Введение к работе
Актуальность темы
Одним из актуальных направлений оптики дисперсных сред, развивающимся на стыке физики жидких кристаллов и физической оптики, является исследование нового класса анизотропных дисперсных систем, представляющих собой взвеси капель нема-тических жидких кристаллов (НЖК) в полимерных матрицах. Научный интерес к этим объектам обусловлен, с одной стороны, нетривиальными физическими свойствами пространственно ограниченных ЖК, связанными со сложной упорядоченной структурой жидкокристаллической и полимерной фаз и их взаимодействием на границах раздела, а с другой - перспективами использования эффектов управляемого ослабления и рассеяния света дисперсными системами НЖК-полимер для создания различных устройств оптической обработки и отображения информации (черно-белые и цветные дисплеи, системы проекционного телевидения, устройства управления световыми потоками и др.) [1*,2*]. Кроме того, благодаря наличию хорошо развитых методов определения микроструктурных параметров среды в целом и структуры отдельных тематических капель (оптическая и электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и т.д.) двухфазные дисперсные системы НЖК-полимер могут рассматриваться в качестве интересного объекта для широкого круга задач, связанных с фундаментальными аспектами оптики рассеивающих сред, образованных анизотропными частицами.
Современный уровень исследований оптических свойств жидкокристаллических дисперсных систем требует, во-первых, экспериментального выявления физических закономерностей и полного феноменологического описания процессов ориентационного упорядочения пространственно ограниченных структур НЖК во внешних силовых полях и связанных с этими процессами оптических эффектов (изменение прозрачности, рассеяние, линейный дихроизм, двойное лучепреломление и др.), и, во-вторых, - построения адекватных эксперименту теоретических моделей, описывающих зависимость ориентационных оптических эффектов от структурных и оптических характеристик ЖК-капель и параметров их взаимодействия с ориентирующим полем.
В рамках указанных основных направлений исследований актуальность темы диссертации обусловлена следующими обстоятельствами:
существовавшие до начала работы над диссертацией теоретические модели структурных изменений в каплях НЖК под действием электрического поля не учитывали наличия анизотропных поверхностных взаимодействий, связанных с упорядоченной организацией полимера на границе раздела капля/матрица. Практически отсутствовало даже приближенное теоретическое описание предпороговых ориентационных искажений структуры капель, которые оказывают заметное влияние на электрооптический отклик систем НЖК-полимер. Совершенно не была изучена специфика ориентационных процессов при искусственном изменении формы капель под действием внешних механических деформаций;
теоретическое описание ослабления и рассеяния света отдельными каплями в большинстве случаев ограничивалось анализом простейших конфигураций директора НЖК без учета процессов неоднородной ориентации жидкого кристалла во внешних полях. Отсутствовали исследования влияния несферичности капель на их оптические свойства. Не был рассмотрен случай комплексных показателей преломления жидкого кристалла;
результаты экспериментальных исследований ориентационных оптических эффектов в дисперсных системах НЖК-полимер зачастую носили противоречивый характер или же не получали адекватной физической интерпретации. Теоретические
модели в основном описывали случай распространения света вдоль направления ориентирующего поля и были корректны лишь в ограниченном диапазоне изменения оптических и геометрических параметров системы. Полностью отсутствовали модели механооптических эффектов.
Цель работы и задачи исследований
Целью диссертационной работы является выяснение влияния особенностей структурного и ориентационного упорядочения нематических жидких кристаллов в малых объемах с замкнутой геометрией на характеристики ослабления и рассеяния света дисперсными системами НЖК-полимер с тангенциальными граничными условиями при воздействии внешнего электрического поля и механических деформаций.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Теоретический анализ и экспериментальное исследование процессов ориентации капель НЖК с биполярной структурой внутри сфероидальной полимерной полости под действием электрического поля и механической деформации.
Теоретическое исследование интегральных и малоугловых характеристик однократного рассеяния света каплями НЖК различной структуры с использованием анизотропного варианта приближения аномальной дифракции (ПАД).
Разработка теории стационарных ориентационных оптических эффектов в дисперсных системах НЖК-полимер в рамках ПАД и приближения однократного рассеяния.
Экспериментальное исследование индуцируемых электрическим полем и механической деформацией изменений прозрачности, линейного дихроизма и двулучепре-ломления в полимерных дисперсиях капель НЖК с тангенциальными граничными условиями и сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими.
Экспериментальное исследование пространственной и поляризационной структур излучения, рассеянного дисперсной системой НЖК-полимер, ориентированной под действием механической деформации.
Научная новизна
-
Впервые теоретически и экспериментально исследованы механизмы ориентационного упорядочения капель НЖК с тангенциальными граничными условиями в од-ноосно растянутых полимерных матрицах. Обнаружен пороговый характер ориентации капель в системах с морфологией типа NCAP, обусловленный особенностями анизотропного взаимодействия жидкого кристалла с надмолекулярной структурой полимера.
-
Разработана теория перехода Фредерикса в дисперсных системах НЖК-полимер, учитывающая невырожденные тангенциальные граничные условия на поверхности биполярных капель нематика, связанные с образованием упорядоченной структуры полимерной матрицы на границе раздела фаз.
-
С помощью приближения аномальной дифракции выполнен теоретический анализ закономерностей ослабления и однократного малоуглового рассеяния света каплями НЖК различной структуры, формы и размера. Установлены границы применимости модели однородной одноосной частицы для приближенного описания характеристик биполярных капель нематика. Проведено исследование малоугловых поляризованных дифрактограмм с точки зрения их использования для диагностики структуры капель в экспериментах по светорассеянию.
-
Разработаны теоретические модели электро- и механооптических эффектов в дисперсных системах НЖК-полимер различной морфологии, описывающие зависимости главных оптических толщин и фазового сдвига для нормальных волн от величины приложенного электрического поля и механической деформации при различных комбинациях структурных и оптических параметров системы.
-
Проведено экспериментальное исследование индуцируемых электрическим полем эффектов линейного дихроизма и двулучепреломления в дисперсных системах НЖК-полимер NCAP-типа; обнаружены характерные закономерности изменения главных коэффициентов пропускания и фазового сдвига в зависимости от величины поля и угла падения света, связанные с неоднородными деформациями исходных структур НЖК в каплях. Предложена теоретическая модель этих явлений и выполнено сопоставление теории и эксперимента.
-
Экспериментально исследованы закономерности ослабления и рассеяния света дисперсными системами НЖК-полимер в условиях одноосного растяжения и проведен анализ основных механизмов формирования макроскопической оптической анизотропии таких систем.
Практическая значимость результатов
Предложенные теоретические модели и установленные закономерности ослабления и рассеяния света дисперсиями капель НЖК в полимерных матрицах могут быть использованы для прогнозирования характеристик различных механо- и электрооптических устройств, основанных на применении ориентационных эффектов светорассеяния в дисперсных системах НЖК-полимер, а также при разработке методов решения обратных задач в оптике ЖК.
В результате проведенных исследований разработаны:
управляемые электрическим полем модуляторы света с рабочим веществом в виде дисперсии капель НЖК в матрице из поливинилового спирта с параметрами: время оптического отклика на приложенное поле - I мс, время релаксации - 5 мс, контраст - до 1000:1, напряжение полного просветления - 30-=-100 В;
поляризаторы мощного оптического излучения на основе одноосно растянутых дисперсных систем НЖК-полимер, обладающие следующими характеристиками: интервал рабочих длин волн - 0,4=-2 мкм, главные коэффициенты пропускания (Л = 0,6328 мкм) - 7jj я 0.7, TL < 10, предельная плотность мощности излучения при комнатной температуре - не менее 1 кВт/см2;
оптически управляемые пространственно-временные модуляторы света на основе пленочных структур фотопроводник-жидкий кристалл, диспергированный в полимере, работающие в режиме динамической селекции изображений с параметрами: пороговая чувствительность - 10~5 Вт/см2, максимальный контраст оптического отклика на движущееся изображение - 50:1, стационарный контраст - й 5:1, время отклика при динамической селекции - 5 мс, время релаксации -100 мс, разрешающая способность - 30 лин/мм.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Ориентационное упорядочение капель нематика с биполярной структурой в дисперсной системе НЖК-полимер, подвергаемой деформации одноосного растяжения, зависит от морфологии границы раздела жидкокристаллической и полимерной фаз и может протекать по двум сценариям:
в случае, когда поверхность полимерных капсул является однородной и обеспечивает вырожденное тангенциальное сцепление молекул НЖК с полимером, ориентация осей симметрии капель N определяется геометрическими преобразованиями, описывающими плавное изменение анизометрии и ориентации капсул;
в случае наличия упорядоченной надмолекулярной структуры полимера на поверхности капсул и сильного анизотропного взаимодействия этой структуры с молекулами НЖК ориентация капель имеет две последовательные стадии: плавный поворот N в направлении ^растяжения при малых удлинениях матрицы и пороговую переориентацию N параллельно большим осям капсул с увеличением растяжения.
2. Полевые зависимости главных коэффициентов пропускания и фазового сдвига
нормальных волн в дисперсных системах НЖК-полимер с матрицей из поливини
лового спирта имеют характерные особенности, связанные с неоднородными иска
жениями биполярных структур НЖК в каплях, возникающими в результате конку
ренции между силами сцепления жидкого кристалла с поверхностью полимерных
капсул и ориентирующим действием электрического поля, а именно:
в области порога перехода Фредерикса кривые пропускания имеют ярко выраженный локальный минимум, а кривая фазового сдвига - максимум; эти явления сопровождаются значительным увеличением рассеяния вне направления вперед;
при увеличении угла падения света возникают осцилляции кривой пропускания для компоненты, поляризованной в плоскости ориентации капель, в то время как кривая пропускания для ортогональной компоненты становится монотонной, принимая обычную S-образную форму.
-
Индуцируемые электрическим полем или механической деформацией эффекты изменения прозрачности, линейного дихроизма и двулучепреломления в дисперсных системах НЖК-полимер можно адекватно описать теоретическими моделями, основанными на использовании приближений аномальной дифракции и однократного рассеяния и учитывающими: 1) ориентацию осей симметрии биполярных капель НЖК, определяемую морфологией данной дисперсной системы, функцией распределения капель по размерам и видом внешнего силового поля, 2) одновременную ориентацию локальных осей директора НЖК внутри капель, 3) изменение формы и размера капель, а также оптических констант полимерной матрицы в зависимости от величины ее механической деформации.
-
Модель электрически индуцируемого перехода Фредерикса в биполярной капле НЖК, связывающая критическую напряженность поля перехода с размером капли, ее формой, ориентацией, конечной азимутальной энергией поверхностного сцепления НЖК на границе раздела с полимерной матрицей, а также с диэлектрическими и упругими свойствами системы.
-
Результаты теоретического исследования интегральных и малоугловых характеристик рассеяния света каплями НЖК с биполярной, концентрической, радиальной, аксиальной и однородной одноосной структурами в рамках приближения аномальной дифракции.
-
Результаты экспериментального исследования пространственной и поляризационной структур излучения, ослабленного и рассеянного дисперсной системой НЖК-полимер, ориентированной одноосным растяжением полимерной матрицы.
Достоверность результатов диссертации
Достоверность полученных теоретических результатов обоснована корректностью использованных математических моделей и их соответствием эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов достигнута применением стандартной аппаратуры и обработкой данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ.
Личный вклад автора
Все основные результаты, на которых базируется диссертация, получены лично автором. В большинстве работ, которые написаны в соавторстве, диссертанту принадлежит участие в постановке задач и интерпретации результатов.
Апробация работы
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), II Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти" (Ереван, 1987), VI Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и их практическое использование" (Чернигов, 1988), II Всесозном семинаре "Оптика жидких кристаллов" (Красноярск, 1990), II Всесоюзной конференции "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (Ленинград, 1990), Summer European Liquid Crystal Conference (Vilnius, Lithuania, 1991), XIV International Liquid Crystal Conference (Pisa, Italy, 1992), XV International Liquid Crystal Coference (Budapest, Hungary, 1994), International Liquid Crystal Workshop "Surface phenomena" (St.-Petersburg, Russia, 1995), XVI International Liquid Crystal Conference (Kent, USA, 1996), Школе по оптике, лазерной физике и оптоэлектронике (Саратов, 1997).
Диссертационная работа является составной частью госбюджетных научно-исследовательских работ, проводимых в НИИМФ СГУ. Исследования по теме диссертации были частично поддержаны Государственной научной стипендией для молодых ученых России.
Публикации
По теме диссертации опубликована 31 работа в отечественной и зарубежной печати. Основные результаты исследований отражены в 25 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы. Она изложена на 320 стр. и включает 191 стр. основного текста, 91 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 466 наименований.
