Brevet FR2173807A1 — publié le 19731012

La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un réseau à pas réglable et un dispositif mettant en application ce procédé. L'invention trouve une application en optoélectronique, dans la dé flexion de faisceaux lumineux. Lorsqu' un mince film de cristal liquide intercalé entre deux électrodes planes métalliques et parallèles est soumis à un champ électrique, plusieurs types d'instabilités hydrodynamiques peuvent apparaître suivant l'amplitude et la fréquence du champ électrique appliqué. Lorsque le cristal liquide utilisé est de type nématique et a une anisotropie diélectrique négative, c'est-à-dire lorsque la constante diélectrique dans une direction parallèle aux électrodes de la cellule est inférieure à la constante diélectrique dans une direction perpendiculaire à ces mêmes électrodes, on peut classer les différents types d'instabilités hydrodynamiques de la manière suivante: - cas d'une excitation continue.Au dessus d'une certaine tension de seuil, qui est de l'ordre de quelques volts, on observe l'apparition d'une structure périodique, soit hexagonale, soit linéaire, qui est la traduction d'une biréfringence à I'intrieur du cristal liquide. Pour une tension continue très supérieure à cette tension de seuil, une turbulence apparat qui entrain des propriétés de diffusion de la lumière. C'est cette dernière propriété qui est couramment utilisée dans des dispositifs électrooptiques d'affichage. - cas d'une excitation périodique. Dans ce régime d'excitation, il faut distinguer la zone de basse fréquence et celle de haute fréquence: à basse fréquence (quelques Hertz) il apparat au delà d'une tension de seuil Vs des stries dont la direction est perpendiculaire à la direction initiale d'alignement des molécules. La périodicité de ces stries est de l'ordre de grandeur de I'écartement entre électrodes (typiquement quelques dizaines de microns). Dans ce régime d'excitation à basse fréquence l'aspect de la cellule est proche de celui obtenu avec une excitation continue. Lorsque la fréquence du champ électrique d'excitation augmente, la tension de seuil Vs s'enlève tant que la fréquence du champ électrique excitateur est inférieure à une fréquence de coupure f .Cette c fréquence de coupure est proportionnelle à la conductibilité du liquide utilisé et varie entre 50 Hertz et 3000 Hertz suivant la nature du liquide utilisé. Au delà de la fréquence de coupure, un autre type d'instabilités hydrodynamiques apparaît. I1 consiste en la formation de stries parallèles, espacées par un intervalle beaucoup plus faible que dans le cas précédent, et qui apparaissent encore dans une direction perpendiculaire à l'alignement initial des molécules. Ces stries peuvent se courber et se mouvoir pour former des figures dont l'allure est proche de chevrons. Si l'on utilise des cellules électrooptiques d'épaisseurs différentes, on peut constater que ce dernier phénomène est un phénomène qui présente un seuil de champ électrique Es et non pas un seuil de tension electrique comme dans le cas de l'excitation continue ou à basse fréquence. Ce champ électrique de seuil varie avec la fréquence d'excitation f suivant une loi qui est proche de la loi parabolique Es=afl/2 La formation d'instabilités hydrodynamiques dans un film de cristal liquide sous l'action d'une tension électrique continue implique l'apparition et le transport de charges au sein du liquide. Par contre, pour une excitation alternative, et au delà de la fréquence fc, l'injection de charges ne joue plus un rôle important car le temps de transit de ces charges est très grand devant la période du champ électrique excitateur, de sorte que les charges ne peuvent suivre le rythme d'excitation imposé. C'est pour cette raison que ce mode de fonctionnement est appelé "régime diélectrique" par opposition au régime dit "conducteur", qui caractérise l'excitation continue ou a très basse fréquence. On sait réaliser avec des dispositifs comprenant deux électrodes entre lesquelles est intercalé un mince film de cristaux liquides, des instabilités dont le caractère périodique permet de les utiliser comme éléments diffractant analogues aux traits- des réseaux classiques. Cependant 1 'ob- tention de tels réseaux, et en particulier l'obtention d'un pas constant est très difficile compte tenu des turbulences auxquelles est soumis le film de cristal liquide. L'invention a précisément pour objet un procédé d'obtention d'un tel réseau à pas réglable et présentant des caractéristiques de stabilité et de précision très supérieures à celles rencontrées pour les dispositifs analogues de l'art antérieur. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé d'obtention d'un réseau à pas réglable utilisant la formation d'instabilités hydrodynamiques périodiques dans un film de cristal liquide sous l'effet d'une excitation électrique, caractérisé en ce qu'on applique audit film de cristal liquide d'une part un premier champ électrique périodique de fréquence supérieure à la fréquence critique, qu'on règle l'amplitude de ce champ pour entre, à ladite fréquence, au seuil d'apparition desdites instabilités hydrodynamiques, qu'on superpose audit champ un second champ électrique périodique d'amplitude réglable et de fréquence supérieure à la fréquence du premier champ électrique et qu'on ajuste l'amplitude du second champ pour obtenir la valeur choisie dudit pas. Dans une variante privilégiée du procédé selon l'invention, le cristal liquide est du type nématique. L'invention concerne également un dispositif mettant en application ce procédé. Ce dispositif d'obtention d'un réseau à pas réglable, comprend une cellule électrooptique constituée d'un mince film de cristal liquide intercalé entre deux électrodes planes parallèles et semi-transparentes, des connexions électriques reliant lesdites électrodes à un circuit d'alimentation, caractérisé en ce que ledit circuit comprend, branchés en parallèle, un premier générateur de tension électrique de fréquence et d'amplitude réglables et un second générateur de tension1 de fréquence et d'amplitude également réglables. Suivant un mode de réalisation préféré les deux générateurs de tensions fournissent des tensions sinusoidales. L'invention sera mieux comprise après la description qui suit du principe du procédé et d'un exemple de réalisation, donné à titre explicatif et non limitatif. Cette description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un diagramme reliant la tension d'apparition des instabilités hydrodynamiques à la fréquence du champ électrique excitateur, - la figure 2 est une courbe qui relie le pas du réseau obtenu à la fréquence du champ électrique, lorsque la tension est celle du seuil d'apparition des instabilités dans le régime diélectrique; - la figure 3 est l'illustration de la variation du pas du réseau en fonction de l'amplitude du second champ électrique appliqué; - la figure 4 représente un schéma du dispositif selon l'invention;; - la figure 5 représente l'allure de la modulation de lumière obtenue après passage dans le dispositif selon 1 'invention. Sur la figure 1, on a représenté en abscisse la fréquence (en Hertz) du champ électrique excitateur et en ordonnée, la tension de seuil (en Volts) à partir de laquelle les instabilités hydrodynamiques apparaissent dans le liquide. Cette figure correspond à l'utilisation du p-méthoxy-n-p- benzilidène butylaniline (MBBA), qui est un cristal liquide de type nématique, pour une distance entre électrodes de 100 > m et à une température de 250C. L'excitation s'effectue avec des tensions sinusoldales. Dans la region notée I, c'està-dire pour des fréquences d'excitation faibles, le film de cristal liquide est le siège d'instabilités correspondant à ce que l'on a appelé plus haut le régime conducteur. Le régime d'excitation continu est naturellement celui qui correspond à la fréquence nulle. Pour la fréquence critique (foc) on note un saut dans la valeur de la tension de seuil. Au delà de la fréquence f et dans la région notee II, le film est le siège c d'instabilités correspondant à ce que l'on a appelé plus haut le régime diélectrique. Dans les dispositifs de l'-art antérieur utilisant l'apparition d'instabilités hydrodynamiques pour former des réseaux à pas réglable, on se place généralement dans la zone I. A cette fin, on excite le film de cristal liquide par un champ électrique dont l'amplitude est légèrement supérieure à la tension de seuil. On obtient alors un pas qui est fonction du champ électrique appliqué. Au contraire, selon l'invention, on se place dans le régime diélectrique correspondant à la zone II de la figure 1. Pour cela, on applique entre les électrodes un premier champ électrique périodique de fréquence supérieure à la fréquence critique fc et d'amplitude correspondant au seuil d'apparition des instabilités hydrodynamiques. Le pas des instabilités naissantes dépend de la fréquence du champ excitateur. Cette dépendance est représentée sur la figure 2. Sur cette figure on a placé en abscisse la fréquence f (en Hertz), du champ électrique excitateur dans le cas d'une excitation sinusoldale, et en ordonnée le carre q2 de l'amplitude du vecteur d'onde des oscillations hydrodynamiques avec q =T , T étant la période spatiale des instabilités expri2 T -2 mée en microns, q étant exprimé en (um) .La courbe de la figure 2 a été relevée avec le méme cristal nématique que celui de la figure 1 (MBBA) et avec une cellule dont l'écar- tement entre électrodes variait de 10p à 150p; la résistivité de la solution était telle que la fréquence de coupure fc était très faible et voisine de 10 Hz ; la limite q2f vers laquelle tend q2 lorsque f augmente dépend de la conductivité de la solution. Suivant l'invention, on superpose à ce premier champ excitateur un deuxième champ excitateur d'amplitude E' et de fréquence f',- f' étant supérieur à f. Dans ce cas, on constate l'apparition d'instabilités hydrodynamiques de même nature que celles qui auraient été obtenues si le premier champ avait été ajusté au dessus du seuil. Les mouvements créés au sein du liquide font apparaître des fluctuations d'indice périodiques, qui sont mises à profit pour réaliser une structure diffractante. Le pas de la périodicité obtenue est relié au vecteur d'onde dont le carré q de l'amplitude dépend de l'amplitude du second champ électrique appliqué. Sur la figure 3 on a représenté les variations de 2 (en ordonnée et en pu 2) en fonction du carré E' (en absq cisse et en V2cm 2) de l'amplitude crête du second champ avec comme paramètre la fréquence f (en Hertz) du premier champ appliqué. Ces courbes sont obtenues dans le cas particulier où les deux champs électriques sont sinusoïdaux et où la fréquence f' du second champ est égale à 5k Hz. Lorsque le champ E' est nul on retrouve, en fonction des différentes fréquences f d'excitation du champ E, les instabilités hydrodynamiques qui sont à leur seuil d'apparition, avec une périodicité correspondant à la courbe de la figure 2. Pour une fréquence f donnée du premier champ d'excitation, on 2 note que le carré du vecteur d'onde q est une fonction décrois- sante du carré El2 de l'amplitude du second champ excitateur. Pour E'2 et f faibles, cette décroissance est sensiblement linéaire. Le pas de la structure périodique engendrée par la superposition des deux champs croît donc lorsque la tension du second champ électrique appliqué augmente. On obtient donc, selon l'invention, un procédé commode pour faire varier le pas d'une structure diffractante périodique. Avec le procédé selon l'invention, les propriétés spatiales des instabilités obtenues, sont beaucoup mieux définies et plus stables que celles obtenues avec les procédés de l'art antérieur, utilisant soit une excitation continue soit une excitation alternative unique. De plus, avec les systèmes de l'art antérieur, le pas obtenu est de l'ordre de grandeur de l'écartement entre électrodes, soit de l'ordre de plusieurs dizaines de microns.Au contraire, avec le procédé selon l'invention, le pas des instabilités est couramment de l'ordre de 1 micron. I1 en résulte que si l'on veut obtenir un réseau de diffraction de pas faible, il est très difficile d'utiliser les procédé selon l'art antérieur, à moins de réduire la cellule électrooptique à des dimensions transversales très faibles, ce qui entraîne des difficultés de réalisation considérables. Bien que la formation de ces instabilités soit assez complexe et dans certains cas encore mal élucidée, on peut décrire les phénomènes de la manière simplifiée suivante en se plaçant dans le cas particulier des cristaux liquides de type nématique. Lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué au cristal liquide, les molécules sont alignées suivant une direction privilégiée. Dans le cas où- le cristal liquide a une anisotropie diélectrique négative, (#//-#1 L'application d'un champ électrique provoque un basculement des molécules, ce qui accentue les fluctuations initiales de l'alignement. Les instabilités hydrodynamiques atteignent un équilibre dynamique lorsque la somme des couples exercés sur les molécules (couples de types élastique et diélectrique) est égale au couple de viscosité de la solution (qui freine la rotation des molécules). Le premier champ électrique appliqué crée le couple diélectrique. Le couple élastique est de la forme Kq2 où K est une constante d'élasticité. Le second champ d'excitation E' a pour effet d'introduire un terme supplémentaire de couple, de la forme a E'2, où a représente l'anisotropie diélectrique 4# (#a=#1 -#//); tout se passe donc comme si la rigidité de la solution avait été augmentée artificiellement de telle sorte que le couple total d'élasticité soit devenu: Kq+#a/4# E'2. Pour un premier champ E donné, c'est-à-dire pour un couple diélectrique donné, à l'équilibre dynamique du cristal liquide, 2 doit donc avoir Kq2+#a E'2=Cte, ce qui est précisemment 4# la relation linéaire entre q et E' observée sur la figure 3, tant que E'2 reste faible, et que la fréquence f du premier champ excitateur n'est pas trop grande. Si f est grand et E'2 E' fort, le modèle précédent est trop simplifié pour rendre compte de la forme des courbes expérimentales de la figure 3. Les pas obtenus p-ar le procédé selon 1' invention sont ajustables dans une très large gamme . La limite supérieure est fonction des dimensions des la cellule: le pas ne saurait être supérieur à l'espacement entre électrodes. La limite inférieure est définie par la conductibilité de la solution. Si la solution est très conductrice, les impuretés forment un écran électrique entre les différents paquets de charges en mouvement de sorte que ces paquets de charges peuvent être très rapprochés les uns des autres et que la période spatiale des instabilités peut atteindre une fraction de micron. Si la solution est pure, des courants de diffusion entre les paquets de charge limitent le pas minimal à quelques microns.Selon les applications, la conductivité de la solution de cristal liquide peut entre modifiée pour obtenir une plage de réglage du pas située dans une zone déterminée. Cette modification de la conductivité peut s'effectuer par l'adjonction de sels ionisables, comme par exemple les halogénures de tétraéthylammonium. Bien entendu et comme on l'a souligné plus haut, la fréquence de coupure fc, qui dépend aussi de la conductivité, est également déplacée par cet artifice. Etant donné le caractère dynamique de 1 'équilibre obtenu, la lumière qui traverse le film de cristal liquide subit en même temps qu'une diffraction, une modulation d'amplitude, qui est fonction de la fréquence du premier champ-appli qué, et de la nature du cristal liquide utilisé. On peut comparer cet effet de modulation'de la lumière diffractée à celui obtenu avec les dispositifs connus utilisant la diffusion Brillouin, où le faisceau de lumière diffractée a une fréquence différente de celle du faisceau incident. Alors que dans le cas de la diffusion Brillouin cet écart peut être très important, par exemple de l'ordre du mégahertz; dans le cas de l'invention, la modulation d'amplitude s'effectue à une fréquence beaucoup plus faible (quelques dizaines ou centaines de hertz). La comparaison avec les dispositifs électrooptiques utilisant l'effet Brillouin permet de souligner un point intéressant de l'invention: Alors que, dans les dispositifs utilisant l'effet Brillouin, la déflexion de faisceaux lumineux nécessite l'injection dans le dispositif d'une puissance considérable, dans le cas de l'invention, -la déflexion, qui est obtenue en modifiant l'orientation des molécules, ne nécessite qu'une dépense d'énergie très faible. Le procédé selon l'invention est donc particulièrement économique. Bien que la présente description des phénomènes se réfère constamment au cristal liquide MBBA, il est évident que 1' invention ne se limite pas à ce seul corps. Au contraire elle englobe tous les corps du type nématique d'anisotropie diélectrique positive ou négative, aptes à former ces ins tabilités hydrodynamiques, et même les cristaux liquides d'autre type comme, par exemple, les smectiques C, qui ont une structure proche de celle des nématiques. L'invention concerne également un dispositif mettant en application le procédé décrit plus haut. Ce dispositif est décrit sur la figure 4. Sur cette figure, une cellule électrooptique 2 comprend deux-électrodes planes et parallèles 4 et 6 réalisées sous forme de dépits métalliques semi-transparents sur des plaques isolantes et transparentes 5 et 7. Un mince film de cristaux liquides 8 est intercale entre 4 et 6, les électrodes 4 et 6 sont espacées à l'aide d'une cale d'épaisseur isolante 10; deux connexions électriques 12 et 14 permettent de relier les électrodes 4 et 6 à deux générateurs de tensions électriques: le générateur 16 qui fournit une tension électrique périodique de fréquence f et d'amplitude crête E et le générateur 18 qui fournit une tension périodique de fréquence f et d'amplitude crête E'. Un faisceau lumineux 20 frappe la cellule 2; le faisceau non dévié (ordre zéro) est désigné par 22; les faisceaux diffractés dans les ordres 1, 2, 3 etc... sont désignés par 31, 32, 33 et les faisceaux dans les ordres -1 -2, etc.. sont désignés par 41, 42, etc... L'angle O sépare les directions de l'ordre O et de l'ordre 1. Cet angle est calculable en fonction du pas du réseau de diffraction et de l'angle d'incidence du faisceau 20 ainsi qu'il est connu de l'homme de l'art. Un matériau particulièrement adapté à la réalisation des électrodes 4 et 6 est l'oxyde d'étain déposé sur des plaques de verre. La cale isolante 10 qui assure l'écartement correct et le parallèlisme entre les électrodes 4 et 6, peut être réalisé en "mylar". Cet écartement est de l'ordre de quelques dizaines de microns. On a expliqué en effet que, contrairement aux procédés de l'art antérieur, le pas créé par le procédé selon l'invention est beaucoup plus faible que l'écartement entre les électrodes. L'utilisation de cales de très faibles épaisseurs n'est donc pas indispensable dans ce cas.Le générateur 16 fournit une tension électrique d'amplitude et de fréquence variables. I1 est réglé de telle sorte que, à la fréquence f, et pour la forme du signal d'excitation, -le cristal liquide soit excité sous une tension correspondant au seuil d'apparition des instabilités hydrodynamiques. Le générateur 18 est réglé à une fréquence f' supérieure à la fréquence f. Pour éviter que des battements entre f et f' apparaissent au voisinage de f, il est judicieux de régler la fréquence f' à une fréquence supérieure à 2f. Par exemple, si la fréquence du signal émis par le générateur 16 est de l'ordre de 400 Hertz, on peut régler la fréquence f' à une valeur située au delà de 1 kHz par exemple à 5kHz comme pour la figure 3.L'application du champ électrique de fréquence f' fait apparaître au sein du cristal liquide 8 des instabilités hydrodynamiques provoquant des variations périodiques d'indice. Pour que le faisceau lumineux incident 20 soit sensible à cette biréfringence, il est nécessaire que la polarisation du faisceau 20 soit parallèle à la direction initiale d'orientation moléculaire. Dans ce cas, le faisceau lumineux 20 traversant une structure d'indice périodique subit une diffraction et l'on trouve à la sortie de la cellule 2 des faisceaux diffractés suivant des angles donnés classiquement par la loi de Bragg. L'angle de diffraction e est une fonction du pas de la structure périodique obtenue au sein du liquide 8, lequel pas est une fonction de l'amplitude du second champ appliqué conformément à la figure 3. Les directions des faisceaux émergents 31, 32, 33 etc ... et 41, 42, 43 etc... sont donc fonctions de l'amplitude du champ électrique E'. Pour une amplitude donnée du second champ électrique, l'angle e est donné, et la direction de déflexion est fixe; cependant ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, l'intensité lumineuse diffractée, dans le rayon 31 par exemple (correspondant à l'ordre 1), est modulée en amplitude. Cette intensité lumineuse est donc une fonction périodique du temps dont la forme dépend du cristal liquide utilisé et du signal d'excitation.On a représenté sur la figure 5 un cas particulier de modulation de l'intensité lumineuse obtenue en utilisant comme cristal liquide le MBBA, et comme tensions d'excitation des tensions sinusoîdales. Sur cette figure, le temps est en abscisse et les deux courbes représentées reflètent l'une le premier champ électrique sinusoïdal appliqué (courbe 50) et l'autre l'intensité lumineuse détectée dans l'un des faisceaux diffractés par le dispositif (courbe 60). On voit que la modulation d'amplitude est totale et s'effectue à une fréquence double de celle du premier champ électrique d'excitation. Bien que la figure 5 se rapporte à des tensions d'excitation sinusoldales, l'invention ne se limite pas seulement à ce seul type d'excitation. Un dispositif qui utiliserait des signaux rectangulaires par exemple ne sortirait pas du cadre de l'invention. On peut utiliser, en fait, n'importe quelle combinaison de deux champs électriques à condition qu'ils soient périodiques, que la fréquence du premier soit supérieure à la fréquence critique pour étre dans le régime diélectrique, et que la fréquence du second soit supérieure à la fréquence du premier. Le dispositif décrit, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, permet d'obtenir une cellule électrooptique de dé flexion et de modulation de la lumière, dont l'encom- brement et la consommation électrique sont très faibles; sa durée de vie est grande (quelques milliers d'heures) et sa mise en oeuvre est particulièrement simple. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction à pas réglable, utili-s-ant la formation d'instabilités hydrodynamiques périodiques dans un film de cristal liquide sous l'effet d'une excitation électrique, caractérisé en ce qu'on applique audit film de cristal liquide un premier champ électrique périodique de frequence supérieure à une fréquence critique, qu'on règle l'amplitude de ce champ électrique pour entre, à ladite fréquence, au seuil d'apparition desdites instabilités hydrodynamiques, qu'on superpose audit champ un second champ électrique périodique d'amplitude réglable et de fréquence supérieure à la fréquence dudit premier champ électrique, et qu'on ajuste l'amplitude dudit second champ pour obtenir la valeur choisie dudit pas. 2. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction à pas réglable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins desdits champs électriques est sinusoïdal. 3. Procédé d'obtention d'un réseau de diffraction à pas réglable suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on modifie la conductivité du cristal liquide en ajoutant audit cristal un sel ionisable, pour modifier la valeur de la fréquence critique et la limite inférieure dudit pas. 4. Dispositif d'obtention d'un réseau à pas réglable mettant en application le procédé selon la revendication 1 et comprenant une cellule électrooptique constituée d'un mince film de cristal liquide intercalé entre deux électrodes planes parallèles et semi-transparentes, des connexions électriques reliant lesdites électrodes à un circuit d'alimentation, carac térisé en ce que ledit circuit comprend, branchés en parallèle un premier générateur de tension, de fréquence et d'amplitude réglables, et un second générateur de tension, de fréquence et d'amplitude également réglables. 5. Dispositif d'obtention d'un réseau de diffraction à pas réglable selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cristal liquide utilisé est de type nématique. 6.Dispositif d'obtention d'un réseau de diffraction à pas réglable selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cristal liquide utilisé est de type smectique C. 7. Dispositif d'obtention d'un réseau de diffraction à pas réglable selon la revendication 5, caractérisé en ce que la constante diélectrique dudit cristal liquide dans un plan parallèle auxditesélectrodes est inférieure à la constante diélectrique dans la direction perpendiculaire, les molécules dudit cristal étant orientées, en l'absence d'excitation électrique, parallèlement auxdites électrodes. 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'un au moins desdits générateurs est un générateur de tension sinusoldale.