Научные достижения

Лазерный эффект в жидкокристаллических системах с деформированным лежащим геликоидом

Н.М. Штыков, С.П. Палто, А.Р. Гейвандов, Б.А. Уманский, И.В. Симдянкин, Д.О. Рыбаков, В.В. Артемов и М.В. Горкунов

Нами обнаружен эффект лазерной генерации в новых фотонных жидкокристаллических (ЖК) системах. Эти системы основаны на индуцированном полем ориентационном переходе в состояние с лежащим в плоскости слоя деформированным геликоидом (DLH), рис 1 b. Этот переход был нами открыт в хиральных ЖК при пространственно-периодических граничных условиях, созданных с использованием высокоразрешающей (~10 нм) ионно-лучевой литографии [1]. В электрическом поле такие ЖК-системы характеризуются набором спектрально структурированных фотонных стоп-зон различного типа [2]. Именно в этих стоп-зонах, наведенных электрическим полем, мы впервые пронаблюдали и исследовали эффект лазерной генерации в довольно узком диапазоне электрических напряжений существования DLH-состояния [3]. Геометрия позволяет использовать множество микроэлементов, управляемых полем, в одном слое ЖК. Мы полагаем, что полученные результаты открывают новые перспективы в создании и исследовании низкопороговых микролазерных систем на основе фотонных жидких кристаллов.
Результаты данной работы опубликованы в Optics Letters (Q1) [3].

Рис. 1. (а) СЭМ -изображения пространственно-периодических

ориентирующих структур (слева), и фото микролазерного

элемента в поляризационном микроскопе; (b) схема микролазерного

элемента: 1 - поверхность, обработанная ионным пучком, для

периодической планарно-вертикальной ориентации ЖК;

2 - поверхность для вертикальной ориентации ЖК;

3 - деформированный геликоид; 4 - оптическая накачка; 5 - лазерная генерация.

1. S.P. Palto, N.M. Shtykov, I.V. Kasyanova, B.A. Umanskii, A.R. Geivandov, D. O. Rybakov, I.V. Symdyankin, V.V. Artemov, M.V. Gorkunov. Deformed lying helix transition and lasing effect in cholesteric LC layers at spatially periodic boundary conditions. // Liquid Crystals, 2019.
https://doi.org/10.1080/02678292.2019.1655169

2. S.P. Palto. The Field-induced Stop-Bands and Lasing Modes in CLC Layers with Deformed Lying Helix. // Crystals, 2019

3. N.M. Shtykov, S.P. Palto, A.R. Geivandov, B.A. Umanskii, I.V. Simdyankin, D.O. Rybakov, V.V. Artemov, M.V. Gorkunov. Lasing in liquid crystal systems with a deformed lying helix. // Optics Letters , 2020. V. 45. P. 4328-4331.
DOI: 10.1364/OL.394430, (Q1).

Деформированная лежащая спираль в холестерическом жидком кристалле на пространственно-периодических граничных условиях

С.П. Палто, Н.М.Штыков, И.В. Касьянова, Б.А. Уманский, А.Р. Гейвандов, Д.О. Рыбаков, И.В. Симдянкин, В.В. Артемов, М.В. Горкунов

Индуцированный полем ориентационный переход в слоях холестерических жидких кристаллов с пространственно-периодической модуляцией поверхностного сцепления изучен при помощи численного моделирования и экспериментально. Впервые термодинамически устойчивая исходная планарная структура с осью спирали направленной вдоль нормали к слою преобразована в электрическом поле в равновесную структуру с деформированной лежащей спиралью в плоскости слоя. Такая электрически-управляемая структура позволит на практике эффективно выводить излучение из волновода, что важно для создания новых оптических устройств. В работе [1] также продемонстрирован лазерный эффект.

Рис.1. Распределение директора жидкого кристалла в исходной ориентации (сверху) и после приложения электрического поля (снизу).

1. S.P. Palto, N.M. Shtykov, I.V. Kasyanova, B.A. Umanskii, A.R. Geivandov, D.O. Rybakov, I.V. Symdyankin, V.V. Artemov, M.V. Gorkunov. Deformed lying helix transition and lasing effect in cholesteric LC layers at spatially periodic boundary conditions. // Liquid Crystals, 2019. DOI:10.1080/02678292.2019.1655169

Цифровой метод управления ориентацией жидкого кристалла на поверхности

С.П. Палто, Н.М. Штыков, И.В. Касьянова, Б.А. Уманский, А.Р. Гейвандов, Д.О. Рыбаков, И.В. Симдянкин, А.В. Мамонова, В.В. Артемов, М.В. Горкунов

Впервые создан прецизионный метод управления углом наклона локальной оптической оси жидкого кристалла (ЖК) вблизи поверхности [1], рис. 1. Метод основан на использовании высокоразрешающей ионно-лучевой литографии. Это открывает новые перспективы для создания электрически-управляемых жидкокристаллических фотонных устройств: метаповерхностей, оптических и микролазерных элементов [2].

Рис.1. а) схема управления локальной ориентацией молекул жидкого кристалла: в облученной (i) ионами области молекулы ЖК ориентируются вертикально, в необлученной – лежат в плоскости вдоль направления R; б) изменение соотношения размеров облученных и необлученных участков на шкале в сотни нанометров регулирует угол наклона молекул θ; здесь 1, 3 – СЭМ изображения поверхности, 2 – изображение ЖК метаповерхности с изменяемым углом наклона в поляризованном свете; в) пример жидкокристаллических метаповерхностей на основе ориентирующих решеток с различным периодом, здесь цвет ЖК метаповерхностей определяется их различными дифракционными свойствами.

1. M.V. Gorkunov, I.V. Kasyanova, V.V. Artemov, A.V. Mamonova, S.P. Palto. Precise local control of liquid crystal pretilt on polymer layers by focused ion beam nanopatterning. // Beilstein J. Nanotechnol, 2019. V. 10. P. 1691–1697. DOI:10.3762/bjnano.10.164.

2. S.P. Palto, N.M. Shtykov, I.V. Kasyanova, B.A. Umanskii, A.R. Geivandov, D.O. Rybakov, I.V. Symdyankin, V.V. Artemov, M.V. Gorkunov. Deformed lying helix transition and lasing effect in cholesteric LC layers at spatially periodic boundary conditions. // Liquid Crystals, 2019. DOI:10.1080/02678292.2019.1655169.

Жидкокристаллические метаповерхности на микроструктурированных полимерных пленках

И.В. Касьянова, М.В. Горкунов, В.В. Артемов, А.Р. Гейвандов, А.В. Мамонова,
С.П. Палто

Впервые, используя ионно-лучевую нанолитографию, созданы микроструктурированные поверхности для пространственно-периодической модуляции поверхностного ориентационного состояния молекул жидких кристаллов (ЖК) [1], рис.1. Благодаря высокой разрешающей способности ионного травления (область фокусировки ионного пучка ~10нм), метод открывает уникальные возможности прецизионного управления ориентацией локальной оптической оси ЖК на суб-микронных шкалах. Это перспективно для формирования различных типов управляемых электрическим полем оптических микро-элементов (дифракционных решеток, массивов линз и др.) непосредственно внутри тонкого (~ 5 мкм) жидкокристаллического слоя. В настоящее время, такого рода жидкокристаллические оптические элементы активно исследуются в силу их значительного потенциала для применений не только в новейших переключаемых 2D/3D информационных дисплеях, голографии, устройствах виртуальной реальности, системах адаптивной оптики, но и для медицинских нужд (исправления зрения, эндоскопии и др.).

Рис.1. Изображения микро-структурированных поверхностей (решеток с различным периодом от 1 до 6 микрон) на полимерной пленке (а - с) , полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, и соответствующие им оптические изображения жидкокристаллических метаповерхностей (d) [1].

I.V. Kasyanova, M.V. Gorkunov, V.V. Artemov, A.R. Geivandov, A.V. Mamonova, S.P. Palto. Liquid crystal metasurfaces on micropatterned polymer substrates. //Optics Express, 2018. V. 26. P. 20258-20269.
https://doi.org/10.1364/OE.26.020258

Фотонные жидкокристаллические структуры, индуцированные электрическим полем

Неотъемлемое свойство фотонных жидких кристаллов (ЖК) – пространственно-периодическая модуляция показателя преломления. Нами установлено, что в однородно-ориентированных слоях холестерических ЖК электрическое поле выше определенного порога может индуцировать в плоскости слоя ЖК пространственную периодичность, которая характеризуется геликоидальным распределением молекул. Этот результат может быть использован в различных фотонных приборах и, в частности, в жидкокристаллических микролазерах. Достижение было особо отмечено редакционной коллегией журнала Liquid Crystals (Q2, IF=2.6) иллюстрацией эффекта на обложке журнала.

Liquid Crystals

N.M. Shtykov, S.P. Palto, B.A. Umanskii, D.O. Rybakov, I.V. Simdyankin. Director distribution in field-induced undulated structures of cholesteric liquid crystals. // Liquid Crystals, 2018. P. 1408-1414. DOI: 10.1080/02678292.2018.1441460