ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР
OPTICAL MODULATOR

Область техники
Данное изобретение относится к области оптики и оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах управления световыми пучками видимого и ИК-диапазона, в том числе в пространственных модуляторах света, в голографии, визуализации и отображении информации, в устройствах хранения, преобразования и обработки изображений.
Уровень техники
Оптический материал с управляемой электрическим полем способностью рассеивать проходящий через него свет интересен для создания оптического модулятора с малыми световыми потерями и, соответственно, с высокой эффективностью по свету (вследствие отсутствия поляризаторов), особенно предназначенного для использования в инфракрасной (ИК) области спектра, для которой простые пленочные и тонкие кристаллические поляризаторы отсутствуют. Материал также может быть перспективен для применений в пространственных модуляторах и дисплеях электронных книг.
Главным требованием к светорассеивающему материалу и оптическому модулятору на его основе обычно является максимальная частота переключения оптических состояний (например, несколько сотен и тысяч герц) при малом управляющем напряжении (например, несколько вольт) и минимальном времени электрооптического отклика, определяющем времена включения и выключения рассеяния [1]. Кроме того, модуляторы должны минимально рассеивать свет в пропускающем состоянии и иметь максимальный оптический контраст, определяемый как отношение интенсивностей излучения, распространяющегося прямолинейно без рассеяния, и рассеянного в некотором, достаточно малом, телесном угле, определяемом используемой диафрагмой (пространственным фильтром). При этом также весьма желательно обеспечить характеризующийся пониженным энергопотреблением бистабильный режим светорассеяния с запоминанием любого (из двух) включенного оптического состояния до момента его выключения.
К электрически управляемым светорассеивающим материалам можно отнести прессованную крупнозернистую (размер зерен ≥3 мкм) оптическую керамику на основе цирконата-титаната свинца с примесью лантана (ЦТСЛ) [1]. Рассеяние света в ней возникает на границах оптически анизотропных зерен-кристаллитов при переходе такой керамики из электрически поляризованного состояния, имеющего выделенную оптическую ось вдоль направления поля и вектора поляризации в кристаллитах, в электрически деполяризованное состояние, без выделенной оптической оси, с хаотическим направлением векторов поляризации в кристаллитах. Для модуляции светорассеяния можно использовать конфигурацию электродов как для продольного электрооптического эффекта (луч проходит через сплошные электроды на обеих сторонах керамической пластины), так и поперечного (луч проходит между электродами, нанесенными на одной стороне пластины). Время переориентации вектора поляризации составило десятки микросекунд при напряжении порядка 300 В, приложенном к пластине ЦТСЛ-керамики состава 7/65/35 толщиной 250 мкм. Оптический контраст, характеризующий отношение световых потоков при рассеянии и при его выключении в заданном, обычно малом, телесном угле, был невелик - порядка 10:1. Такие параметры не позволили использовать ЦТСЛ-керамику в практических устройствах.
-8
-10
-1
-1
В нематических жидких кристаллах (НЖК) с анизотропной и относительно высокой проводимостью (10-10 Ом см) при приложении электрического напряжения выше некоторого порога (несколько вольт) возникают электрогидродинамические неустойчивости, приводящие к «рулонному», а затем к вихревому пространственно-периодическому течению, переходящему при повышении напряжения в турбулентное движение молекул НЖК [1, 2]. Вследствие анизотропии электропроводимости и большой оптической анизотропии молекул явление сопровождается сильным, так называемым «динамическим» рассеянием света (ДРС). В семидесятые годы прошлого столетия такие НЖК-материалы использовались в бесполяроидных модуляторах света и в индикаторах калькуляторов и первых электронных часов. Время включения рассеяния составляло как минимум несколько миллисекунд, а время выключения - несколько десятков миллисекунд, и оптический контраст достигал 200:1. По причине диссоциации такие НЖК имели малый срок службы и уже давно не применяются (заменены широко используемыми в современных дисплеях и индикаторах высокоомными НЖК с фазо-поляризационной модуляцией света).
Известна модуляция светорассеяния при индуцированном электрическим полем переходе «холестерик-нематик», т.е. при переходе ЖК из холестерического типа с рассеивающей свет конфокально-закрученной структурой молекул в нематический тип - НЖК, в котором оси молекул параллельны друг другу, и рассеяние отсутствует [2]. Реально переключение из светорассеивающего состояния в прозрачное при напряжении 100 вольт осуществляется примерно за 250 микросекунд. Обратный переход к исходному состоянию после снятия электрического напряжения, обусловленный действием упругих сил, гораздо более медленный, но общее время цикла включения-выключения рассеяния не превышает 2 мс. Это позволило использовать пакет из 20 оптических ЖК-модуляторов (затворов) в качестве объемного экрана трехмерного дисплея [3], визуализирующего по сечениям в реальном времени (25 кадров в сек) световой макет трехмерного объекта при проецировании изображений его сечений на модуляторы в момент поочередного включения в них рассеяния света. Недостаточное быстродействие светорассеивающих модуляторов и высокое управляющее напряжение, а также тот факт, что прозрачное состояние не является стабильным и требует приложения электрического напряжения, затрудняют использование этих модуляторов.
-1
-2
Рассеивающими свойствами обладают некоторые жидкие кристаллы смектического типа, имеющие слоистую структуру и более высокую вязкость, чем НЖК. Наиболее известны смектики А (оптические оси молекул направлены перпендикулярно к плоскости слоев) и смектики С (оптические оси молекул направлены наклонно к плоскости слоев). Практически все электрооптические эффекты в смектиках А обусловлены текстурными переходами, причем некоторые из этих переходов имеют характер электро-гидро-динамических неустойчивостей [2]. Как и при «динамическом» рассеянии света в НЖК, в электрическом поле в смектике А при достаточно большой электропроводимости вследствие ее анизотропии может наблюдаться турбулентное движение молекул, а также электрически индуцированная «память», но вследствие медленности процессов переключения оптических состояний при рассеянии света (10-10 с) этот материал в качестве перспективного рассматриваться не может.
Гораздо больший интерес представляют смектики С, а именно смектики С*, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, обусловленными наличием дипольного момента и спонтанной поляризации вследствие асимметрии их молекул [2]. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы (СЖК) обладают быстродействием в килогерцовом диапазоне и при определенных условиях интенсивно рассеивают свет. В отличие от НЖК электрооптический эффект в СЖК линеен по полю [4], и поскольку СЖК реагирует на знак приложенного электрического напряжения, то время включения и время выключения оптического отклика здесь одинаковы и пропорциональны
ϕ
S
где γ - вращательная вязкость СЖК, P - спонтанная поляризация и Е - напряженность электрического поля. Иначе, возвращение к исходному состоянию осуществляется в СЖК импульсом обратной полярности, т.е. принудительно, а не в результате релаксации (за счет упругих сил), как в НЖК. Поэтому оптический оклик при включении-выключении является симметричным во времени и очень коротким (десятки микросекунд).
В одном из первых подходов к созданию оптического светорассеивающего модулятора на основе СЖК использовался композитный полимерно-жидкокристаллический материал, известный как капсулированный полимером СЖК [5, 6]. Он представлял собой полимерную пленку, внутри которой диспергированы капли ЖК, причем направления оптических осей во всем ансамбле капель преимущественно параллельны и лежат в плоскости пленки. Толщина пленки могла варьироваться от единиц до десятков микрометров и более. Размеры капель обычно лежат в пределах до 10 мкм. Показатель преломления полимера примерно равен показателю преломления ЖК для обыкновенного луча, т.е. для компоненты света, поляризованной перпендикулярно направлению директора. Это означает, что такая компонента не рассеивается в композитной пленке, находящейся в исходном состоянии (при заданной полярности приложенного к проводящим покрытиям электрического напряжения), в то время как параллельно поляризованная компонента света (необыкновенный луч) испытывает интенсивное рассеяние. Соответственно, при изменении параметров луча или полярности прилагаемого электрического напряжения ситуация изменяется на обратную. Время включения-выключения электрооптического отклика составило 15 мкс при достаточно малом значении переключающего напряжения - 15 В. Однако оптическое пропускание было невысоким (порядка 60%), как и оптический контраст (максимум 50:1), вследствие высокого остаточного рассеяния.
Известно также рассеяние света в электрооптической ячейке с монодоменным слоем геликоидального (спирального) СЖК, в том числе бистабильное светорассеяние, впервые исследованные в [7, 8].
0
S
Характерной особенностью геликоидальных СЖК является периодическая упорядоченность центров масс молекул вдоль направления ориентации их длинных осей (директора) с периодом порядка длины молекул - так называемые смектические слои. Если молекулы не зеркально симметричные и отклонены на некоторый угол Θ от нормали к смектическим слоям, то в каждом слое существует единственный элемент симметрии - полярная ось второго порядка. Вдоль этой оси возможно существование спонтанной поляризации P слоя, если молекулы обладают дипольным моментом, перпендикулярным их длинным осям.
0
0
S
S
0
В отсутствие внешних воздействий полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга, т.е. имеет место геликоидальная закрутка директора. В каждом слое положение директора определяется полярным углом Θ и азимутальным углом ϕ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу р геликоида. Под действием электрического поля, приложенного параллельно смектическим слоям и перпендикулярно к оси геликоида, вектор P во всех слоях ориентируется по направлению поля (т.е. геликоид как бы раскручивается). При смене знака поля вектор P переориентируется на 180 градусов. При этом длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2Θ, то есть азимутальный угол ориентации директора ϕ изменяется на 180 градусов.
S
Дипольные моменты молекул СЖК в электрическом поле стремятся принять энергетически выгодную ориентацию, то есть расположиться вдоль направления поля. Домен, в котором дипольные моменты изначально расположены не по направлению поля, неустойчив. В силу этого в нем происходит появление областей, в которых дипольные моменты располагаются энергетически выгодно. Развитие этого процесса приводит к образованию переходных рассеивающих свет доменов [7-9], то есть участков, где некоторое количество дипольных моментов молекул расположены против направления поля, разделяющих области с ориентацией диполей по направлению поля. Переходные домены представляют собой связанное состояние двух 180° доменных стенок разных знаков. При достижении некоторого критического поля стенки начинают двигаться таким образом, чтобы объем энергетически выгодного домена увеличивался за счет домена энергетически невыгодного, причем стенки разного знака движутся в противоположных направлениях. В результате во всех смектических слоях вектор P сориентируется по направлению поля. Для падающего на электрооптическую ячейку светового пучка с плоскостью поляризации, лежащей вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), светопропускание ячейки становится максимальным.
Инверсия знака электрического поля (полярности управляющего напряжения) вновь индуцирует образование переходных светорассеивающих доменов, а затем приводит к восстановлению невозмущенного геликоида (в результате движения доменных границ) и далее к однородной ориентации молекул. И каждый раз образование структуры переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида, на которых происходит интенсивное рассеяние света.
S
В зависимости от частоты прилагаемого электрического поля различимы две рассеивающие моды - низкочастотная и высокочастотная. В низкочастотной моде (частота управляющего напряжения меньше 200 Гц) переход в рассеивающее состояние происходит при каждом изменении знака электрического поля, и эффективность светорассеяния не зависит от полярности управляющего напряжения. При переходе к высокочастотной моде (частота порядка 500 Гц) угол между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК, которому соответствуют максимальные значения эффективности рассеяния и светопропускания, увеличивается более чем на 60°. Поворот индикатрисы рассеяния означает, что изменяется угловое распределение плотности рассеивающих центров в объеме СЖК, когда действие высокочастотного поля нарушает регулярную прецессию вектора P в движущейся доменной стенке, а это, в свою очередь, приводит к возбуждению изгибных колебаний и увеличению площади стенки. Переходу от низкочастотной к высокочастотной рассеивающей моде соответствует наиболее существенная деформация слоя, вызывающая увеличение угла между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК, в результате чего индикатриса рассеяния поворачивается на угол порядка 90°.
Переходное рассеяние характеризуется достаточно высоким быстродействием: времена включения и выключения процесса рассеяния не превышали 150 мкс при напряженности поля 5-6 В/мкм. Амплитуда импульсов составляла порядка ±80 В, оптический контраст - около 100:1.
При определенном экспериментально подобранном соотношении между амплитудой и длительностью знакопеременных импульсов управляющего напряжения, а также между упругой энергией геликоида и спонтанной поляризацией СЖК процесс рассеяния приобретал бистабильный характер с максимальным светопропусканием свыше 80% и контрастным отношением порядка 100:1 [7]. Изменение скважности между импульсами управляющего напряжения (при сохранении длительности) приводило к изменению соотношения между временами существования обоих оптических состояний. При инверсии длительности знакопеременных импульсов (при сохранении скважности), когда длительность импульса, включающего рассеяние, становится равной длительности выключающего импульса (и наоборот), соотношение между временами существования состояний с максимальным светопропусканием и с максимальной эффективностью светорассеяния меняется на противоположное. При этом во всех рассмотренных случаях оба оптических состояния сохранялись без уменьшения светопропускания и контрастного отношения в течение нескольких секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности.
0
Наиболее близким к заявляемому устройству является оптический модулятор, описанный в патенте РФ №2561307 (опубл. 27.08.2015) «Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления» [10]. В этом модуляторе оптическим материалом, способным к рассеянию света, является негеликоидальный (бесспиральный) сегнетоэлектрический жидкий кристалл (СЖК). В нем, в отличие от геликоидального (спирального) СЖК, геликоид отсутствует, т.е. шаг спирали p→∞ благодаря компенсационному взаимодействию хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности. Как показали исследования [11], отсутствие геликоида в бесспиральном СЖК обеспечивает ему следующие важные преимущества: после выключения электрического поля не наблюдается остаточное светорассеяние в СЖК, проходящее оптическое излучение при модуляции не изменяет свой спектральный состав, а частота повторения низкочастотного сигнала (меандр) амплитудой ±35 В составила уже не 500 Гц, а вдвое большую величину - около 1 кГц.
Однако описанный в ближайшем аналоге оптический модулятор, предназначенный для инициирования рассеянием света пространственно неоднородной модуляции фазы света в СЖК, не в состоянии осуществлять перспективный для применений стационарный, в том числе бистабильный режим модуляции светорассеяния с высоким значением эффективности (оптического контраста), т.к. амплитуда и длительность импульсов выбирались таким образом, чтобы эффективность светорассеяния изменялась за время действия каждого из последовательности импульсов, но не достигала бы своего максимального значения. Поэтому описанный оптический модулятор не обеспечивал процесс запоминания любого из двух оптических состояний в течение какого-либо времени после выключения электрического поля, а время включения светорассеяния составляло более 50 микросекунд. Кроме того, такой оптический модулятор нуждается в гораздо большем увеличении интервала частот модуляции (до нескольких кГц) с целью расширения спектра его возможных применений.
Раскрытие изобретения
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение функциональных возможностей за счет достижения в оптическом модуляторе бистабильного режима модуляции рассеяния света с увеличенным до 5 кГц интервалом частот модуляции, с эффективностью рассеяния света не менее 200:1 и запоминанием любого из двух оптических состояний в течение не менее десятка секунд при возможности его выключения за время менее 50 мкс.
2
3
3
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложен оптический модулятор, выполненный на основе электрооптической ячейки с негеликоидальным сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (далее - СЖК), имеющим: спонтанную поляризацию не более 50 нКл/см, вращательную вязкость в интервале 0,3-1,0 Пуаз, толщину слоя в интервале 10-25 мкм и периодические деформации смектических слоев в отсутствие электрического поля, и изменяющим свою оптическую анизотропию под воздействием знакопеременного электрического поля, при этом энергия деформации смектических слоев СЖК составляет менее 5⋅10 эрг/см.
Особенность модулятора по настоящему изобретению состоит в том, что для создания знакопеременного поля может быть применен источник электрического напряжения, выполненный с возможностью работы в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния не более 6 кГц при напряжении, обеспечивающем в слое СЖК электрическое поле не более 3 В/мкм, причем минимальная длительность управляющего импульса может быть выбрана не короче времени переориентации директора СЖК.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется приложенными чертежами.
На Фиг. 1 схематически показан негеликоидальный СЖК с планарной ориентацией директора в электрооптической ячейке.
На Фиг. 2 показаны осциллограммы управляющего напряжения и электрооптического отклика в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению.
На Фиг. 3 приведены зависимости эффективности светорассеяния и светопропускания от длительности импульсов биполярного напряжения в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению.
На Фиг. 4 приведены полевые зависимости времени электрооптического отклика для электрооптической ячейки в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
На Фиг. 1а схематически показан негеликоидальный СЖК с планарной ориентацией директора в электрооптической ячейке, а на Фиг. 1б в увеличенном виде изображен фрагмент смектического слоя этого СЖК.
0
S
Ссылочной позицией 11 обозначены стеклянные подложки с прозрачным токопроводящим покрытием, а ссылочной позицией 12 - смектические слои. На Фиг. 1 приняты следующие условные обозначения: d - толщина ячейки, Θ - угол наклона молекул в смектических слоях, Ψ - угол наклона смектического слоя, P - вектор спонтанной поляризации,  - толщина смектического слоя.
0
S
Выполнение указанных условий обеспечивает в слое негеликоидального СЖК компенсацию объемного заряда, создаваемого спонтанной поляризацией, и приводит к образованию в нем в отсутствие электрического поля периодических пространственных деформаций смектических слоев. Их наличие означает (Фиг. 1), что в смектических слоях 12 молекулы СЖК, исходно наклоненные на угол Θ относительно нормали к слою в данной точке, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси z. Вследствие этого изменяется проекция директора на плоскость xy. Знакопеременное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты x, взаимодействуя со спонтанной поляризацией P, изменяет распределение угла Ψ, обусловленное деформацией смектических слоев, и оптические свойства СЖК.
ϕ
ψ
Физически это означает изменение типа диссипации энергии и переход характеризующих ее коэффициентов от вращательной вязкости γ к сдвиговой вязкости γ. Развитие процесса приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной (по сути, цуг солитонов). Процесс рассеяния света на динамической доменной структуре, которая возникает при движении пространственно-локализованных волн стационарного профиля - солитонов, при переходе к максвелловскому механизму диссипации энергии при определенном соотношении между амплитудой и длительностью биполярных импульсов управляющего напряжения, энергией деформации смектических слоев и спонтанной поляризацией СЖК, имеет бистабильный характер.
Отсутствие геликоида в СЖК также приводит к тому, что после выключения электрического поля не наблюдается остаточного светорассеяния в СЖК и проходящее оптическое излучение при модуляции не изменяет свой спектральный состав.
2
При увеличении значения спонтанной поляризации выше значения 50 нКл/см повышается напряжение насыщения (следовательно, и рабочее напряжение СЖК-ячейки) и возникают сегнетоэлектрические домены, которые подобно геликоиду создают центры рассеяния в отсутствие электрического поля и делают основное нерассеивающее состояние менее устойчивым.
ϕ
ψ
ϕ
ψ
Если значение γ ниже 0,3 П, то при увеличении частоты модуляции сдвиговая вязкость γ не достигается, и солитонный механизм ориентации директора СЖК не реализуется, а при γ≥1,0 П значительно увеличивается время оптического отклика не только на малых, но и на больших частотах, когда ответственной за диссипацию энергии становится сдвиговая вязкость γ.
0,1-0,9
Толщина ячейки выбирается исходя из заданного соотношения между периодом деформации смектических слоев СЖК и толщиной электрооптической ячейки, при котором время электрооптического оклика τ минимально, а скорость движения солитонных волн соответственно максимальна (частота модуляции светового излучения тоже максимальна) при определенной напряженности электрического поля. Для СЖК с периодом деформации слоев порядка 2 мкм оптимальная толщина электрооптической ячейки составляет 15-20 мкм.
3
3
S
0
Подбором компонентов СЖК выбран с энергией деформации смектических слоев менее 5⋅10 эрг/см, что обусловлено необходимостью обеспечить минимальную напряженность электрического поля, достаточную для переориентации директора СЖК за счет движения солитонных волн. Ее величина связана с энергией изгиба смектических слоев М, спонтанной поляризацией P и начальным азимутальным углом ориентации директора ϕ следующим соотношением [12]:
0
S
С
2
3
3
При ϕ=30°, P=50 нКл/см, М=4⋅10 эрг/см напряженность электрического поля Е=0,2 В/мкм. Предел значения энергии деформации смектических слоев также означает, что при большем значении этого параметра время существования любого из двух стабильных оптических состояний уменьшается.
В совокупности вышеуказанные условия являются достаточными для того, чтобы процесс рассеяния приобрел бистабильный характер. Тогда оба оптических состояния структуры как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния могут сохраняться в течение нескольких десятков секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности.
К важному условию работы оптического модулятора следует отнести выполнение источника электрического напряжения с возможностью управления модуляцией излучения в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц при напряжении до 60 В, обеспечивающем в слое СЖК толщиной 10-25 мкм величину электрического поля 2÷3 В/мкм.
При этом минимальная длительность импульсов напряжения, включающего и выключающего процесс рассеяния, не должна превышать характерное время переориентации директора, обусловленное движением ориентационного перегиба [12]:
0
S
0
ψ
С
2
3
3
При ϕ=30°, P=50 нКл/см, М=4⋅10 эрг/см, Е=3 В/мкм, Θ=23° и сдвиговой вязкости γ=0,2 Пуаз максимальное время переориентации директора τ составляет около 150 мкс, причем при любой частоте модуляции в солитонной моде.
Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в создании в светорассеивающем оптическом модуляторе на основе ячейки негеликоидального СЖК, предназначенном для пространственно неоднородной модуляции фазы света, условий для достижения в нем бистабильного режима модуляции рассеяния света с высокими значениями быстродействия и эффективности светорассеяния.
Настоящее изобретение позволяет создать светорассеивающий оптический модулятор, в котором переключения импульсами напряжения разной длительности обеспечивают модуляцию излучения в бистабильном режиме со светопропусканием порядка 80%, контрастным отношением свыше 200:1 и запоминанием любого из двух оптических состояний в течение не менее десятка секунд при возможности его выключения за время даже менее 30 микросекунд. Переход к максвелловскому механизму диссипации энергии в СЖК позволяет получить максимальную эффективность светорассеяния при напряженности электрического поля 2÷3 В/мкм и достичь частоты модуляции светового излучения 3÷5 килогерц.
3
3
Преимущества предлагаемого светорассеивающего оптического модулятора на основе ячейки негеликоидального СЖК по отношению к оптическому модулятору ближайшего аналога реализуются за счет выбора СЖК с энергией деформации смектических слоев менее 5⋅10 эрг/см, а также выполнения источника электрического напряжения с возможностью управления модуляцией излучения в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц при напряжении до 60 В, обеспечивающем в слое СЖК толщиной 10-25 мкм величину электрического поля 2÷3 В/мкм.
Главными достоинствами светорассеивающего оптического модулятора по настоящему изобретению в сравнении с ближайшим аналогом в итоге являются: достижение бистабильного режима и улучшение параметров модуляции рассеяния света (расширение интервала частот модуляции, уменьшение времени оптического отклика и увеличение времени запоминания и оптического контраста), что является предпосылками более широкого и эффективного применения таких светорассеивающих оптических модуляторов. При этом из уровня техники не известно, что в таком модуляторе на основе негеликоидального СЖК можно добиться перечисленных достоинств за счет выбора материальных параметров СЖК, равно как и выполнения источника электрического напряжения с возможностью изменения скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов напряжения.
Для улучшения характеристик модуляции света в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению можно в отдельности или в совокупности использовать изменение состава жидкокристаллического вещества, видоизменение конструкции и режима управления модулятором. Например, в нем диэлектрические пластины (подложки) могут быть выполнены в виде тонких и гибких пленок; одна из диэлектрических пластин может быть вообще исключена, а отражающее токопроводящее покрытие в этом случае может быть выполнено на кремниевой пластине, в которой формируется управляющая интегральная схема.
3
3
Таким образом, благодаря использованию негеликоидального СЖК с энергией деформации смектических слоев менее 5⋅10 эрг/см и источника электрического напряжения с возможностью управления модуляцией излучения в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц при напряжении до 60 В, обеспечивающем в слое СЖК толщиной 10-25 мкм величину электрического поля 2÷3 В/мкм, данный светорассеивающий оптический модулятор по отношению к ближайшему аналогу обладает не только новым качеством - бистабильным режимом модуляции рассеяния света, но и улучшенными параметрами модуляции: интервал частот расширен минимум в 5 раз, а значения быстродействия оптического отклика и оптического контраста увеличены не менее чем вдвое.
Эти результаты открывают возможность создания нового поколения бесполяроидных жидкокристаллических модуляторов света, характеризующихся высокими быстродействием и светопропусканием, интенсивным высококонтрастным светорассеянием и простыми технологией и управлением.
По настоящему изобретению были изготовлены несколько экспериментальных образцов бесполяроидных светорассеивающих оптических модуляторов на основе электрооптической жидкокристаллический ячейки с негеликоидальным СЖК, осуществляющим модуляцию рассеяния светового пучка, проходящего через ячейку, и были измерены характеристики таких модуляторов.
3
3
2
S
ϕ
0
Принципиальная конструкция жидкокристаллических ячеек изготовленных модуляторов не отличалась от использованной в ближайшем аналоге (патент РФ №2561307). Ячейки заполнялись композицией негеликоидального СЖК со следующими материальными параметрами: энергия деформации смектических слоев менее 5⋅10 эрг/см, спонтанная поляризация P=40 нКл/см, коэффициент вращательной вязкости γ=0,7 Пуаз, угол наклона молекул в смектических слоях Θ=23° (при температуре 20°С), температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы от +2 до 70°С.
СЖК композиция была разработана и подготовлена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) впервые и не имеет коммерческого названия. Чтобы создать ее и подобные ей композиции, использовались производные трифенил дикарбоновых кислот (оптически активные легирующие примеси), бензоаты фенила (сложные эфиры), замещенные фенил- и бифенил-пиримидины.
Геликоидальная закрутка директора в объеме СЖК была подавлена за счет взаимодействия хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности до полной компенсации активности. Источник электрического напряжения обеспечивал изменение скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов напряжения (меандр) в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц и напряженность электрического поля 2÷3 В/мкм в электрооптических ячейках толщиной от 10 до 25 мкм.
2
3
В экспериментальных образцах модуляторов использовались стандартные стеклянные пластины с проводящим слоем ITO (сопротивление около 50 Ω/), покрытым слоем диэлектрика AlO (около 70 нм толщиной), а затем полимерным слоем полиимида (PMDA-ODA, толщиной 20-40 нм), натираемым с целью ориентации СЖК. Толщина слоя СЖК составляла от 10 до 25 мкм, апертура ячеек - 2×2 см.
S
При определенном соотношении между периодом деформации смектических слоев и толщиной электрооптической ячейки, амплитудой и длительностью импульсов управляющего напряжения, возникновение солитонной волны вызывало появление градиентов показателя преломления вдоль смектических слоев и сопровождалось интенсивным рассеянием света. Движение солитонов приводило к переориентации директора во всем объеме СЖК. В результате во всех смектических слоях азимутальный угол ϕ становился одинаковым и равным 0 или π, в зависимости от направления поля, а вектор P ориентировался по направлению поля. В этом случае, поскольку плоскость поляризации падающего света лежит вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), то светопропускание электрооптической ячейки было максимальным. Инверсия знака электрического поля (полярности импульсов управляющего напряжения) вновь индуцировала образование солитонных волн и интенсивное рассеяние света.
0,1-0,9
0,1-0,9
Для используемого СЖК с периодом деформации слоев порядка 2 мкм оптимальная толщина электрооптической ячейки, при которой время электрооптического оклика τ минимально, а частота модуляции светового излучения максимальна, составила около 20 мкм. Так для ячейки толщиной d=18 мкм максимальная частота модуляции светового излучения была около 5 кГц (время τ не превышало 13 мкс) при напряженности поля 2,7 В/мкм. На Фиг. 2 приведены осциллограммы знакопеременного управляющего напряжения 21 (канал СН3) и электрооптического отклика 22 (канал СН1) для упомянутой выше ячейки. Верхний уровень электрооптического отклика 22 соответствует рассеивающему состоянию, нижний уровень - пропускающему состоянию, нулевой уровень светопропускания - стрелка слева с цифрой 1). Изменение электрооптического отклика происходит при подаче импульсов напряжения с амплитудой ±35 В. На Фиг. 2а частота модуляции (Freq) составляет около 5,1 кГц, а на Фиг. 2б - около 400 Гц, при этом время отклика по переднему фронту (Rise) и по заднему фронту (Fall) составляет величины, не превышающие 50 мкс.
При выполненных условиях на параметры СЖК, электрооптической ячейки и биполярных импульсов управляющего напряжения (указаны на Фиг. 2) процесс рассеяния имел бистабильный характер. При этом оба оптических состояния структуры, как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния, сохранялись в течение нескольких десятков секунд (для данного конкретного случая - около 100 секунд) после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности. Переключение импульсами напряжения разной длительности обеспечивало работу электрооптической ячейки в бистабильном режиме со светопропусканием порядка 80% и контрастным отношением свыше 200:1.
0,1-0,9
Изменение скважности между импульсами управляющего напряжения (при сохранении длительности) приводило к изменению соотношения между временем существования обоих оптических состояний (Фиг. 2б). Минимальное время существования состояний с максимальным светопропусканием и с максимальной эффективностью светорассеяния не могло быть меньше суммарной длительности биполярных импульсов управляющего напряжения, включающих и выключающих процесс рассеяния. Время включения и выключения процесса рассеяния (время электрооптического отклика τ) не превысило минимальную длительность импульса, включающего процесс рассеяния. Важно также обеспечить минимальную длительность управляющих импульсов напряжения такой, чтобы при данной амплитуде импульсов достигались состояния с максимальной эффективностью светорассеяния и максимальным светопропусканием. Если эти состояния не достигаются, модулятор в бистабильный режим не входит.
Эффективность светорассеяния (контрастное отношение) и величина светопропускания электрооптической ячейки определяются как частотой, так и амплитудой управляющего напряжения. На Фиг. 3 представлены зависимости эффективности светорассеяния (кривая 31) и светопропускания (кривая 32) от длительности импульсов биполярного напряжения при фиксированной амплитуде импульсов ±35 В. Толщина электрооптической ячейки составляла 13 мкм. При фиксированной напряженности электрического поля (амплитуде биполярных импульсов управляющего напряжения) максимальная эффективность светорассеяния и максимальное светопропускание электрооптической ячейки достигались при разной длительности импульсов. Это означает, что время формирования регулярной структуры переходных доменов и время полного исчезновения этой структуры различаются. Так, для переключения в состояние с максимальным светопропусканием, которому соответствует полное отсутствие переходных доменов, требовалась в 1,5÷2 раза большая длительность импульсов (Фиг. 3, кривая 32). Если длительность импульсов меньше минимального времени, необходимого для полного исчезновения переходных доменов, то светопропускание ячейки уменьшалось.
При инверсии знака поля недостаточное время действия поля (малая длительность импульсов) не позволяло сформироваться регулярной структуре рассеивающих центров в виде циркулярных переходных доменов, достаточно равномерно распределенных по объему СЖК. Это приводило к уменьшению плотности рассеивающих центров, и, как следствие, эффективность светорассеяния уменьшалась.
0,1-0,9
ϕ
ψ
ψ
0,1-0,9
0,1-0,9
Связь длительности импульсов управляющего напряжения и напряженности электрического поля при фиксированной частоте следования импульсов для электрооптической ячейки с периодом деформации слоев порядка 2 мкм толщиной 13 мкм демонстрирует Фиг. 4. Зависимость величины τ (Е), полученная на частоте управляющего напряжения ƒ=1 кГц (Фиг. 4, кривая 41), соответствовала случаю, когда одновременно присутствуют два диссипативных коэффициента γ и γ. Преобладание сдвиговой вязкости γ (частота свыше 1 кГц) приводило к уменьшению в несколько раз времени τ (Фиг. 4, кривая 42). Переход к солитонной моде сопровождался резким уменьшением времени электрооптического отклика при достижении порогового значения напряженности электрического поля. В солитонной моде время τ слабо зависело от напряженности поля. При увеличении частоты изменения поля пороговое значение напряженности поля, при достижении которого происходил переход к солитонной моде, возрастало.
При увеличении периода деформации смектических слоев время памяти пропускающего и рассеивающего свет состояний возрастает, но переход в солитонную моду происходит при большей напряженности электрического поля (например, при 3,5 В/мкм для периода в 5 мкм), и максимальная частота модуляции уменьшается. Если период деформации уменьшается, то следует уменьшать толщину ячейки, иначе бистабильный режим не реализуется.
Уменьшение толщины электрооптической ячейки смещало максимум, соответствующий регулярной рассеивающей структуре, в сторону более коротких длительностей импульсов. Контрастное отношение при этом уменьшалось по причине уменьшения кратности актов рассеяния. Контрастное отношение (как и светопропускание в заданном диафрагмой телесном угле) уменьшалось и при толщинах гораздо выше оптимальных (более 30 мкм) по причине уширения диаграммы направленности излучения при многократном рассеянии и уменьшения части его, попадающей в диафрагму.
Характеристики бистабильного светорассеяния, полученные при тестировании экспериментальных образцов оптических модуляторов, полностью соответствовали положениям, раскрывающим сущность изобретения. Тестирование образцов подтвердило достижение заявленных параметров (технического результата), а также достоинства и преимущества заявленного устройства.
Промышленная применимость
Светорассеивающий оптический модулятор по настоящему изобретению является простым, компактным, технологичным и эффективным устройством бесполяроидной модуляции оптического излучения, в том числе инфракрасного. Это делает возможным его применение во многих современных и перспективных устройствах и системах управления световыми пучками видимого и ИК-диапазона, в том числе в пространственных модуляторах света, в голографии, визуализации и отображении информации, в устройствах хранения, преобразования и обработки изображений.
Источники информации
1. А.А. Васильев, Д. Касасент, И.Н. Компанец, А.В. Парфенов. Пространственные модуляторы света (под ред. И.Н. Компанца). - М.: «Радио и связь», 1987 - 320 с.
2. Л.М. Блинов. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 1978 - 480 с.
3. Sullivan A. A Solid State Multiplanar Volumeric Display // Digest of the SID Int. Symp., Seattle, 2003. - P. 354-356.
4. Б.И. Островский, В.Г. Чигринов. Линейный электрооптический эффект в хиральных смектических С* жидких кристаллах. Кристаллография, т. 25, 322-331 (1980).
5. Pozhidaev Е., Smorgon S., Andreev A., Kompanets I., Shin S. Low voltage polymer dispersed ferroelectric liquid crystals. OSA Trends in Optics and Photonics Series, v. 14 («Spatial Light Modulators»), 126-131 (1997).
6. В.Я. Зырянов, С.Л. Сморгон, В.Ф. Шабанов, Е.П. Пожидаев, А.Л. Андреев, И.Н. Компанец. Оптимизация светомодуляционных характеристик ячейки капсулированного полимером сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Оптический журнал, т. 66, №6, 121-126 (1999).
7. А.Л. Андреев, Ю.П. Бобылев, Н.А. Губасарян, И.Н. Компанец, Е.П. Пожидаев, В.М. Шошин, Ю.П. Шумкина. Рассеяние света в СЖК-модуляторах для объемных экранов. Оптический журнал, №9, 58-65 (2005).
8. А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева, И.Н. Компанец, Ю.П. Бобылев, С.А. Гончуков, М.В. Минченко, В.М. Шошин. Управляемое электрическим полем рассеяние света в геликоидальных сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Оптический журнал, №12, 52-61 (2010).
9. Andreev A., Pozhidaev E., Fedosenkova Т., Kompanets I., Shumkina Yu. Dynamics of the Domain Walls Motion in FLC Display Cell. Proc. SPIE, Vol. 6637, 74-78 (2007).
10. И.Н. Компанец, А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева. Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления. Патент РФ №2561307 (публикация 27.08.2015, приоритет 16.01.2014).
11. А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева, И.Н. Компанец, Н.В. Заляпин. Подавление спекл-шума с помощью ячейки негеликоидального сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Квантовая электроника, т. 44, №12, 1136-1140 (2014).
12. A. Andreev, Т. Andreeva, I. Kompanets, N. Zalyapin, Н. Xu, М. Pivnenko, D. Chu. Fast Bistable Intensive Light Scattering in Helix-Free Ferroelectric Liquid Crystals. Journal of Applied Optics, Vol. 55, No. 18 (2016).