВФ.
Личный вклад автора Выбор и разработка методик экспериментов, анализ полученных результатов, теоретический расчет временных характеристик модуляторов с помощью операционных преобразований Лапласа, идея внутреннего р-і-п-диода для интерпретации увеличения -быстродействия полимерных ПВМС, исследование голографической записи решеток в широком диапазоне пространственных частот в немато-хиральных ЖК-компознциях, для которых реализуется эффект дифракционного подавления поглощения, обнаружение многоступенчатости релаксационных процессов в указанных структурах.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции «Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах» - (Минск, Раубичи, 19S9 г.), VI Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» (Ленинград, 1990 г.), Научно-техническом симпозиуме «Оптика-92» (Москва. 1992 г.), 10-й Международной конференции по динамическим процессам в возбужденных состояниях твердых тел (Паям Коув, Австралия, 1995 г.), IV Международной конференции по передовым материалам (Канкун, Мексика, 1995 г.), Международном семинаре по жидким кристаллам «Поверхностные явления» (Санкт-Петербург, 1995 г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введення, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объем работы составляет 236 страниц, в том числе: 141 страница текстового материала, 56 рисунков и 7 таблиц. Библиография составляет 257 наименований.
