Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света
ELECTRICALLY CONTROLLED LIQUID CRYSTAL POLARIZATION ROTATOR FOR MONOCHROMATIC LIGHT

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам, основанным на жидких кристаллах (ЖК) и предназначенным для управления поляризацией проходящего света с использованием электрического поля.
d
n
d
n
Известен жидкокристаллический вращатель поляризации света [Schadt M., Helfrich W. Voltage-dependent optical activity of a twisted nematic liquid crystal // Appl. Phys. Lett. – 1971. – Vol. 18, Iss. 4. P. 127–128], состоящий из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами, на которые нанесены ориентирующие покрытия, и слоя нематического жидкого кристалла (нематика) с положительной диэлектрической анизотропией между ними. Ориентирующие покрытия задают для ЖК тангенциальные (планарные) условия сцепления (палочкообразные молекулы ЖК при этом ориентируются параллельно поверхности подложки) и обработаны так, чтобы ориентация директора (преимущественное направление ориентации палочкообразных молекул ЖК) на противоположных подложках была взаимно перпендикулярной. В результате в объеме слоя нематика формируется закрученная на 90° конфигурация директора. В исходном состоянии нормально падающий свет с линейной поляризацией параллельной (перпендикулярной) директору на входной подложке после прохождения ЖК ячейки изменяет направление поляризации на 90° если длина волны падающего света λ удовлетворяет условию λ  << 4Δ ( – толщина слоя ЖК, Δ – оптическая анизотропия ЖК). Приложение электрического поля перпендикулярно слою ЖК приводит к переключению устройства в состояние, в котором отсутствует вращение плоскости поляризации проходящего света, вследствие ориентации директора вдоль электрического поля (вдоль направления распространения света).
Недостатком вышеописанного устройства является то, что переключение электрическим полем направления плоскости поляризации света происходит только между двумя состояниями: 90° и 0°.
0
0
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является жидкокристаллическое устройство для непрерывного вращения поляризации монохроматического света [Simoni F., Bartolino R., Guarracino N., Scaramuzza N., Barbero G., Catalano A. Liquid crystal device for continuous rotation of selective polarization of monochromatic light // United States Patent No. 4579422. 01.04.1986], содержащее две стеклянные подложки с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического ЖК (холестерика) с положительной диэлектрической анизотропией. Прозрачные электроды были обработаны таким образом, чтобы задавать тангенциальное (планарное) поверхностное сцепление для холестерика на обеих подложках. В исходном состоянии линейная поляризация нормально падающего монохроматического света после прохождения ЖК устройства поворачивается на определенный угол β вследствие того, что холестерик имеет геликоидальное упорядочение директора. Приложение электрического поля различной величины перпендикулярно слою ЖК приводило к плавному изменению угла поворота поляризации света β. Так в диапазоне приложенных напряжений от 3 до 6 В было получено плавное изменение угла поворота поляризации монохроматического света β-β от 0° до 45°.
Недостатками известного устройства являются достаточно большое управляющее напряжение и малый диапазон изменения угла поворота поляризации света.
Техническим результатом изобретения является создание электроуправляемого жидкокристаллического вращателя поляризации монохроматического света на основе слоя холестерика с тангенциально-коническим поверхностным сцеплением, обладающего низким управляющим напряжением и относительно большим изменением угла поворота поляризации света.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроуправляемом жидкокристаллическом вращателе поляризации монохроматического света, состоящем из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерика, прозрачные электроды обработаны таким образом, чтобы обеспечить для ЖК тангенциальное поверхностное сцепление на одной подложке и коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали на второй подложке, в результате чего в ячейке образуется закрученная конфигурация директора, в которой при воздействии электрического поля различной величины на слой ЖК происходит плавное изменение угла закрутки директора. В данном случае коническое поверхностное сцепление означает, что директор ЖК на границе раздела составляет определенный полярный угол с нормалью к поверхности, не изменяющийся при воздействии электрического поля используемой величины. В то же время азимутальная ориентация директора вырождена, то есть, директор может свободно поворачиваться по конусу вокруг нормали к поверхности так, что любые его положения равнозначны по величине энергии поверхностного сцепления. Полярный угол можно варьировать в интервале от 30° до 50°, применяя на этапе изготовления устройств полимерные пленки разного состава, используемые в качестве ориентирующего покрытия.
Отличия заявляемого электроуправляемого жидкокристаллического вращателя поляризации монохроматического света от прототипа заключаются в том, что прозрачный электрод на одной из подложек обработан таким образом, что обеспечивается коническое поверхностное сцепление для холестерического ЖК с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали, в результате чего в ячейке образуется закрученная конфигурация директора, для которой достаточно воздействия электрического поля меньшей величины для обеспечения плавного изменения угла закрутки директора на больший угол.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображено поперечное сечение заявляемого электроуправляемого жидкокристаллического вращателя поляризации монохроматического света (фиг. 1).
Заявляемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света содержит две стеклянные пластины 1 с прозрачными электродами 2 на внутренних сторонах, покрытых различными полимерными пленками-ориентантами 3 и 4. Между подложками располагается слой холестерического ЖК 5, толщина которого задается спейсерами 6. Полимерная пленка 3, покрывающая подложку, на которую падает линейно-поляризованный монохроматический свет (обозначен стрелкой на фиг. 1), однонаправленно натирается. В качестве холестерического ЖК использована нематическая смесь ЛН-396 [Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Sutormin V.S., Zyryanov V.Ya. Director configurations in nematic droplets with tilted surface anchoring // Liq. Cryst. – 2017. – Vol. 47, No. 2. P. 355–363], допированная холестерилацетатом. В качестве полимерной пленки 3 использован поливиниловый спирт (ПВС) (www.sigmaaldrich.com), который для выбранного жидкого кристалла задает тангенциальное поверхностное сцепление. В качестве полимерной пленки 4 использован полиизобутилметакрилат (ПиБМА) (www.sigmaaldrich.com), который для выбранного жидкого кристалла задает коническое поверхностное сцепление с полярным углом наклона директора 40° к нормали на границе раздела полимер-ЖК.
0
0
0
p
n
p
Заявляемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света функционирует следующим образом. В отсутствие внешнего электрического поля направление поляризации линейно-поляризованного света после прохождения ЖК слоя поворачивается на угол β вследствие того, что в слое ЖК реализована закрученная конфигурация директора. При этом поляризация падающего света должна быть параллельна или перпендикулярна направлению натирки полимерной пленки 3 на входной подложке 1, а длина волны падающего света λ должна удовлетворять условию λ << Δ, где  – шаг холестерической спирали (расстояние на котором директор поворачивается на 360°). При подаче на электроды 2 электрического сигнала происходит изменение угла закрутки директора в ЖК слое 5, сопровождаемое азимутальным поворотом директора на полимерной пленке 4 с коническим поверхностным сцеплением. В результате поляризация падающего линейно-поляризованного света после прохождения ЖК слоя поворачивается на угол β, отличный от исходного β. При этом варьирование величины приложенного электрического поля позволяет плавно управлять величиной изменения угла поворота поляризации света β-β.
Примеры:
1-го примера
В качестве  был изготовлен электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света с применением следующий операций:
1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена пленка ПВС методом центрифугирования.
2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.
3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки была нанесена пленка ПиБМА методом центрифугирования.
4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 1, в которой величина зазора для ЖК составляла 13.9 мкм.
5. Ячейка заполнялась нематической смесью ЛН-396, допированной холестерилацетатом в соотношении 1 : 0.0063 по весу. В результате формировался электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, схематическое изображение которого показано на фиг. 1.
p
d
p
0
0
Используемый холестерик имел шаг спирали  равный 22.9 мкм. Отношение толщины слоя холестерика  к шагу холестерической спирали  составляло 0.61. В качестве источника излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны λ = 632.8 нм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.18 В позволяло варьировать величину изменения угла поворота поляризации света β-β от 0 до 60° (фиг. 2а). Причем величина β-β равная 45° (максимальное значение, полученное у прототипа) достигалась при напряжении 1.11 В.
2-го примера
В качестве  был изготовлен электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света с применением следующий операций:
1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена пленка ПВС методом центрифугирования.
2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.
3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки была нанесена пленка ПиБМА методом центрифугирования.
4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 1, в которой величина зазора для ЖК составляла 21.6 мкм.
5. Ячейка заполнялась нематической смесью ЛН-396, допированной холестерилацетатом в соотношении 1 : 0.0041 по весу. В результате формировался электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, схематическое изображение которого показано на фиг. 1.
p
d
p
0
0
Используемый холестерик имел шаг спирали  равный 35.6 мкм. Отношение толщины слоя холестерика  к шагу холестерической спирали  составляло 0.61. В качестве источника излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны λ = 632.8 нм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.40 В позволяло варьировать величину изменения угла поворота поляризации света β-β от 0 до 65° (фиг. 2б). Причем величина β-β равная 45° (максимальное значение, полученное у прототипа) достигалась при напряжении 1.07 В.
3-го примера
В качестве  был изготовлен электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света с применением следующий операций:
1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена пленка ПВС методом центрифугирования.
2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.
3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки была нанесена пленка ПиБМА методом центрифугирования.
4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 1, в которой величина зазора для ЖК составляла 35.3 мкм.
5. Ячейка заполнялась нематической смесью ЛН-396, допированной холестерилацетатом в соотношении 1 : 0.0025 по весу. В результате формировался электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, схематическое изображение которого показано на фиг. 1.
p
d
p
0
0
Используемый холестерик имел шаг спирали  равный 57.6 мкм. Отношение толщины слоя холестерика  к шагу холестерической спирали  составляло 0.61. В качестве источника излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны λ = 632.8 нм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.43 В позволяло варьировать величину изменения угла поворота поляризации света β-β от 0 до 76° (фиг. 2в). Причем величина β-β равная 45° (максимальное значение, полученное у прототипа) достигалась при напряжении 1.02 В.
0
0
Исследования полученных экспериментальных образцов показали, что заявляемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света по совокупности физико-технических характеристик не уступает прототипу. В то же время были получены более высокие значения изменения угла поворота поляризации света β-βпри использовании более низких значений управляющего напряжения. Так, для устройства, описанного в Примере 3, где толщина слоя холестерика составляла 35.3 мкм, управляющее напряжение, необходимое для достижения величины β-β = 45°, было уменьшено в 5.8 раза, а предельное изменение угла поворота поляризации света было увеличено в 1.7 раза в сравнении с прототипом.
Предлагаемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света может использоваться в оптоэлектронных приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации элемент с низковольтным управлением поляризацией проходящего оптического излучения.