Verbesserung der Schaltdynamik nematischer Flüssigkristalle für adaptive optische Anwendungen (2008)

Flüssigkristalle sind Substanzen mit einzigartigen optischen, elektro-optischen, sowie mechanischen Eigenschaften. Ihr ambivalenter Zustand führt dazu, dass sie das Verhalten sowohl isotroper Flüssigkeiten als auch kristalliner Festkörper, die sich u.a. durch die Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften auszeichnen, in sich vereinen. Anhand der Positions- bzw. Orientierungsordnung der Flüssigkristalle, die u.a. temperaturabhängig ausgebildet werden können, wird zwischen verschiedenen sog. Mesophasen unterschieden: Die nematische Phase stellt die einfachste der Mesophasen dar und weist lediglich eine Orientierungsordnung auf. Durch die stark ausgeprägte intermolekulare Wechselwirkung tendieren die nematischen Flüssigkristall-Moleküle dazu, sich parallel zueinander auszurichten. In diesem geordneten Zustand zeigen Flüssigkristalle hohe optische Anisotropien, d.h. sie wirken doppelbrechend und verzögern die Phase linear polarisierten Lichts. Der Betrag der Anisotropie wächst dabei mit zunehmendem Grad der Ordnung. Die phasenmodulierende Eigenschaft der Flüssigkristalle wird im Gegensatz zur Amplitudenmodulation bisher kaum technisch ausgenutzt. Dabei ermöglicht sie, optische Funktionen, wie beispielsweise das Fokussieren oder Ablenken von Lichtstrahlen (sowohl refraktiv als auch diffraktiv), adaptiv zu realisieren. Dadurch können bisherige mechanische Systeme ersetzt, die Integrationsdichte erhöht und die Miniaturisierung weiter vorangetrieben werden. Diese Optimierungen gewinnen für technische Produkte, insbesondere in der Mikrooptik zunehmend an Bedeutung. Eine wesentliche Hürde für den vermehrten Einsatz von nematischen Flüssigkristallen als Phasenmodulatoren sind die zum Erreichen größerer Phasenverzögerung auftretenden hohen Schaltzeiten. Das gilt insbesondere für die Ausschaltzeit, da diese hauptsächlich durch die relativ langsamere Relaxation der Flüssigkristall-Moleküle bestimmt wird. Die Ausschaltzeiten von konventionell gefertigten Flüssigkristall-Modulatoren liegen im Sekundenbereich. Größere Phasenverzögerungen werden beispielsweise benötigt, wenn optische Funktionen refraktiv realisiert werden, wodurch u.a. eine hohe optische Qualität und eine kontinuierliche Steuerbarkeit erzielt werden können. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Reduzierung der Ausschaltzeit durch die Erhöhung der Randanbindungskräfte. Sie ermöglicht die Relaxation der Flüssigkristall-Moleküle zu beschleunigen. Die Erhöhung der Randanbindung kann z. B. durch die Reduzierung der effektiven Zelldicke der Flüssigkristall-Modulatoren erreicht werden, was jedoch die realisierbare Gesamtphasenverzögerung reduziert. Zum Erhöhen der Randanbindungskräfte wurden im Rahmen dieser Arbeit die Flüssigkristall-Moleküle in ein Polymernetzwerk eingebettet, das sog. Subdomänen ausbildet. Dies führt zu einer erhöhten Randanbindung, da die Oberfläche, mit der die Flüssigkristall-Moleküle in Berührung kommen, drastisch vergrößert wird. Dabei erlaubt diese Methode größere Phasenverzögerungen bei reduzierten Ausschaltzeiten. Die Verwendbarkeit dieser Methode setzt eine einheitliche Vororientierung der Flüssigkristalle in den einzelnen Subdomänen voraus. Konventionelle Vororientierungsmethoden wie z. B. das Reiben einer Polyimidschicht in einer Vorzugsrichtung oder die Bestrahlung einer photoempfindlichen Schicht mit UV-Licht können hierbei nicht angewendet werden, da die Beschichtung direkt auf die betreffenden Oberflächen vorgenommen werden muss. Es werden mehrere Lösungswege zur einheitlichen Vororientierung in Subdomänen vorgestellt. Aufbauend auf der Temperaturabhängigkeit der Rotationsviskosität und der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Anisotropie konnten erfolgreich weitere Schaltzeitoptimierungen vorgenommen werden. Die Entwicklung adaptiver optischer Elemente auf der Basis nematischer Flüssigkristalle bildet einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit.