Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 17
1.1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ 17
1.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ПРОЗРАЧНЫМИ НЕМАТИЧЕСКИМИ МАТРИЦАМИ 20
1.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С НЕМАТИЧЕСКИМИ МАТРИЦАМИ, ЛЕГИРОВАННЫМИ ПОГЛОЩАЮЩИМИ СВЕТ МОЛЕКУЛАМИ 24
1.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, НАБЛЮДАЕМЫЕ БЛАГОДАРЯ ОРИЕНТАЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ 30
РЕЗЮМЕ 34
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ 35
2.1. АБЕРРАЦИОННОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА В НЖК 35
2.2. ОЦЕНКА НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ НЖК 39
2.3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 41
2.4. СВОЙСТВА НЕМАТИЧЕСКИХ МАТРИЦ, ПОЛИМЕРОВ И КРАСИТЕЛЕЙ 45
2.4.1. Нематические матрицы 45
2.4.2. Поглощающие свет добавки 46
РЕЗЮМЕ 50
ГЛАВА 3. ОРИЕНТАЦИОННАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ НЖК, ЛЕГИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛАМИ ПОЛИМЕРА MEH-PPV 51
3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ КРИСТАЛЛОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОМ MEH-PPV 51
3.1.1. Взаимодействие светового пучка с гомеотропно ориентированным образцом 51
3.1.2. Взаимодействие светового пучка с планарно ориентированным образцом53
3.2. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 57
РЕЗЮМЕ 59
ГЛАВА 4. ОРИЕНТАЦИОННАЯ НЕЛИНЕЙНОСТЬ НЖК, ЛЕГИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛАМИ ГРЕБНЕОБРАЗНОГО ПОЛИМЕРА Р11 60
4.1. Взаимодействие света с нжк, содержащим полимер 60
4.1.1. Самовоздействие светового пучка в НЖК планарной ориентации 60
4.1.2. Исследование релаксации поля директора 65
4.1.3. Самовоздействие светового пучка в НЖК гомеотропной ориентации 67
4.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С НЖК, СОДЕРЖАЩИМИ АЗОМОЛЕКУЛЫ CAZO 71
4.3. ОБСУЖДЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ 74
РЕЗЮМЕ 80
ГЛАВА 5. ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПЕРВОГО РОДА ПРИ НАКЛОННОМ ПАДЕНИИ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ НА ПЛАНАРНЫЙ НЖК 82
5.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ПОЛЯ ДИРЕКТОРА НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ 82
5.2. БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДИРЕКТОРА НЖК ПРИ ИЗМЕНЕНИИ МОЩНОСТИ
СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ (ПРИ ПОСТОЯННОМ НИЗКОЧАСТОТНОМ НАПРЯЖЕНИИ). 84
5.3. БИСТАБИЛЬНОСТЬ ДИРЕКТОРА НЖК ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПРИКЛАДЫВАЕМОГО К КРИСТАЛЛУ НАПРЯЖЕНИЯ (ПРИ ПОСТОЯННОЙ СВЕТОВОЙ МОЩНОСТИ) 86
5.4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ БИСТАБИЛЬНОСТИ В НЕМАТИКАХ 88
РЕЗЮМЕ 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
ЛИТЕРАТУРА 101
- ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
- АБЕРРАЦИОННОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА В НЖК
- ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ КРИСТАЛЛОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРОМ MEH-PPV
- Взаимодействие света с нжк, содержащим полимер
- ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ ПОЛЯ ДИРЕКТОРА НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Введение к работе
Актуальность темы
Нематические жидкие кристаллы (НЖК) весьма восприимчивы к внешним воздействиям. Так, световая волна, проходя через НЖК, может вызывать переориентацию директора (единичного вектора, характеризующего направление оптической оси). Поворот директора изменяет показатель преломления необыкновенной волны. Проявляющиеся при этом нелинейности называются ориента-ционными.
Переориентация молекул в объеме прозрачных НЖК, вызвана прямым силовым воздействием светового поля на диполи, индуцированные этим же полем. Соответствующая "гигантская" ориентационная оптическая нелинейность на девять порядков превышает керровскую нелинейность обычных жидкостей. В прозрачных НЖК директор всегда поворачивается параллельно световому полю и, соответственно, показатель преломления возрастает.
Добавление в нематическую матрицу небольшого количества (~ 1% по весу) молекул красителей значительно повышает эффективность ориентационного воздействия света на НЖК (нелинейность может возрастать еще на два порядка). При этом директор может поворачиваться как параллельно световому полю, так и перпендикулярно к нему (в последнем случае показатель преломления уменьшается). Физические механизмы, ответственные за переориентацию директора поглощающих НЖК являются в настоящее время предметом исследований.
Ориентационные нелинейности позволяют наблюдать и исследовать разнообразные эффекты (например, аберрационное самовоздействие световых пучков, обращение волнового фронта, формирование и взаимодействие оптических со-литонов, возникновение периодических и стохастических колебаний поля директора, оптические бистабильности и т.д.) при весьма малых значениях плотности мощности световой волны.
В настоящее время неясно, насколько большой может быть ориентационная оптическая нелинейность поглощающих жидкокристаллических систем. В связи с этим представляется актуальным поиск и исследование ориентационных нели-нейностей новых поглощающих жидкокристаллических систем.
До сих пор эта нелинейность исследовалась только для нематических матриц, легированных молекулами низкомолекулярных красителей. Весьма интересными объектами для исследования ориентационной нелинейности являются смеси НЖК с высокомолекулярными соединениями. Молекулы полимеров по ряду свойств (коэффициенты вращательной диффузии, пространственная локализация поглощающих фрагментов), существенно отличаются от молекул низкомолекулярных красителей, что может существенно повлиять на величину момента вращающего директор.
Большие нелинейности поглощающих НЖК позволяют, в частности, исследовать нелинейнооптические явления в широких пучках (этого сложно добиться в прозрачных матрицах, так как требуются слишком большие плотности мощности). Данное обстоятельство является существенным, поскольку пространственная ограниченность светового пучка сильно влияет на его взаимодействие с полем директора НЖК (например, поперечный размер светового пучка изменяет пороговое электрическое поле светоиндуцированного перехода Фредерикса и характер деформации поля директора).
Цели диссертационной работы
Поиск и изучение новых композитных поглощающих жидкокристаллических систем, обнаруживающих ориентационную оптическую нелинейность.
Исследование ориентационного взаимодействия широких световых пучков с НЖК в присутствии внешнего электрического ПОЛЯ.
Научная новизна работы
Впервые исследовано ориентационное взаимодействие света с поглощающими жидкокристаллическими системами с примесью поглощающих полимеров и обнаружена индуцированная ими ориентационная нелинейность.
Обнаружен и исследован новый тип ориентационных фазовых переходов первого рода, возникающих при изменении мощности светового пучка, проходящего через планарно ориентированный НЖК, находящийся под воздействием пространственно однородного низкочастотного поля. Разработана теоретическая модель, описывающая взаимодействие светового пучка с НЖК, в присутствии низкочастотного электрического поля
Практическая ценность работы
Обнаруженная и исследованная в настоящей работе светоиндуцированная
переориентация директора в нематических жидких кристаллах с примесью по
лимеров приводит к чрезвычайно высоким оптическим нелинейностям (нели
нейная восприимчивость X 1 см /эрг). Полученные результаты могут быть
полезны для фундаментальных исследований воздействия света на вещество и, в
частности, на биологические ткани. Результаты работы могут быть использова
ны в схемах оптической модуляции и для исследования нелинейных волновых
явлений.
Защищаемые положения:
1. Наблюдение и исследование ориентационной оптической нелинейности,
индуцированной в нематической фазе жидких кристаллов примесями полиме
ров.
2. Величина ориентационной нелинейности, индуцируемой в нематической
матрице гребнеобразным полимером, содержащим поглощающие азофрагменты,
существенно больше, чем величина нелинейности, индуцируемой азокрасите-
лем, являющимся аналогом азофрагмента полимера. При определенных геомет-
риях взаимодействия светового поля и директора НЖК знаки светоиндуциро-ванного изменения показателя преломления для этих жидкокристаллических систем различны.
В планарно ориентированном нематическом жидком кристалле, находящемся под воздействием однородного низкочастотного поля наблюдаются ори-ентационным фазовые переходы первого рода при изменении мощности наклонно падающего светового пучка.
Теоретическая модель взаимодействия планарно ориентированного нема-тического жидкого кристалла с наклонно падающим световым пучком и однородным низкочастотным полем.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, список которых приводится в конце автореферата.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на Научной сессии МИ-ФИ-2003 (Москва, 2003 г.), Высшей лазерной школе "Современные проблемы лазерной физики" (Московская область, 2004 г.), 10-й Международной конференции по нелинейной оптике жидких и фоторефрактивных кристаллов (Алушта, Украина, 2004 г.), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 2005 г.), 11-й Международной конференции по оптике жидких кристаллов (Клеарвотер, Флорида, США, 2005 г.), 6-й Международной конференции "Лазерная физика и оптические технологии" (Гродно, Республика Беларусь, 2006 г.).
Материал диссертации докладывался и обсуждался на семинарах Отдела оптики низкотемпературной плазмы и Отдела люминесценции ФИАН.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 139 наименований. Общий объем работы составляет 114 страниц, включающих 39 рисунков и 2 таблицы.
link1 Общие свойства жидких кристаллов title1
Необходимым условием возникновения жидкокристаллической (или мезоморфной) фазы является существенная геометрическая анизотропия молекул. В зависимости от формы молекул ЖК разделяют на каламитики (состоящие из палочкообразных молекул) и дискотики (дискообразные молекулы). Система может проходить через одну или более мезофаз до перехода в изотропную жидкость. Переходы в эти промежуточные состояния могут быть вызваны либо термическими процессами (термотропный мезоморфизм), либо влиянием растворителей (лиотропный мезоморфизм).
В настоящей работе исследуются термотропные жидкие кристаллы, состоящие из палочкообразных молекул. Свойств лиотропных систем и систем, состоящих из дискообразных молекул, мы касаться не будем.
Температура, при которой твердая фаза превращается в мезофазу, как обычно, называется температурой плавления Тпл. Температуру перехода из мезофазы в изотропную жидкость называют температурой просветления Тпр. Она называется так потому, что многие жидкие кристаллы в мезофазе сильно рассеивают свет (вследствие термических флуктуации директора), но это рассеяние исчезает при переходе в изотропную фазу, и расплав становится прозрачным.
По типу упорядоченности молекул жидкие кристаллы подразделяют на нематические, холестерические и смектические. Центры масс молекул нематических жидких кристаллов (НЖК) расположены в пространстве хаотически, однако молекулы длинными осями спонтанно ориентированы приблизительно параллельно друг другу. Нематики имеют высокую степень дальнего ориентационного порядка, однако не имеют дальнего трансляционного порядка. Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) локально, на расстояниях порядка размеров молекул, ничем не отличаются от нематиков: длинные оси всех молекул ориентированы в одну сторону. Однако ХЖК состоят из оптически активных молекул. Как следствие этого, структура имеет винтовую ось симметрии, расположенную нормально к направлению предпочтительной ориентации молекул [71]. Шаг спирали у разных холестерических соединений различный, он может изменяться в диапазоне от десятков ангстрем до нескольких микрометров.
Наиболее упорядоченными являются смектические жидкие кристаллы (СЖК). Центры масс молекул располагаются в слоях, однако, в отличие от НЖК и ХЖК, молекулы не лежат в плоскости каждого такого слоя, а образуют с ним некоторый угол. Возможны различные типы упаковок молекул в слои. В смектике А молекулы в каждом слое расположены перпендикулярно плоскости слоя. Смектик С - это наклонная форма смектика А. Смектик В отличается от А тем, что центры молекул в каждом слое имеют гексагональную плотную упаковку.
Для характеристики расположения молекул в мезофазах был введен единичный вектор п(г) (который принято называть "директором" ЖК), указывающий направление преимущественной ориентации длинных осей молекул (направления п и - п эквивалентны).
Аберрационное само воздействие света в нжк
Основным экспериментальным методом исследования взаимодействия света с НЖК в настоящей работе является аберрационное самовоздействие светового пучка. Опишем его основные свойства.
Рассмотрим, например, нормальное падение горизонтально поляризованного света на гомеотропную ячейку с чистой нематической матрицей (рис. 2.1). При Р Рпор (Рпор - пороговая мощность светоиндуцированного перехода Фредерикса) будет происходить переориентация директора к направлению поля световой волны Е. Такой поворот будет сопровождаться увеличением показателя преломления для волны необыкновенного типа. Поскольку распределение интенсивности лазерного пучка имеет гауссов профиль, то поворот директора будет максимальным на оси пучка (где интенсивность световой волны максимальна), а на периферии пучка поворота директора происходить не будет. В результате возникнет градиент показателя преломления (рис. 2.2).
В фокусе линзы волновой фронт падающего на НЖК светового пучка можно считать плоским (рис. 2.1, ВФ1). Однако после прохождения среды с показателем преломления, имеющим профиль изображенный на рис. 2.2, волновой фронт будет иметь более сложную форму (рис. 2.1, ВФ2). Выделим на волновом фронте ВФ2 лучи kj и кг, одинаково отклоненные от первоначального направления вектора к. Интерференция пар таких лучей приведет к образованию в дальней зоне аберрационной картины, имеющей форму концентрических колец [41, 42]. Лучи с волновым вектором kmax, отклоненные от первоначального направления к на максимальный угол, будут определять расходимость светового пучка, прошедшего слой НЖК, и, соответственно, максимальные размеры кольцевой картины.
Исследование ориентационной нелинейности кристаллов, легированных полимером meh-ppv
При наклонном падении горизонтально поляризованного светового пучка на гомеотропный кристалл 5ЦБ + 0.16% MEH-PPV (для X = 458, 476, 488, 502, 515, 532 и 647 нм, а = 50) на экране за время t 7 -г 10 с возникала аберрационная картина, состоящая из концентрических колец (рис. 3.1а). Время релаксации кольцевой картины (определенное с помощью зондирующего пучка) составляло TR = 10 -f- 15 с. Определение знака самовоздействия показало, что в сине-зеленом спектральном диапазоне 458 — 532 нм наблюдается самодефокусировка (отрицательная нелинейность), а на красной линии X = 647 нм - самофокусировка светового пучка (положительная нелинейность). Проявление самодефокусировки свидетельствует о том, что примесь полимерных молекул играет определяющую роль в процессах переориентации, поскольку отрицательная нелинейность свойственна только кристаллам, содержащим поглощающие примеси.
На рис. 3.2 (кривая /) показана зависимость числа аберрационных колец N от мощности Р светового пучка для Л, = 515 нм. Как видно из этого рисунка, увеличение Р приводит к увеличению N, вплоть до достижения предельного значения Nmax = 6.
На рис. 3.3 (кривая 1) показана зависимость N от утла поворота ф плоскости поляризации (относительно горизонтальной плоскости) светового пучка, падающего на НЖК. Из рис. 3.3 видно, что при переходе от горизонтальной поляризации (ф = 0, е-волна) к вертикальной (ф = 90, о-волна) происходит схлопывание аберрационной картины до N = 0. При повороте плоскости поляризации кольца сохраняли горизонтальную поляризацию, но в центре аберрационной картины возникало пятно вертикальной поляризации.
Взаимодействие света с нжк, содержащим полимер
Планарные кристаллы ЖКМ-1277 + 0.1(0.5)% Ш1 были исследованы на длинах волн X = 458, 473, 476, 488, 515 и 532 нм. Невозмущенный директор п лежал в горизонтальной плоскости, поляризация падающей световой волны Е была также горизонтальной (в такой геометрии в кристалле распространяется необыкновенная волна).
При освещении НЖК световым пучком в его поперечном сечении возникала характерная аберрационная картина. Как при нормальном, так и при наклонном падениях света на кристалл время формирования картины составляло Тр 20 с -ь 1 мин (в зависимости от мощности лазерного излучения и угла падения светового пучка на НЖК). Характерное время релаксации светоиндуцированного показателя преломления составляло xR 15 с. Определение знака самовоздействия выявило отрицательную ориентационную нелинейность (самодефокусировка пучка). Динамика формирования и релаксации аберрационной картины однозначно указывает на ее ориентационную (а не тепловую) природу.
Отрицательный знак самовоздействия свидетельствует о том, что поворот директора происходит перпендикулярно световому полю.
Зависимости установившегося числа аберрационных колец N от мощности светового пучка Р для различных углов а падения света на НЖК, полученные при различных значениях длины световой волны X, представлены на рис. 4.1. Как видно из этого рисунка при а = 0 (нормальное падение) переориентация директора носит пороговый характер; при наклонном падении порог отсутствует.
При достаточно большой мощности число аберрационных колец N насыщается, что соответствует почти полному повороту директора перпендикулярно световому полю. Это можно подтвердить простой оценкой. Максимально возможное число аберрационных колец, которое можно наблюдать при нормальном падении светового пучка на НЖК равно Nmax = (пц - rijJLA, [41]. Для X = 515 нм величина Nmax = 37. В эксперименте Nsat = 31 (рис. 4.1 в).
Наблюдаемые закономерности (пороговый характер переориентации директора и насыщение переориентации) характерны для перехода Фредерикса [1, 3], в частности, для светоиндуцированного перехода Фредерикса [12].
Отметим, что пороговый характер зависимости N(P) является дополнительным подтверждением ориентационной природы эффекта (при тепловом самовоздействии светового пучка вдали от точки перехода НЖК в изотропную фазу скорость роста числа аберрационных колец (производная dN/dP) должна была бы быть примерно постоянной при всех значениях мощности Р).
Геометрическая бистабильность поля директора нематических жидких кристаллов
Переход Фредерикса под действием низкочастотных полей происходит при превышении величиной поля некоторого порогового значения. Причем, в надпороговом поле, угол поворота директора монотонно возрастает от нулевого значения. Такой переход можно рассматривать как фазовый переход второго рода [138] (параметром порядка является угол поворота директора).
Светоиндуцированный переход Фредерикса при нормальном падении света на НЖК, также является фазовым переходом второго рода. Однако обратное влияние кристалла на световое поле может превращать ориентационные переходы Фредерикса в одновременно приложенных световом и низкочастотых полях из переходов второго рода [4, 125] в переходы первого рода [51-53, 122-124]. При таких переходах изменение угла поворота директора происходит скачком и возникает гистерезис поля директора (он может наблюдаться как при изменении мощности светового пучка, так и при изменении низкочастотного напряжения).
Пространственная ограниченность светового пучка в сочетании с наклонным падением его на кристалл может приводить к обратимым переходам первого рода и другого типа (которые можно охарактеризовать как "геометрические" переходы). Поясним качественно этот механизм на примере планарно ориентированного НЖК с положительной диэлектрической анизотропией. В таком кристалле, в надпороговом низкочастотном поле, возможны два состояния поля директора ni(r) и п2(г) (рис. 5.1).
Эти состояния отличаются только направлением поворота директора из невозмущенного состояния п0 и, поэтому, зеркально симметричны относительно плоскости стенок НЖК. В реальном кристалле, реализующееся состояние поля директора зависит от преднаклона на стенках кюветы; пусть это будет поле П](г). Если угол между световым полем Е и Пг(г) меньше, чем угол между Е и Пі (г) (что возможно при наклонном падении света на кристалл), то в центральной части пучка возможен светоиндуцированный переход из состояния Пі(г) в состояние Пг(г). После снятия (или уменьшения) поля Е обратное переключение происходит за счет упругих сил, вызванных поперечной пространственной неоднородностью директора (на периферии пучка, т.е. там, где Е = 0, ориентация поля директора ni(r) сохраняется).
Обратимый переход первого рода, связанный с пространственной ограниченностью пучка, возможен и при постоянном значении плотности мощности светового пучка в случае изменения низкочастотного напряжения.
