Динамика оптического отклика доменной структуры нематика в импульсном магнитном поле
Введение ……………………………………………………………………………………………………….. 4
1 Техника и методы эксперимента. ………………………………………………………………… 7
1.1 Приготовление экспериментальных образцов ……………………………………… 7
1.2 Методы исследования ориентационной структуры НЖК и характеристик
светопропускания в магнитном и электрическом полях. …………………………… 7
2 Оптический отклик на импульсное магнитное поле …………………………………….. 9
3 Исследования светопропускания в зависимости от статического магнитного и
квазистатического электрического полей. ……………………………………………………. 12
4 Ориентационная структура нематика в доменах ………………………………………… 14
5 Распространение неполяризованного света через отдельный домен …………… 17
6 Распространение неполяризованного света через ансамбль доменов………….. 22
7 Динамика оптического отклика ансамбля доменов в импульсном магнитном
поле. ……………………………………………………………………………………………………………. 24
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 26
Список использованных источников ……………………………………………………………. 29
В электрооптических устройствах, включая дисплеи, находят широкое
применение однородные планарные, гомеотропные или закрученные слои
жидких кристаллов (ЖК), а также дисперсии нематических жидких кристаллов
(НЖК), заключенных в капсулах, порах и других ограниченных объемах.
Самым распространенным методом оптического зондирования однородных
слоев является анализ двулучепреломления, при этом ЖК слой в
плоскопараллельной ячейке помещается между поляризатором и анализатором.
Первый из элементов поляризует свет, а второй анализирует интегральную по
толщине нематического слоя величину разности фаз между обыкновенным и
необыкновенным лучами. Оптическое пропускание ЖК ячеек существенным
образом зависит от прикладываемых к ним электрических или магнитных
полей, которые изменяют преимущественную ориентацию молекул нематиков.
Кривые оптического пропускания как функции поля характеризуются
пороговыми полями Фредерикса, интерференционными экстремумами,
экспоненциальным характером в области насыщения [1].
В дисперсиях ЖК изменение оптического пропускания можно наблюдать
без использования анализатора. Оптические характеристики таких объектов
обычно рассматриваются в рамках теории рассеяния света малыми частицами
[2], при использовании которой необходимо учитывать показатели
преломления ЖК и окружающей его однородной среды. Так, при исследовании
ЖК капель, капсулированных в полимерной матрице (КПЖК), диаметром
2r 1 – 10 μm [3,4] в рамках данной теории, в приближении Рэлей-Ганса и
приближении аномальной дифракции, были описаны некоторые результаты
изменения оптического пропускания под действием электрического или
магнитного полей. Дальнейшие исследования [5,6] показали, что механизм
рассеяния в приближении аномальной дифракции остается пригодным для
описания распространения света через КПЖК пленки с размером капель вплоть
до 2r 25 μm. Оптическое пропускание света, прошедшего через КПЖК пленку
с однослойным расположением капель, во внешнем электрическом поле в
большинстве случаев сопровождается интерференционными осцилляциями и
описывается параметрами, зависящими от размера, формы и внутренней
структуры капель, а также от показателей преломления ЖК и полимера [7].
Недавно были обнаружены и исследованы домены нематических ЖК с
радиально-планарной структурой, вырастающие на поверхности поликарбоната
(ПК) при использовании растворной технологии [8,9]. Пропускание света в
доменных ансамблях показывает существенные изменения в электрических
полях и сопровождается еще более глубокими экстремумами на кривой
светопропускания, чем в КПЖК пленках. Однако домены имеют размеры
d 50–200 μm и плотную упаковку на поверхности ПК, что затрудняет
рассматривать характеристики света, прошедшего через их ансамбли, в рамках
теории рассеяния малыми частицами [2].
Также существует ряд особенностей материала, ограничивающих
возможности электрооптического метода в исследовательской практике. В
первую очередь это обусловлено тем, что объект представляют собой
диэлектрически неоднородную анизотропную среду. Расчет распределения
напряженности поля внутри домена особенно сложен в динамическом случае,
когда диэлектрические свойства меняются как вследствие внутренних
ориентационных превращений нематика во время действия управляющего
импульса, так и по причине подвижности неизбежно присутствующих
иононосителей [6]. По причине этого, в исследовательской практике для
создания квазистатического управляющего поля к электрооптической ячейке
обычно прикладывают переменное напряжение с частотой порядка 103 Hz.
Использование магнитного поля устраняет как проблему, связанную с
диэлектрической неоднородностью, так и с ионной переполяризацией слоя ЖК.
Однако, магнитооптические исследования технически более сложны ввиду
высоких значений поля насыщения в структурированном доменами слое ЖК,
достигающих десятков килоэрстед [3,4].
В ходе работы была поставлена цель: выявить особенности
распространения света через ансамбль доменов НЖК на поверхности
поликарбоната ПК при воздействии импульсом магнитного поля с амплитудой,
многократно превышающим пороговое значение.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– изготовить экспериментальные образцы ячеек, включающих в себя
слой НЖК с доменной структурой, сформированной на поверхности ПК;
– собрать экспериментальную установку и разработать методику
измерений оптического пропускания экспериментальных образов в импульсном
В ходе исследований были получены следующие результаты:
– собраны электрооптические ячейки, включающие в себя
структурированный доменами слой нематического жидкого кристалла,
заключенного между прозрачными подложками с токопроводящим покрытием,
на одну из которых нанесен слой поликарбоната;
– собрана экспериментальная установка и разработана методика
измерений характеристик оптического пропускания исследуемых образцов в
статическом и импульсном магнитном поле. Обнаружены экстремумы
светопропускания в оптическом отклике на импульсы магнитного поля с
амплитудой до 40kOe;
– при сравнении характеристик светопропускания в случаях
статического магнитного и квазистатического электрического полей показано
качественное их согласование, что позволяет сопоставить с магнитным полем
наблюдаемые при варьировании электрического напряжения ориентационно-
структурные превращения в доменах нематика. Анализ полученных
поляризационно-микроскопическими методами текстурных картин выявил
однородную радиальную структуру поля директора нематика в доменах,
сохраняющуюся при действии электрического поля, многократно
превышающего пороговое значение. Анализ характеристик светорассеяния ЖК
ячейки в процессе формирования доменов в слое нематика не выявил связи
морфологической структуры всего ансамбля с интерференционным характером
электро- и магнитооптического отклика;
– рассмотрено распространение неполяризованного света через
отдельный домен нематического ЖК в ансамбле, к которому прикладывалось
электрическое напряжение, и получено выражение для интенсивности I
прошедшего света, содержащее разность фаз Δ между необыкновенными и
обыкновенными лучами, а также выражение, связывающее Δ с
соответствующими показателями преломления ne и no и напряжением U;
– экспериментально обнаруженные экстремумы в магнитооптическом и
электрооптическом отклике объяснены интерференцией, вследствие фазового
сдвига между неортогональными обыкновенными и необыкновенными
волнами. Эффект обусловлен фазовым расщеплением волнового фронта
двулучепреломляющей структурой домена с радиальной ориентацией
директора ЖК;
– теоретически и экспериментально описаны динамические параметры
отклика доменной структуры на импульсное воздействие. Показано, что
отношение времен реакции tR и релаксации tD в оптическом отклике достигает
значения 10-3;
– в исследованном образце при управляющем напряжении U < 1V
происходит переключение между несколькими состояниями минимального и
максимального пропускания неполяризованного света в полосе с максимумом
λ = 0.630 μm. При соответствующей оптимизации параметров, материал может
быть использован при разработке низковольтных оптических устройств без
применения поляризаторов, например в информационных дисплеях с пассивно
матричной адресацией, где время выключения оптического состояния должно
быть много больше времени включения.
1.Blinov, L.M. Electrooptic effects in liquid crystal materials / L.M. Blinov,
V.G. Chigrinov // New York: Springer-Verlag, 1994. – 464 p.
2.Ван де Хюлст, Г. Рассеяние света малыми частицами / Г. Ван де Хюлст //
М.: Иностранная литература, 1961. – 536 C.
3.Zumer, S. Light scattering from a small nematic droplet / S. Zumer, J.W. Doane
// Phys. Rev. A. – 1986. – Vol. 34. – Pp. 3373–3386.
4.Zumer, S. Light scattering from nematic droplet: Anomalous-difraction /
S. Zumer // Phys. Rev. A. – 1988. – Vol. 37. – Pp. 4006–4015.
5.Конколович, А.В. Интерференционное гашение света, проходящего через
монослойную пленку капсулированных полимером нематических жидких
кристаллов / А.В. Конколович, В.В. Пресняков, В.Я. Зырянов, В.А. Лойко,
В.Ф. Шабанов // Письма в ЖЭТФ. – 2000. – Т. 71. – Вып. 12. – С. 710–713.
6.Barannik, A.V. Interference and ion effects in the electro-optical response of
PDNLC film / A.V. Barannik, V.F. Shabanov, V.Ya. Zyryanov, V.I. Lapanik,
V.S. Bezborodov // J. SID. – 2005. – Vol 13, №4. – Pp. 273-279.
7.Баранник, А.В. Интерференционные осцилляции в динамике оптического
отклика капсулированных полимером нематических жидких кристаллов /
А.В. Баранник, А.В. Шабанов, В.Я. Зырянов // Письма в ЖТФ. – 2002. – Т.28,
Вып.16. – С. 25-31.
8.Паршин, А.М.Доменныеструктурынематиковнанаповерхности
полимера / А.М. Паршин, В.А. Гуняков, В.Я. Зырянов, В.Ф. Шабанов // Жидкие
кристаллы и их практическое использование. – 2012. – Вып.1. – С. 42–51.
9.Паршин, А.М. Ориентационные переходы в электрическом и магнитном
поле в двухслойных структурах нематика, индуцированных поверхностью
полимера / А.М. Паршин, В.А. Гуняков, В.Я. Зырянов, В.Ф. Шабанов // Жидкие
кристаллы и их практическое использование. – 2013. – Вып.2. – С. 26–36.
10. Паршин, А.М. Оптический отклик капель нематика в полимерной матрице
на импульсное воздействие сильного магнитного поля / А.М. Паршин,
А.В. Баранник // Письма в ЖТФ. – 2009. – Т.35, Вып.24. – С. 88–94.
11. Parshin, A.M. Light transmission of liquid crystal domains formed by
polycarbonate surface / A.M. Parshin, V.Ya Zyryanov, V.F. Shabanov // Optical
Material Express – 2016. – Vol. 6 (9). – Pp. 2841–2846.
12. Паршин, А.М.Конфигурациидиректоравструктурахнематика,
адсорбированного на поверхности полимера / А.М. Паршин, В.Я. Зырянов,
В.Ф. Шабанов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. – 2015. –
Вып.1. – С. 56–65.
13. Паршин, А.М.Структурированиеповерхностногослояпленки
поликарбоната/А.М. Паршин,В.Я. Зырянов,В.Ф. Шабанов//
Высокомолекулярные соединения. Серия C. – 2018. – Т.60. – №1. – С. 27–36.
14. Vicari, L. Liquid-crystal layer between rough polymeric surfaces / L.J. Vicari //
Opt. Soc. Am. B. – 1999. – Vol. 16 (7). – Pp. 1135–1138.
15. Де Жен, П. Физика жидких кристаллов / П. Де Жен // М.: Мир, 1977. –
400 C.
16. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф // М.: Наука, 1973. – 720 C.
17. Parshin, A.M. Alignment of liquid crystals by polymers with residual amounts
of solvents / A.M. Parshin, V.Ya Zyryanov, V.F. Shabanov // Scientific Reports –
2017. – Vol. 7. – Pp. 3042.
18. Bunning J.B. The effect of molecular biaxiality on the bulk properties of some
nematic liquid crystals / J.B. Bunning, D.A. G rellin, T.F. Faber // Liq. Cryst. – 1986.
– Vol. 1. – Pp. 37–51.
19. Bradshaw, M.J. The Frank constants of some nematic liquid crystals /
M.J. Bradshaw, E.P. Raynes, J.D. Bunning, T.E. Faber // J. Phys. France. – 1985. –
Vol. 46 (9). – Pp. 1513–1520.
20. Беляев, В.В. Вязкость нематических жидких кристаллов / В.В. Беляев // М.:
Физматлит. – 2002. – 224 C.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (5 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
5 (14 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (174 отзыва)
