ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА ПРОСВЕТНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, в частности, к конструкции оптически управляемых модуляторов света на основе жидких кристаллов.(ЖК) просветного типа, которые позволяют выполнять запись и считывание информации в реальном масштабе времени. Такие модуляторы света используются для реверсивной записи голограмм, для голографической коррекции аберраций оптических элементов в адаптивной оптике или управления пространственной структурой лазерных пучков, а также других областях техники.
Известен пространственно-временной жидкокристаллический модулятор света для систем оптической обработки информации [Патент РФ №2134440, МПК G02F 1/1337, Дата приор. 1995.08.07., Опубл. 1999.08.10.], состоящих из двух стеклянных пластин, покрытых прозрачным проводящим слоем, между которыми расположены полимерный фотопроводник в качестве светочувствительного слоя и нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей среды. Параллельная ориентация жидких кристаллов создавалась с помощью слоя аморфного углерода, использование которого позволило повысить быстродействие ЖК модулятора.
50
50
Кроме полимерного фотопроводника в оптически управляемых ЖК модуляторах света просветного типа используют аморфные пленки селенида мышьяка [Амосова Л.П., Чайка А.Н. Оптически управляемая структура AsSe - жидкий кристалл с высокой чувствительностью к излучению гелий-неонового лазера. // Письма в ЖТФ. 2007. том 33. вып.6. С.56-62.] и аморфного гидрогенизированного кремния [Иванова Н.Л., Онохов А.П., Чайка А.Н. Реверсивная запись интерференционных решеток с дифракционной эффективностью свыше 50% на структуре аморфный гидрогенизированный кремний - нематический жидкий кристалл. // Письма в
ЖТФ. 2001. том 27. вып.15. С.57-61]. Недостатком селенида мышьяка является высокая инерционность, не позволяющая работать на переменном напряжении, что сокращает срок службы ЖК модулятора и ухудшает его быстродействие. Кроме того, фопроводники на основе селенидов мышьяка не стабильны. Недостатком ЖК модуляторов с аморфным гидрогенизированным кремнием является малая разрешающая спосособность.
-1
Наиболее близким по технической сущности и выбранным авторами за прототип является оптически управляемый ЖК модулятор просветного типа с нематическим ЖК и фотопроводниковым слоем аморфного гидрогенизированного карбида кремния a-Si:C:H с собственным типом проводимости [Беренберг В.А., Иванова Н.Л., Феоктистов Н.А., Чайка А.Н. Прямая запись тонких динамических дифракционных решеток в оптически адресуемых пространственных модуляторах света с дифракционной эффективностью более 50%. // ЖТФ. 2008. Т. 78. вып.4. С.99-103]. По конструкции такой модулятор представляет собой две параллельные стеклянные подложки, между которыми заключен слой нематического жидкого кристалла. Поверхности стеклянных подложек, со стороны слоя ЖК, покрыты прозрачным проводящим слоем. На одной из подложек на поверхность прозрачного проводящего слоя нанесен фотопроводниковый слой a-Si:C:H. В качестве ориентирующих слоев в модуляторе использовали слои окиси церия, создающие параллельную-направленную наклонную ориентацию длинных осей молекул ЖК в одном направлении с углом наклона директора ЖК менее 30 градусов. Дифракционная эффективность (ДЭ) прототипа не превышала 31% на частоте 26 мм. Недостатком этого оптического ЖК модулятора является невысокое предельное значение ДЭ и низкое пространственное разрешение.
Решается задача повышения дифракционной эффективности при одновременном увеличении разрешающей способности оптически управляемых ЖК модуляторов просветного типа.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом оптически управляемом ЖК модуляторе света просветного типа, состоящем из двух стеклянных подложек, покрытых прозрачным проводящим электродным слоем, между которыми расположены слои фотопроводника a-Si:C:H с собственным типом проводимости и слой нематического ЖК, который имеет начальный угол наклона директора более 30 градусов.
-1
Техническим результатом полезной модели оптически управляемого жидкокристаллического модулятора света на основе фотопроводникового слоя a-Si:C:H с собственным типом проводимости и нематического ЖК является достижение значений предельной ДЭ более 60% и пространственного разрешения по полуспаду ДЭ от ее максимального значения до 75 мм. превышает по значениям дифракционной эффективности и разрешения заявляемый оптически управляемый ЖК модулятор превосходит не только его прототип, но и все известные аналоги.
Сущность заявляемой полезной модели поясняют фиг.1-3, где на фиг.1 представлена схема оптически управляемого ЖК модулятора света просветного типа, на фиг.2 показана схематически ориентация молекул ЖК относительно направлений записывающего и считывающего пучков, а на фиг.3 представлены экспериментальные зависимости дифракционной эффективности от пространственной частоты в+1 (кривые 1, 2) и -1 (кривые 3, 4) порядках дифракции для первого () и второго () оптически управляемых ЖК модуляторов просветного типа на основе фотопроводника a-Si:C:H и нематического ЖК, с параллельно-направленной наклонной ориентацией..
Оптически управляемый жидкокристаллический модулятор света просветного типа, схема которого показана на фиг.1, включает в себя две параллельные стеклянные подложки 1 и 2, между которыми расположен слой жидкого кристалла 3. Каждая подложка покрыта прозрачным проводящим электродным слоем 4. На поверхность прозрачного электрода на подложке 1 нанесен фотопроводниковый слой 5. Для получения параллельно-
направленной наклонной ориентации молекул ЖК поверхность слоя фотопроводника 5 на подложке 1 и поверхность прозрачного электрода 4 на подложке 2 покрыта ориентирующим слоем 6. Толщина зазора между подложками фиксируется с помощью спейсеров.
Предлагаемую полезную модель оптически управляемого ЖК модулятора света просветного типа иллюстрирует следующий пример. Были изготовлены два оптически управляемых ЖК модулятора света просветного типа с фотопроводником a-Si:C:H, имеющим собственный тип проводимости, толщиной слоя 1,8 мкм и нематическим жидким кристаллом марки ЖК-1001 (НИОПИК). Жидкий кристалл представлял собой смесь молекул, имеющих положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию. Модуляторы имели одинаковую конструкцию, показанную на фиг.1 и отличались только структурой и свойствами ориентирующих поверхностей, граничащих со слоем ЖК. В первом модуляторе для ориентации ЖК использовали слой моноокиси германия GeO, полученный наклонным напылением в вакууме, который обеспечивал большой угол наклона директора ЖК, а во втором модуляторе - на поверхность GeO дополнительно осаждали тонкий слой аморфного гидрогенизированного углерода а-С:Н, который способствовал уменьшению начального угла наклона директора. Толщина слоя ЖК d и начальный угол θ наклона директора ЖК (фиг.2) в модуляторах приведены в таблице 1.
Таблица. 1
Образец
Ориентирующая поверхность
d мкм
θ, град.
1
GeO
14
46,5
2
GeO/ а-С:Н
13,5
30
pp
Дифракционная эффективность, которая определяется как отношение интенсивности света в первом порядке дифракции к интенсивности света, прошедшего через структуру при отсутствии записывающего светового потока является одной из основных характеристик оптически управляемых модуляторов света для голографических применений. Измерение ДЭ и разрешения модуляторов проводили по голографической методике. Питание ЖК модулятора осуществляли путем подачи на прозрачный проводящий электрод 4 на фиг.1 прямоугольных биполярных импульсов напряжения (±U). Отношение периода следования импульсов к их продолжительности равнялось двум. В измерительной схеме модуляторы располагали относительно направлений записывающего и считывающего света таким образом, чтобы директор ЖК был параллелен направлению поляризации считывающего пучка и вектору записываемой решетки, а угол считывания φ=18°(фиг.2).
2
На фотопроводниковом слое 5 модулятора (фиг.°1) с помощью He-Ne лазера с длиной волны 633 нм формировалась картина интерференции двух пучков с плоскими волновыми фронтами. Диаметр формируемой голограммы составлял 12 мм. Световые импульсы записи были синхронизированы с импульсами питающего напряжения, а продолжительности и периоды следования импульсов были равны 0,5 с и 1 с, соответственно. Для считывания в просветной моде использовалось непрерывное когерентное излучение полупроводникового лазерного диода с длиной волны излучения 814 нм, обеспечивающего интенсивность считывающего потока до 0,38 мВт/см.
На фиг.3 приведены экспериментальные зависимости дифракционной эффективности от пространственной частоты для исследуемых оптически управляемых ЖК модуляторов просветного типа в +1 (кривые 1, 2) и - 1 (кривые 3, 4) порядках дифракции. В таблице 2 даны полученные значения предельной ДЭ в +1 порядке дифракции, а также значения ДЭ в -1 порядке, соответствующие этим же пространственным частотам, полученные экспериментально.
-1
При одном и том же угле считывания, равном 18 градусам, у первого модулятора, имеющего более высокий начальный угол наклона директора ЖК θ=46,5°, предельная величина ДЭ в +1 порядке дифракции была значительно выше и равна 68,5% на пространственной частоте 26 мм, что является рекордной величиной для всех известных аналогов.
Таблица 2.
№ образца
U<sub>pp</sub>, В
+1 порядок дифракции
-1 порядок
ДЭ<sub>max</sub>, %
ν, мм<sup>-1</sup>
Разрешение по уровню 0,5 ДЭ, мм<sup>-1</sup>
ДЭ<sub>max</sub>, %
ν, мм<sup>-1</sup>
1
±7
68,5
26
75
23
26
2
±4,5
50,5
31,5
74
10,5
31,5
-1
-1
У второго модулятора с θ=30° эта величина составила 50,5% на частоте ν=31,5 мм что превышает значение ДЭ для прототипа модулятора при том же угле считывания. Пространственное разрешение по полуспаду ДЭ от максимального значения в +1 порядке дифракции (фиг.3, кривые 1 и 2) для обоих ЖК модуляторов было около 75 мм, что значительно превышает ранее полученные значения для всех известных аналогов заявляемого оптически управляемого ЖК модулятора. Таким образом, доказано, что заявляемый оптически управляемый жидкокристаллический модулятор света просветного типа обладает дифракционной эффективностью и пространственным разрешением превосходящим ранее известные аналоги и прототип.