ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЗАТВОР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области инфракрасной техники, в частности к модуляторам инфракрасного излучения, и может быть использовано в качестве жидкокристаллического затвора, способного переключаться между рассеивающим и светлым состояниями с воспроизводимой интенсивностью и стабильным временем переключения.
Уровень техники
Из уровня техники известен твист-нематический жидкокристаллический электрооптический модулятор для инфракрасной связи, состоящий из пары скрещенных поляризаторов и пары подложек, покрытых прозрачным проводящим электродом со сформированным на нем ориентирующим слоем для создания предварительной ориентации жидкого кристалла (ЖК), помещенного между подложками (см. Л1).
Недостатками известного технического решения являются низкая технологичность ввиду необходимости формирования слоя электродов и необходимости использования поляризаторов, а также недостаточно широкий спектральный диапазон проходящего ИК-излучения.
Из уровня техники известен сегнетоэлектрический жидкокристаллический инфракрасный затвор, состоящий из ИК-прозрачной подложки с нанесенными на нее друг рядом с другом линейными поляризаторами, которые могут быть ориентированы параллельно или скрещенно, а также находящимся на некотором расстоянии слоем жидкого кристалла между отражающим и прозрачным электродами (см. Л2).
Недостатком известного технического решения является низкая технологичность ввиду необходимости формирования слоя электродов в одном из вариантов конструкции и необходимости использования поляризаторов, а также возможность функционирования только в режиме отражения.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение технологичности конструкции за счет создания жидкокристаллического затвора, позволяющего управлять интенсивностью пропускаемого инфракрасного излучения в определенных диапазонах длин волн электромагнитного спектра, конструкция которого не предусматривает использования каких-либо специальных электропроводящих покрытий в качестве электродов и специальных поляризаторов.
Технический результат достигается тем, что жидкокристаллический затвор инфракрасного излучения включает: слой жидкого кристалла, в котором наблюдается эффект рассеяния света, ограниченный с двух сторон двумя электропроводящими подложками, коэффициент пропускания которых в инфракрасной области спектра отличен от нуля, при этом к двум подложкам подключены выходы источника питания, например разнополярные, для подачи напряжения к слою жидкого кристалла, а две подложки зафиксированы между собой материалом, обеспечивающим герметизацию слоя жидкого кристалла между двумя подложками (например, так, как показано на фигуре 1).
В предпочтительном варианте, толщина слоя жидкого кристалла жидкокристаллического затвора определяется размером спейсеров, которые задают расстояние между двумя подложками. Одна или обе подложки выполнены из вырожденного полупроводникового материала. На одной или обеих подложках, выполненных из полупроводникового материала, нанесены контактные площадки, которые связаны с подложкой омическим контактом для подачи напряжения к слою жидкого кристалла с выходов источника питания, например разнополярных. На одну или обе подложки нанесено просветляющее покрытие с одной или двух сторон подложки. Толщина слоя жидкого кристалла превышает максимальную длину волны проходящего излучения.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 представлено поперечное сечение жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения.
На фиг.2 представлены варианты конструкции подложки без или с нанесенными просветляющими покрытиями, а также контактными площадками: подложка из вырожденного полупроводникового материала без нанесенных контактных площадок (а), (г), (ж), (к); подложка с нанесенной контактной площадкой, выполненной со стороны жидкого кристалла (б), (д), (з), (л) и с внешней стороны (в), (е), (и), (м); подложка без просветляющего покрытия (а)-(в), подложка с просветляющим покрытием со стороны жидкого кристалла (г)-(е), подложка с просветляющим покрытием с внешней стороны (ж)-(и), подложка с просветляющим покрытием с двух сторон (к)-(м).
На фигурах 1 и 2 обозначено одинаковыми ссылочными позициями следующее:
1 - подложка с нанесенными просветляющими покрытиями, а также контактными площадками;
2 - материал, например клей, обеспечивающий герметизацию жидкого кристалла между подложками;
3 - слой жидкого кристалла;
4 - спейсеры;
5 - контактная площадка;
6 - подложка;
7 - просветляющее покрытие.
На фиг.3 представлен инфракрасный спектр пропускания жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения на кремниевых подложках при различной амплитуде напряжения.
На фиг.4 представлен инфракрасный спектр пропускания жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения на германиевых подложках с просветляющим покрытием при различной амплитуде напряжения.
Заявленный жидкокристаллический затвор инфракрасного излучения (см. фигуры 1 и 2) выполнен на прозрачных для инфракрасного излучения подложках (6) без или с нанесенными просветляющими покрытиями (7) без или с контактными площадками (5) для подачи напряжения на слой жидкого кристалла (3) от источника питания (на фигуре не показан), находящийся в зазоре, удерживаемом спейсерами (4). Подложки зафиксированы между собой материалом (2), например клеем, обеспечивающим герметизацию слоя жидкого кристалла (3) между подложками без или с нанесенными просветляющими покрытиями (1).
Осуществление изобретения
Заявленный жидкокристаллический затвор инфракрасного излучения функционирует следующим образом.
Подаваемое электрическое напряжение необходимой амплитуды, частоты и формы вызывает появление в слое жидкого кристалла светорассеивающего электрооптического эффекта, что приводит к возникновению пространственной неоднородности жидкого кристалла и является причиной рассеяния на нем проходящего излучения. Именно использование светорассеивающих электрооптических эффектов позволяет затвору обходиться без поляроидов. Изготовление подложек из прозрачного для ИК и электропроводящего материала позволяет обойтись без специальных электропроводящих покрытий, например ITO (indiumtinoxide), поскольку такие покрытия поглощают значительную часть излучения ИК диапазона. Просветляющее покрытие служит для увеличения коэффициента пропускания в инфракрасной области спектра. Контактные площадки являются необходимыми при невозможности контактирования к подложке из-за различий в типе проводимости материала подложки и контактов с выхода источника питания (например, в случае полупроводниковой подложки и металлических контактов с выхода источника питания), что приводит к тому, что на подложку не будет подано напряжение. Чтобы обеспечить возможность передачи напряжения на подложку, на ней формируется контактная площадка с типом проводимости, совпадающим с типом проводимости контактов с выходов источника питания. Омический контакт обеспечивает возможность подачи напряжения на подложку от контактов источника питания через контактную площадку. Альтернативой служит легирование полупроводниковой подложки до состояния вырожденного полупроводника.
Примеры реализации.
Технические решения были использованы при реализации жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения, обеспечивающего модуляцию инфракрасного излучения в диапазоне 2,5-25,0 мкм. В качестве подложек при реализации конструкции жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения использовали кремниевые монокристаллические пластины с ориентацией [100], легированные бором (марка пластин КДБ 7,5). Величина зазора составила 30 мкм, марка нематического жидкого кристалла НЖК-440-ДРС. Спектр измерили на инфракрасном-Фурье спектрофотометре IRAffinity-1 фирмы Shimadzu. Расстояние от плоскости затвора до фотоприемника около 25 см при полностью открытой апертуре. Знакопеременное напряжение подавали с помощью автотрансформатора, понижавшего напряжение сети с частотой 50 Гц до требуемого. Амплитуда и частота знакопеременного напряжения измеряли осциллографом AgilentDSO6012A. Видно, что повышение амплитуды напряжения уменьшает пропускание жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения. Полученный жидкокристаллический затвор инфракрасного излучения обладал следующими характеристиками: изменение пропускания от 30% (при 0 В) до 5% (при 80 В) в диапазоне 2,5-5 мкм и от 20% (при 0 В) до 9% (при 80 В) на длине волны 10,2 мкм при подаче знакопеременного напряжения (см. фиг.3).
Другим примером реализации конструкции является вариант жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения на германиевых подложках. В качестве подложек при реализации конструкции жидкокристаллического затвора инфракрасного излучения использовали германиевые пластины с просветляющим покрытием на диапазон 8-12 мкм с обеих сторон. Величина зазора составила 30 мкм, марка нематического жидкого кристалла НЖК-440-ДРС. Спектр измерили на инфракрасном-Фурье спектрофотометре IRAffmity-1 фирмы Shimadzu. Расстояние от плоскости затвора до фотоприемника около 25 см при полностью открытой апертуре. Знакопеременное напряжение подавали с помощью автотрансформатора, понижавшего напряжение сети с частотой 50 Гц до требуемого. Амплитуду и частоту знакопеременного напряжения измеряли осциллографом AgilentDSO6012A. Полученный жидкокристаллический затвор инфракрасного излучения обладал следующими характеристиками: изменение пропускания от 55% (при 0 В) до 25% (при 80 B) в диапазоне 10,0-10,6 мкм при подаче знакопеременного напряжения (см. фиг.4).
Таким образом, заявленное устройство представляет собой жидкокристаллический затвор инфракрасного излучения на основе эффекта рассеяния света в жидком кристалле, функционирующий в инфракрасном диапазоне длин волн и обеспечивающий модуляцию интенсивности пропускаемого инфракрасного излучения при воздействии напряжения, например знакопеременного.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент US 6094246 "Acute twist nematic liquid crystal electro-optic modulator for use in an infrared optical communication system having extinction ratio of - 25db". Charles Wong, Yen-Chen Chen, Kuang-Yi Wu, Jian-Yu Liu. Chorum Technologies. 25.06.2000 - (Л1).
2. Патент US 6580078 "Ferroelectric liquid crystal infrared chopper". Michael J. O'Callaghan, William N. Thurmes. Displaytech Inc. 17.03.2003 - (Л2).