Структура та електрооптичні властивості індукованих холестеричних рідких кристалів

В підрозділі 3.3. розглянуто вплив параметрів керуючих сигналів на електрооптичні характеристики холестерико-нематичного переходу. Показано, що динаміка трансформації холестеричної рідкокристалічної структури під дією електричного поля істотно залежить від таких параметрів електричного поля як частота, швидкість зміни його до максимального значення, величина максимального значення поля. Гістерезисні властивості переходу суттєво залежать і від швидкості зміни поля від максимального значення до нуля. Розроблено методику досліджень характеристик індукованих холестериків та обґрунтовано вибір оптимальних параметрів керуючих сигналів з метою отримання достовірних та відтворюваних результатів.

Для коректного визначення параметрів рідкокристалічних матеріалів з залежностей оптичного пропускання від величини поля, прикладеного до зразка, швидкість зміни амплітуди керуючого сигналу слід обирати, орієнтуючись на суміші з мінімальною концентрацією ОАД.

Оптимальними є такі параметри керуючих сигналів:

максимальна амплітуда сигналу 2U_CN;

швидкість зміни керуючого сигналу 1,3 В/с;

форма сигналу заповнення - однополярний сигнал трикутної форми;

частота заповнення сигналу трикутної форми - 40 Гц.

Методика визначення констант пружності індукованих холестериків представлена в підрозділі 3.4. Нами запропоновано методику визначення констант пружності К₂₂ та К₃₃ індукованих холестериків на основі досліджень електрооптичних характеристик холестерико-нематичного переходу, діелектричних властивостей та кроку індукованої спіралі.

З вольт-контрастних характеристик холестерико-нематичного переходу можна визначити значення порогового поля Е_cn для індукованого холестерика з певним значенням кроку індукованої спіралі та величини . Для визначення константи пружності К₂₂ результати досліджень представляємо у вигляді Е_cnd = f(d/P_o). Лінійну апроксимацію експериментальних даних проводимо методом найменших квадратів за допомогою спеціалізованого пакету NUMERI (C) EMT V.2.00.

З залежності критичного поля прямого переходу знаходимо константу пружності К₂₂, і за відомою величиною К₂₂, з залежності критичного поля зворотного немато-холестеричного переходу - константу пружності К₃₃. Аналіз відносної похибки вимірювань констант пружності показує, що константа пружності К₂₂ одержується з точністю до 5% і, в основному, визначається точністю вимірювань порогових полів холестерико-нематичного переходу, а константу пружності К₃₃ у випадку лінійної апроксимації експериментальних результатів можна оцінити лише якісно. Для одержання точніших значень константи пружності К₃₃ необхідно дещо змінити методику обчислення цієї величини.

Потрібно зробити деякі зауваження відносно процедури обробки експериментальних результатів. Аналіз експериментальних залежностей порогових полів прямого переходу від d/P₀ показує, що в області 0< d/P₀<1 спостерігаються нелінійні ділянки, обумовлені сильним впливом обмежувальної поверхні. При обробці експериментальних даних ці ділянки не враховувались, і ми обмежувались значенням d/P₀=1. На експериментальних залежностях порогового поля зворотного немато-холестеричного переходу від d/P₀ в області малих d/P₀ спостерігаються такі самі нелінійні ділянки, однак різка нелінійність цих характеристик спостерігається в значно ширшому інтервалі значень d/P₀.

Для точнішої апроксимації одержаних експериментальних результатів з урахуванням нелінійних ділянок ми пропонуємо застосовувати нелінійну апроксимацію. З цією метою вирази для порогових полів прямого та зворотного холестерико-нематичного переходів приводяться до вигляду:

Підрозділ 3.5. присвячено питанням математичної обробки результатів експериментальних досліджень. Особливості математичної обробки результатів експериментальних досліджень рідкокристалічних матеріалів зумовлені наявністю великого масиву даних спостережень ряду величин, порівняння результатів експерименту з теорією, а також розрахунків і оцінок параметрів, які не можуть бути виміряні безпосередньо.

У випадках, коли деяку величину неможливо виміряти безпосередньо, вимірювались деякі величини (аргументи), пов'язані з шуканою величиною функціонально, а шукана величина - розраховувалась. При організації спостережень одною з основних вимог було забезпечення таких умов, при яких результати багаторазових спостережень одної і тої ж величини (або різних величин) були б, по можливості, незалежні один від одного.

Розрахунок інтервалів довіри технічних вимірювань проводився за допомогою ПЕОМ IBM PC/AT за допомогою спеціалізованих пакетів прикладних програм.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню електрооптичних властивостей холестерико-нематичного переходу в індукованих холестериках. Взаємодія електричного або магнітного поля з індукованими холестериками має свою специфіку, пов'язану з існуванням в останніх спіральної структури. В електричному полі холестеричні спіралі можуть або деформуватися, змінюючи текстуру (текстурний перехід) або при певній величині електричного поля руйнуватися з переходом холестерика в квазінематичний стан (холестерико-нематичного переходу). Теорія текстурного переходу в немато-холестеричих сумішах під дією електричного поля, при планарних граничних умовах була розроблена Хельфриком та удосконалена пізніше Юро. Згідно з теоретичним підходом Кавачі-Когуре, критичне поле прямого та зворотного холестерико-нематичного переходу можна записати у вигляді (2) і (3).

В підрозділі 4.2 розглянуто теоретичний аспект проблеми розсіювання світла зразком індукованого холестерика в процесі холестерико-нематичного переходу. Показано, що розсіювання світла конфокальними доменами в процесі ХНП з одного боку підлягає теорії Релея-Ганса, а з другої - теорії розсіювання частинками, дуже великими, порівняно з довжинами хвилі.

Рідкі кристали відносяться до категорії середовищ, в яких розсіювання світла може мати як молекулярну природу, так і відбуватися на доменній структурі. Вагому роль відіграє і селективне розсіювання на холестеричній спіралі. Якщо відносний показник заломлення рідкого кристала є близьким до 1 і розміри розсіюючих частинок знаходяться в межах довжини хвилі, то можна застосовувати наближення Релея-Ганса.

Використовуючи метод малокутового розсіювання світла, ми отримували експериментальні залежності при різних значеннях величини поля, прикладеного до зразка (при різних значеннях величин поля маємо різні значення розміру розсіюючих частинок). Узгодження нормованих розрахункових I(,R)/I(0,R) та експериментальних індикатрис дало можливість визначити ефективний розмір розсіюючих центрів. Якщо теоретичні індикатриси не повністю збігаються з експериментальними, то розходження може пояснюватися значною полідисперсністю системи.

Ми досліджували суміші ціанобіфенілів та оксиціанобіфенілів з домішками ефірів холестерину та рідкокристалічними домішками типу ВІХН. Залежність оптичного пропускання від величини прикладеної напруги можна розбити на 5 ділянок, на яких і проведено поляризаційно-мікроскопічні дослідження.

На першій ділянці маємо полікристалічну (або монокристалічну) текстуру Гранжана. Оптичні властивості цієї текстури детально аналізовані в літературних джерелах. В нашому випадку ми спостерігаємо слабке розсіювання. На другій ділянці маємо різке зменшення прозорості зразка і, відповідно, зростання його розсіювальної здатності. При певній величині поля, прикладеного до зразка, спостерігаємо утворення та розвиток доменної структури. Розміри доменів складають 2...2,5 мкм, при подальшому збільшенні величини поля спостерігаємо збільшення розмірів доменів до значень 10...12 мкм. На цій ділянці характеристики між лінійними розмірами розсіюючих центрів та довжиною хвилі випромінювання виконується нерівність R>>. Для аналізу експериментальних результатів застосовуємо теорію розсіювання “великими частинками”.

Слід зауважити, що на цій ділянці починає утворюватися текстура “відбитків пальців”. На третій ділянці характеристики спостерігаємо виникнення сильнорозсіюючої доменної структури, яка утворюється після текстури “відбитків пальців”. При збільшенні величини поля, прикладеного до зразка, розміри розсіюючих доменів зменшуються від 2 до 0,5 мкм і речовина стає прозорішою. Для аналізу експериментальних результатів на цій ділянці запропоновано теоретичний підхід Релея-Ганса. Для досягнення максимального збігу експериментальних і теоретичних кривих розсіювання теоретичні криві розраховувались для частинок, розміри яких змінювалися з кроком 0,1 мкм. Аналіз цих результатів дає можливість стверджувати, що при збільшенні величини поля спостерігаємо більшу розбіжність між експериментальними та теоретичними кривими. Це дає можливість констатувати, що зі збільшенням величини поля розсіююча світло система переходить з монодисперсного стану в полідисперсний, який характеризується наявністю частинок різних розмірів. В цих станах до системи можна застосовувати полідисперсну модель і розраховувати спектр частинок. Оптична неоднорідність розсіюючих частинок оцінювалась на основі аналізу кореляційних функцій. Одержані кореляційні функції дають можливість стверджувати, що розсіюючі центри є однорідними. Гауссова форма індикатриси розсіювання та лінійна залежність розсіяної інтенсивності в залежності від квадрату кута розсіювання при деяких значеннях величини поля дозволяє зробити висновок про наявність багаторазового розсіювання.

Загальний аналіз одержаних експериментальних результатів дозволяє стверджувати, що розсіювання світла в зразку з індукованим холестеричним рідким кристалом відбувається як на конфокальних доменах, які являють собою полідисперсну систему, так і на хаотично розташованих дифракційних гратках фазового типу, утворених за рахунок спіральних структур. Особливу роль відіграє розсіяння за рахунок дифракції на текстурі “відбитків пальців”.

Встановлено, що в процесі текстурного переходу від текстури Гранжана до текстури “відбитків пальців” під дією електричного поля утворюється полідисперсна конфокальна текстура, причому розміри конфокальних доменів збільшуються при збільшенні величини поля.

Конфокальна текстура, утворена після текстури “відбитків пальців”, трансформується під дією поля. При переході від текстури “відбитків пальців” до гомеотропної нематичної текстури утворена конфокальна текстура є полідисперсною, причому зі збільшенням величини поля, прикладеного до зразка, розміри конфокальних доменів зменшуються.

Показано, що інтенсивність розсіяння залежить від концентрації оптично активної домішки в нематичній матриці, а саме, збільшення концентрації домішки приводить до збільшення максимального розсіяння за рахунок незалежного збільшення розмірів розсіюючих центрів та збільшення їх концентрації.

В 4.4. представлені результати концентраційно-температурної залежності порогових полів в індукованих холестериках, нематичними матрицями в яких служили суміші сильно та слабополярних сполук. Найбільш адекватно та цілісно ці залежності описуються в рамках моделі Кавачі-Когуре. Параметри, які мають вирішальний вплив на величини порогових полів, умовно можна розділити на дві групи. До першої групи відносяться фізичні параметри РК матеріалу, такі як крок індукованої спіралі, константи пружності та діелектрична анізотропія - так звані об'ємні фактори. До другої групи належать параметри, які визначають характер та силу впливу поверхні, - густина поверхневих енергій стану директора та товщина шару РК матеріалу. Це поверхневі фактори. Конкуренція між цими двома факторами і визначає всю різноманітність результатів з досліджень критичних полів ХНП. Аналіз залежностей порогових напруг прямого ХНП від величини d/P₀ показує, що збільшення ступеня структурної впорядкованості індукованого холестерика зумовлює зменшення нелінійної ділянки цієї залежності на шкалі d/P₀, яка відповідає переважаючому впливу поверхневих ефектів на величини критичних напруг ХНП, а крутизна лінійної ділянки цієї залежності визначається величинами констант пружності Франка та зростає при їх збільшенні. Аналогічні нелінійні ділянки присутні і на залежностях порогового поля оберненого переходу від величини d/P₀. Ріст концентрації сильнополярної компоненти в матриці індукованих холестериків приводить до зростання структурного впорядкування речовин і зменшення величини порогових полів як прямого холестерико-нематичного, так і зворотного переходів, причому характер концентраційної залежності величини порогових полів визначається, в основному, концентраційною поведінкою кроку індукованої спіралі. Досліджено температурну залежність порогових полів прямого та зворотного переходів і показано, що вони спадають зі збільшенням теператури. Враховуючи, що в досліджених сумішах величина кроку індукованої спіралі слабо залежить від температури, температурна поведінка полів визначається температурною поведінкою діелектричної анізотропії та констант пружності.

Підрозділ 4.5 присвячено питанню закручуючої здатності оптично активних домішок та її температурній залежності. Розглянуто роботи, в яких проаналізовано вплив молекулярної структури оптично активних домішок на їх закручуючу здатність у нематичній матриці і сформульовано ряд загальних вимог до молекулярної структури високоефективних хіральних домішок. Хіральним компонентом в індукованих фазах у ході наших досліджень служили холестерики - члени гомологічного ряду ефірів холестерину одноосновних карбонових кислот. Для ряду ефірів холестерину зі збільшенням порядкового номера ефіру в гомологічному ряді зростає довжина молекул, що приводить до зменшення анізотропії молекулярної здатності до поляризації, зменшення величини власного дипольного моменту, збільшення хіральності молекул та зростання конформаційної рухливості. Ці фактори визначають сили міжмолекулярної взаємодії і зумовлюють макроскопічні властивості мезофаз. Однією з таких властивостей є закручуюча здатність. Проаналізуємо ситуацію в індукованих холестериках на основі різних нематичних матриць з домішками ефірів холестерину. Основний висновок полягає в тому, що закручуюча здатність зменшується з ростом номера гомолога. Це узгоджується з висновками ряду робіт по встановленню кореляції між закручуючою здатністю та анізотропією здатності до поляризації холестеричних молекул, а саме, збільшенням закручуючої здатності зі зростанням анізотропії. Крім того, при збільшенні порядкового номера ефіру збільшується енергія бокової міжмолекулярної взаємодії внаслідок зростання поперечної складової дипольного моменту. Це приводить до того, що для індукованих холестериків з нижніми членами гомологічного ряду псевдосмектичні особливості мезофаз проявляються сильніше і флуктуаційна шарова структура представлена тут яскравіше, про що свідчить зростання кореляційних довжин для сумішей з ростом порядкового номера холестеричної домішки. Наслідком дії цих двох факторів є зменшення закручуючої здатності зі збільшенням порядкового номера ефіру.

Залежність величин оберненого кроку від концентрації ОАД, якщо домішкою служить один з ефірів холестерину, а нематичною матрицею - суміші з різним вмістом сильнополярної компоненти. При фіксованій концентрації домішки величина кроку зростає зі збільшенням концентрації сильнополярної компоненти в матриці. Враховуючи, що кореляційна довжина збільшується з ростом концентрації сильнополярної компоненти в матриці, констатуємо, що зростання смектичних флуктуацій, а відповідно, трансляційної впорядкованості нематичної матриці приводить до зменшення закручуючої здатності холестеричних молекул.

Проаналізовано характер залежності закручуючої здатності холестеричних молекул в нематичних матрицях, які мають низькотемпературну смектичну А-фазу при деяких приведених температурах в залежності від концентрації сильнополярної компоненти і показано, що особливості сформованої структури в матрицях з 30% та 40% вмістом сильнополярної компоненти проявляються на них. Саме при цих концентраціях на даних залежностях маємо мінімальне значення закручуючої здатності.

В підрозділі 4.6 проаналізовано температурну залежність кроку індукованої спіралі як в теоретичному, так і в експериментальному планах. Показано, що для ряду молекулярно-статистичних теорій основою є наявність функціонального зв'язку між параметром порядку та кроком холестеричної спіралі. Подальший розвиток теоретичних підходів показав, що необхідно враховувати ефекти ближнього порядку, щоб пояснити ряд температурних залежностей кроку. З трансляційною впорядкованістю пов'язане і зростання кроку зі зниженням температури в індукованих холестериках на основі смектогенних матриць. Ряд робіт присвячено впливу конформаційної перебудови молекул холестериків при зміні температури на температурну залежність кроку. На основі даних про температурну залежність поздовжніх кореляційних довжин проаналізовано характер температурної поведінки кроку індукованої спіралі. Показано, що характер температурної поведінки поздовжніх кореляційних довжин визначає температурну поведінку кроку. Це проаналізовано на прикладі як несмектогенних матриць, так і матриць, що мають низькотемпературні смектичні А-фази. Так, наприклад, у матрицях на основі азоксисполук та пентилціанобіфенілу при індукуванні холестеричної структури висока температурна стабільність кроку в системах з вмістом 80-90% сильнополярної компоненти зумовлюється високотемпературною стабільністю флуктуаційно виникаючих шарових структур. Критичне зростання кроку в системах, які мають низькотемпературну А-фазу, на прикладі матеріалів на основі азоксисполук та октилціанобіфенілу, пов'язане з критичним зростанням величин поздовжніх кореляційних довжин.

Підрозділ 4.7 присвячений дослідженню деформації спіральної структури в тонких шарах рідких кристалів.

Відомо, що в тонких шарах рідких кристалів при зміні кроку спіралі, товщини або температури мають місце різні текстурні перетворення, пов'язані з конкуренцією об'ємних та поверхневих ефектів. Кількісна оцінка цих ефектів визначається такими параметрами як енергія зчеплення, крок індукованої спіралі, товщина зразка та константи пружності рідкокристалічного матеріалу. Основний недолік ряду математичних моделей полягає в тому, що в них у явному вигляді не фігурує поняття енергії зчеплення молекул рідкого кристала з підшарком, а вона враховується опосередковано через товщину зразка.

Для коректного врахування впливу поверхневих ефектів необхідно враховувати напрямок дії сил на обмежувальних поверхнях. Це врахування приводить до якісно нового результату, а саме, в залежності від величини d/P₀ сили, що діють на поверхні, можуть розтягувати або стискати спіральну структуру і таким чином крок Р₀ може змінюватися як у сторону збільшення, так і в сторону зменшення. Аналогічного результату можна досягти в розглянутій математичній моделі, якщо величина

Питанню концентраційно-температурної залежності констант пружності присвячено підрозділ 4.8.

При аналізі аномальної поведінки констант пружності в нематичній фазі поблизу фазового переходу нематик - смектик А встановлено, що ці явища пов'язані з ростом флуктуацій смектичного параметра порядку при наближенні до точки фазового переходу. Вирази для констант пружності нематичний член, зв'язаний з орієнтаційним параметром порядку ~S², а член зв'язаний зі смектичними флуктуаціями і пропорційний величині кореляційної довжини~_II. В області температур, близьких до T_S, температурною залежністю S можна знехтувати і вважати, що ~_|| , однак екстраполяція цієї залежності в область температур аж до T_NJ неправомірна, і необхідно враховувати, що ~_||S. Таким чином, не можна нехтувати смектичними флуктуаціями безпосередньо перед переходом речовини в ізотропну рідину. Проведені нами рентгенівські дослідження рідких кристалів з наявністю або відсутністю низькотемпературної смектичної фази переконливо довели, що флуктуаційна шарова структури притаманна речовині безпосередньо перед переходом в ізотропну рідину і навіть в ізотропній рідині ми спостерігаємо наявність дуже розмитих дифракційних профілів.

Дослідження порогових полів ХНП, величини кроку індукованої спіралі та діелектричної анізотропії індукованих холестериків дало змогу розрахувати згідно з запропонованою нами методикою константи пружності К₂₂ та К₃₃, а на основі даних з температурних залежностей вказаних величин і температурну залежність констант пружності.

Встановлено, що в певному концентраційному інтервалі оптично активної домішки в нематичній матриці константи пружності індукованих холестериків не залежать від концентрації домішки. Константи пружності індукованих холестериків залежать від роду домішки, індукуючої спіраль, і збільшуються при зростанні порядкового номера ефіру в ряді. Зростання структурної впорядкованості індукованого холестерика з ростом концентрації сильнополярної компоненти приводить до росту констант пружності.

Показано, що чим досконаліша структура нематичної матриці, тим істотніше зростання констант пружності при низьких температурах. Аномальний ріст констант пружності спостерігається в сумішах зі смектичною фазою, причому характер зростання задається характером зростання кореляційної довжини в нематичній матриці.

П'ятий розділ дисертаційної роботи присвячено гістерезисним властивостям холестерико-нематичного переходу та модуляції світла з використанням ефекту ХНП.

В підрозділі 5.1. проаналізовано залежність оптичного пропускання від величини напруги, прикладеної до зразка і показано, що форма цієї характеристики може суттєво змінюватися в залежності як від параметрів рідкокристалічного матеріалу (констант пружності, відношення d/P₀), так і від параметрів керуючого сигналу (швидкості наростання та спадання керуючої напруги, частоти тощо). Якщо не створювати особливих умов на поверхні (за рахунок обробки), то вид початкової текстури буде залежати від відношення d/P₀. Так, при d/P₀>2...2,5 початкова текстура є конфокальною, при d/P₀1 маємо текстуру Гранжана, при d/P₀>2…3 можна одержати текстуру “відбитків пальців”. В залежності від характеру початкової структури збільшення величини поля, прикладеного до зразка, проводять до одержання різних форм цих залежностей. В найпростішому випадку, якщо перехід іде від текстури Гранжана, то утворюється конфокальна текстура, текстура відбитків пальців і нарешті гометоропна квазінематична текстура. Однак текстурні перетворення під дією електричного поля не завжди супроводжуються утворенням конфокальної текстури. Розглядаючи процес ХНП в рамках математичної моделі Кавачі-Когуре, відсутність конфокальної текстури буде мати місце, якщо Е_СС<E_CN.

Якщо початкова текстура є конфокальною, або структурою “відбитків пальців”, то при збільшенні величини поля, прикладеного до зразка, здійснюється перехід від цих текстур до гомеотропного нематичного стану.

Питанню польового гістерезису в індукованих холестериках при холестерико-нематичному переході присвячено підрозділ 5.2. Вже при перших дослідженнях характеристики оптичного пропускання від величини прикладеної до зразка напруги при ХНП виявлено бістабільність його характеристик і показано залежність діапазону гістерезису як від швидкості зміни напруги, так і від відношення d/P₀. Для оцінки гістерезисних властивостей використовувалась відносна величина петлі гістерезису.

У товстих шарах РК, коли впливом поверхні на порогові поля можна знехтувати, величину відносної петлі гістерезису можна записати у вигляді :

Суттєвим є те, що величина U не залежить від анізотропії діелектричної проникності. Залежність відносної величини петлі гістерезису від відношення d/P₀ має дві характерні області. В першій області зростання d/P₀ приводить до стрімкого зростання U, а в другій області зі збільшенням d/P₀ величина U залишається незмінною. Характерна точка, яка розділяє ці дві ділянки, залежить від відношення констант пружності і розділяє межі переважаючої дії поверхневих та об'ємних ефектів. За рахунок дії поверхневих сил можна змінювати U на першій ділянці, а на другій ділянці гістерезисні властивості визначаються виключно пружними параметрами РК матеріалу.

Температурну залежність відносної величини польового гістерезису розглянуто в підрозділі 5.3. Аналіз математичної моделі температурної залежності відносної величини петлі гістерезису показує, що:

переважаючий вплив на температурну залежність відносної величини петлі гістерезису має температурна залежність кроку індукованої спіралі;

врахування передперехідних явищ, пов'язаних зі смектичними флуктуаціями, які приводять до росту констант пружності при низьких температурах, приводить до стрімкішого зростання U;

запропонована математична модель задовільно описує експериментальні результати з температурної залежності U.

Аналіз експериментальних результатів показує, що:

збільшення концентрації ефіру холестерину в суміші приводить до зменшення величини U. Константи пружності К₂₂ та К₃₃ не залежать від концентрації в досліджуваному інтервалі, переважаючий вплив має величина кроку індукованої спіралі;

зростання номера гомолога ефіру холестерину, який індукує спіраль, приводить до зростання величини U;

ріст смектичних флуктуацій при низьких температурах приводить до різкого зростання U.

В шостому розділі дисертації розглянуто питання використання ХНП в пристроях оптоелектроніки.

В підрозділі 6.1 описані низькочастотні модулятори лазерного випромінювання. Зміна прозорості зразка під дією електричного поля, що має місце в процесі холестерико-нематичного переходу, дозволяє використати даний ефект для модуляції випромінювання, а невисокі керуючі напруги і відсутність поляризаційної оптики обумовлюють особливий інтерес до проблеми створення пристроїв на базі даного ефекту.

Створені низькочастотні модулятори лазерного випромінювання видимого діапазону на основі індукованих холестериків. Показано, що величина глибини та граничної частоти модуляції залежить від двох основних факторів: величини контрасту та часових параметрів матеріалу. Збільшення концентрації ОАД приводить до зростання глибини модуляції та величини граничної частоти, а збільшення вмісту сильнополярної компоненти в нематичних матрицях - до зменшення як глибини модуляції, так і граничної частоти.

В наступному підрозділі проаналізовано особливості модуляції лазерного випромінювання ІЧ-діапазону, які полягають насамперед у тому, що рідкокристалічні речовини мають багато смуг поглинання в ІЧ діапазоні. Для отримання підвищених робочих характеристик необхідно забезпечити максимальний вклад у розсіяння селективної компоненти. Розроблені модулятори потужного лазерного випромінювання з використанням термооптичного ефекту.

Розроблений стабілізатор потужності лазерного випромінювання з використанням ефекту ХНП в індукованих холестериках описано в підрозділі 6.3. Задаючи положення робочої точки на кривій залежності оптичного пропускання від величини прикладеного поля, ми отримаємо стабілізатор потужності малогабаритного He-Ne лазера типу ЛГН-207Б в межах 0,5...2%.

В шарі рідкого кристала під дією електричного поля можна сформувати фазові та амплітудні решітки з керованим періодом дифракційної структури і на їх основі створити дефлектори лазерного випромінювання (підрозділ 6.4).

Створення оптично керованих елементів (підрозділ 6.5) на дистальному кінці волоконного світловоду дає можливість одержати набір діаграм направленості у вигляді сфери, циліндра, конусу тощо. Рідкокристалічна комірка, в якій сформована конфокальна текстура, є в нашому випадку оптичним елементом, розміщеним на дистальному кінці світловоду для формування певного типу індикатриси розсіювання. Мутною речовиною служить індукований холестерик. Використання зміни конфокальної текстури під дією електричного поля в процесі ХНП дає змогу змінювати мутність речовини за рахунок зміни розмірів конфокальних доменів, причому основну роль у визначенні індикатриси розсіювання буде відігравати вигляд залежності оптичного пропускання від напруги, прикладеної до зразка, насамперед тієї її частини, яка характеризує перехід від холестеричної конфокальної текстури до гомеотропної нематичної.

В підрозділі 6.6 описано один з прикладів застосування польового гістерезису ефекту ХНП в просторово-часовому модуляторі світла (ПЧМС) на структурі фотопровідник - рідкий кристал (ФП-РК).

Принцип дії ПЧМС на ефекті польового гістерезису ХНП полягає в зміні провідності фоточутливого шару під впливом джерела інформації, що приводить до виникнення електрооптичного ефекту в шарі рідкого кристала. Збереження інформації в ПЧМС при вимкненні джерела інформації забезпечується бістабільністю залежності оптичного пропускання від прикладеної до зразка напруги для ефекту ХНП.

В наступному підрозділі наведена розроблена схема низькочастотного оптичного автогенератора, в якому РК модулятор на основі індукованих холестериків використано як основний часозадавальний елемент автогенератора (задає тривалість та період світлових імпульсів).

Електронна схема керування працює в ключовому режимі, в залежності від освітленості фотоприймача і здійснює логічну операцію НЕ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

Методом малокутового рентгенівського розсіювання досліджено структуру індукованих холестериків на основі широкого класу нематичних матриць з домішками оптично активних речовин та трансформацію структури під дією електричного, магнітного полів та температури.

Показано, що малокутові рефлекси, які визначаються формою надмолекулярного утворення від орієнтованих індукованих холестериків, можуть бути трьох типів: меридіальний “штрих”, розмита “чотириточка”, “чотириточка”. Як і в нематичних матрицях, їм відповідають структури рідкокристалічних речовин, а саме, пряма сиботактична структура, скошена сиботактична структура і суміш цих структур. Перехід структури від прямої до скошеної сиботактичної означає формування досконалішої псевдошарової структури.

Встановлено, що для індукованих холестериків на основі нематичних матриць, які характеризуються прямою сиботактичною структурою, домішка, введена в матрицю, не змінює форми надмолекулярного утворення. Однак, структура індукованого холестерика є досконалішою, ніж структура матриці.

Для індукованих холестериків на основі нематичних матриць зі скошеною сиботактичною структурою (або сумішей структур) введення в якості домішок верхніх членів гомологічного ряду ефірів холестерину, приводить до зміни форми рефлексу, а відповідно і форми надмолекулярних утворень: “чотириточка” переходить у розмиту “чотириточку”. Структура індукованих холестериків є менш досконалою, ніж структура матриці. Якщо в якості домішки виступає нижній член гомологічного ряду, то вигляд малокутового рефлексу не змінюється, зростання ж інтенсивності та кореляційної довжини свідчать про формування досконалішої структури, ніж структура матриці.

Для індукованих холестериків, які характеризуються скошеною сиботактичною структурою, підвищення температури приводить до зміни форми малокутового рефлексу, а саме, “чотириточка” трансформується у штриховий рефлекс. Така трансформація свідчить про зміну форми розсіюючих областей та досконалості структури, а саме, підвищення температури приводить до дріблення флуктуаційно виникаючих шарових структур.

Якщо ж індукований холестерик має пряму сиботактичну структуру, то температура не змінює форми рефлексу, однак зменшення інтенсивності та кореляційної довжини свідчать про розупорядкування псевдошарової структури.

Показано, що критичні показники кореляційних довжин не залежать як від концентрації холестеричної речовини в межах 0...2% в нематичній матриці, так і від роду домішок і визначаються нематичною матрицею.

Визначено структуру мутних рідкокристалічних середовищ, які розсіюють світло, а саме, індукованих холестериків у процесі ХНП під дією поля за допомогою малокутового розсіювання світла. Показано структуру конфокальних доменів, їх розміри, трансформацію цих параметрів під дією електричного поля.

Встановлено, що при текстурному переході при збільшенні величини поля до значення критичного поля фокально-конічної деформації розміри розсіюючих центрів збільшуються, причому середовище переходить з монодисперсного стану в полідисперсний. Максимальне розсіювання зразком досягається за рахунок сумарного вкладу розсіювання на розсіюючих центрах та дифракційних решітках фазового типу, утворених спіральними структурами. Безпосередньо процеси ХНП супроводжуються зворотним процесом, а саме, зменшенням розмірів розсіюючих центрів та переходом системи з полідисперсного стану в монодисперсний і, відповідно, зменшення інтенсивності світла, розсіяного індукованим холестериком.

Показано, що незалежно від структури нематичної матриці, в якій індукується спіраль, закручуюча здатність зменшується з ростом номера ефіру холестерину в гомологічному ряді, що є наслідком як зменшення анізотропії здатності до поляризації холестеричних молекул, так і зростання поперечної складової дипольного моменту і, відповідно, псевдосмектичності мезофази.

Зростання смектичних флуктуацій, а відповідно, трансляційної впорядкованості нематичної матриці, приводить до зменшення закручуючої здатності холестеричних молекул та збільшення констант пружності К₂₂ і К₃₃, причому для індукованих холестериків вони не залежать від концентрації оптично активної домішки.

Досліджено електрооптичні характеристики індукованих холестериків у процесі ХНП, а саме, концентраційну залежність порогових полів, закручуючу здатність, діелектричну анізотропію та константи пружності К₂₂ і К₃₃.

Показано, що з ростом структурної впорядкованості речовини, наприклад, за рахунок збільшення концентрації сильнополярної компоненти відбувається зменшення величини порогових полів як прямого, так і зворотного переходів за рахунок, в основному, збільшення кроку індукованої спіралі, а зменшення цих полів з температурою обумовлене температурною поведінкою констант пружності К₂₂ і К₃₃.

Досліджено залежності оптичного пропускання від поля, прикладеного до зразка індукованого холестерика, і показано, що ця залежність характеризується бістабільністю. Для кількісної оцінки гістерезисних властивостей використовується відносна величина петлі гістерезису.

Показано, що при слабкому зчепленні молекул рідкого кристала з поверхнею відносна величина петлі гістерезису не залежить від відношення d/P₀ і величини анізотропії діелектричної проникності та лінійно залежить від відношення констант пружності К₂₂ і К₃₃.

Відносна величина петлі гістерезису з урахуванням поверхневих умов визначається відношенням d/P₀, константами пружності та величинами поверхневих енергій і не залежить від анізотропії діелектричної проникності.

Розроблено ряд пристроїв оптоелектроніки, а саме, низькочастотні модулятори видимого та інфрачервоного діапазонів з використанням термоелектрооптичних ефектів в індукованих холестериках; стабілізатори потужності низькоінтенсивного лазерного випромінювання на основі комірок з індукованим холестериком на ефекті ХНП; дефлектори лазерного випромінювання на дифракційних структурах, сформованих у шарі індукованого холестерика; оптично керовані елементи на основі комірок з індукованим холестериком для формування діаграм направленості волоконних світловодів, просторово-часових модуляторів світла з використанням бістабільності характеристик холестерико-нематичного переходу, низькочастотні оптичні автогенератори з РК модулятором і використанням ефекту ХНП і, нарешті, двошаровий РК модулятор з істотним підвищенням глибини модуляції.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ РОБОТИ

1. Готра З.Ю., Курик М.В., Микитюк З.М. Структура жидких кристаллов.- К.: Наукова думка, 1989.-112 с.

2. Микитюк З.М., Федышин М.И., Цимбалистый В.М. Определение формы рассеивающих областей в жидких кристаллах по виду малоугловых рентгеновских рефлексов// Вестник Львовского государственного университета.-1980.-№15.-с.32-35.

3. Дутчак Я.И., Микитюк З.М., Федышин М.И., Кричевец Ю.М. Изучение совместного действия электрического и магнитного полей на субикроструктуру нематического жидкого кристалла// Кристаллография.- 1980.-Т.25.-№2.-с.432-434.

4. Федишин М.І., Микитюк З.М., Ціж Б.Р., Пушкар І.М. Малокутове рентгенівське розсіювання нематичним рідким кристалом, орієнтованим електричним полем // Вісник Львівського університету. Сер.Фізичне матеріалознавство.-1980.-№15.-С.26-32.

5. Микитюк З.М., Дутчак Я.И., Федышин М.И. О размытых фазовых переходах в жидких кристаллах// Журнал физической химии.-1982.-Т.1.-№7.-с.1814-1816.

6. Дутчак Я.И., Векслер Р.Н., Микитюк З.М. Федышин М.И.. Влияние малой концентрации хиральных молекул в нематогенах на структурную организацию нематико-холестерических смесей// Кристаллография.- 1983.- Т.28.- №.2.- с.395-397.

7. Дутчак Я.И., Федышин М.И., Микитюк З.М., Векслер Р.Н. Особенности субмикроструктуры жидких кристаллов гомологического ряда n-н- алкоксибензойной кислоты в магнитном поле // Кристаллография.- 1983.- Т.28.- №.1.- С.180-181.

8. Микитюк З.М., Смеркло Л.М., Фечан В.Т. Разработка экспресс-метода измерения шага спирали в нематико-холестерических смесях// Вопросы специальной радиоэлектроники, сер.РЛТ.-1984.-с.142-145.

9. Микитюк З.М., Фечан В.Т. Корреляция субструктуры и оптических свойств в немато-холестерических смесях// Физическая электроника.-1984.-№29.-с.109-112.

10. Микитюк З.М., Фечан В.Т. Малоугловое рентгеновское рассеяние нематическими жидкими кристаллами// Проблемы физики материалов электронной техники.-1984.-№1.-с.135-141.

11. Микитюк З.М., Готра З.Ю., Фечан В.Т., Щепкин Л.Н. Взаимосвязь параметров надмолекулярных образований с шагом индуцированной спирали в нематико-холестерических смесях жидких кристаллов// Вопросы специальной радиоэлектроники, сер.ОВР.-1985.-№2.- с.132-134.

12. Микитюк З.М., Готра З.Ю., Фечан В.Т., Щепкин Л.Н.. Макроскопические и микроскопические свойства жидких кристаллов// Вопросы специальной радиоэлектроники, сер.ОВР.-1985.-№2.- с.134-138.

13. Микитюк З.М., Готра З.Ю., Фечан В.Т., Щепкин Л.Н. Субструктура твердокристаллической фазы веществ, дающих мезофазу// Вопросы специальной радиоэлектроники, сер.ОВР.-1985.-№2.- с.139-143.

14. Готра З.Ю., Микитюк З.М., Павляк М.Г., Фечан В.Т., Пархоменко В.В. Надмолекулярная структура и ее связь с физическими параметрами нематико-холестерических смесей. // УФЖ.- 1985.- T.30.- №12.- C.1818-1823.

15. Готра З.Ю., Микитюк З.М., Пархоменко В.В., Павляк М.Г. Электрооптика фазового перехода холестерик-нематик в нематико-холестерических смесях// УФЖ.-1986.- Т.31.-№1.-с.82-85.

16. Z.Gotra, Z.Mikityuk, G.Megyei, P.Zaremba. Field hysteresis of the cholesteric-nematic phase transition // Liquid crystals.- 1991.-V.9.- № 6.- P.893 - 898.

17. Z.Mikituk, Z.Gotra, L.Gresko, M.Vistak. Hysteresis effect of cholesteric to nematic phase transition and its application in liquid crystal displays// Liquid Crystal Materials, Devices and Applicationes, SPIE.-1993.-V.1988.-№28.-p.221-222 .

18. O. Nevmerzhitska, A.Fechan, M.Vistak. Field hysteresis of the cholesteric-nematic transition of te phase// Proc.SPIE.-1993.-V.1988.-p.211-222.

19. Z.Gotra, Z.Mikituk, M.Vistak,P.Zaremba. Correlation of structural and elasticity properties of nematic-cholesteric mixtures// Liquid Crystal Materials, Devices and Applicationes, 11 SPIE.-1993.-V.1911.-p.100-102.

20. Z.Mikityuk, O. Nevmerzhitska, A.Murakhevich, A.Fechan. Fluctuational smectic modes in cholesterics with induced helixal structure // Functional Materials.-1995.- V.2.-№3.-р.377-380.

21. Z.Mikityuk, A.Fechan, J.Semenova. Liquid crystal material for light modulators on the base of cholesteric-nematic phase transition//// Liquid Crystal Materials, Devices and Applications, SPIE.-1996.-V.2651.-p.196-208 .

22. Z.Mikityuk, O.Nevmerzhitska, P.Zaremba, M.Vistak. Temperature Dependence of Field Hysteresis Loop in Nemato-Cholesteric Mixtures // Mol.Cryst. Liq. Cryst.- 1996.- V.275.- P.3-14.

23. Микитюк З.М., Семенова Ю.В., Готра О.З., Фечан А.В. Особливості розсіювання випромінювання конфокальною текстурою в шарі індукованого холестерика для світлорозсіюючих елементів // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер. Електроенергетичні та електромеханічні системи.-№3.-1997.-С.72-76.

24. J.Semenova, Z.Mikityuk, M. Nutskowsky, A.Fechan. Induced cholesterics as an active medium for low-frequency light modulators//J.Proc.SPIE, Liquid Crystal Materials, Devices and Applicationes IV.-1997.-V.3015.- №3.-p.181-193.

25. Z.Gotra, Z.Mikityuk, A.Fechan, D.Batbayarin. Nematic-cholesteric mixtures with a wide diapazon of field hysteresis relative value of cholesteric-nematic phase transition for display devices// J.Proc.SPIE, Liquid Crystal Materials, Devices and Applicationes IV.-1997.-V.3015.- №3.-p.194-204.

26. Z.Mikityuk, A.Fechan, Y.Semenova. Light modulation features by cholesteric-nematic transition in nematic-cholesteric liquid crystal mixtures//Opto-Electronic Review.-1997.-V.5.-№1.-p.47-53.

27. M.Kurik, Z.Mikityuk, A.Fechan, M.Vistak, O.Nevmerzhitska. Determination of Elastic Constans of Nematic-Сholesteric Mixtures// Mol.Cryst.Liq.Cryst.-1997.-V.293.-p.1-6.

28. Микитюк З.М., Фечан А.В., Готра О.З., Семенова Ю.В. Рідкокристалічний матеріал для просторово-часових модуляторів світла систем автоматизованого керування на основі холестерико-нематичного фазового переходу// Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер. Автоматика, вимірювання та керування.-№326.-1998.-С.131-136.

29. Микитюк З.М., Нуцковський М.С. Динаміка холестерико-нематичного фазового переходу в РК// Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер. Елементи теорії та прилади твердотілої електроніки. - 1998.- №325.- P. 116-120.

30. Z.Mikityuk, J.Semenova, M. Nutskowsky, O.Sushinsky. Liquid crystal modulator of laser radiation for high-power lasers of infra-red range of spectrum// Molecular Cryst.&Liquid Cryst.-1998.- V.1123.-P.1-5.

31. Микитюк З.М. До методики визначення констант пружності індукованих холестериків// Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер. Елементи теорії та прилади твердотілої електроніки. - 1998.- №325.- P. 107-111.

32. Z.Mikityuk. The Fluctuation Layered Structure of Induced Cholesterics.// Mol. Cryst. Liq. Cryst.- 1999.-V.330.-Р.503-509.

33. Микитюк З.М., Нуцковський М.С., Сушинський О.Є., Черпак В.В. Електрооптика подвійних РК структур // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки. - 2000.- №393.- С. 134-137.

34. Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В.Г. Розсіювання світла на конфокальних доменах в індукованих холестериках // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер.Електроніка. -2000.-С.70-77.

35. Готра З.Ю., Микитюк З.М., Медьеи Д., Заремба П.Е. Оптимизация электрооптических параметров холестерико-нематических переходов// Деп. в УкрНИИНТИ 11.05.1988.-№1185.-с.1-6.

36. Микитюк З.М., Медьеи Д., Заремба П.Е., Фечан А.В. Метод определения критического магнитного поля раскрутки спирали в немато-холестерических смесях// Деп. в УкрНИИНТИ 29.06.1988.-№1673.-с.1-5.

37. Микитюк З.М., Ціж Б.Р., Поліщук М.О., Федишин Я.І. Органічні напівпровідники для РК модуляторів.- Черкаси, 1996.- 9 с.- Укр.- Депонована в НДІТЕХІМ, №26-Х1796.

38. Микитюк З.М., Нуцковський М.С., Сушинський О.Є., Черпак В.В. Електрооптика подвійних РК структур// Вісник ДУ “Львівська політехніка” Сер. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки.- 2000.- №393.- С. 134-137.

39. Пат. №29677А Україна, МКІ G 02F1/13. Спосіб виготовлення модуляторів ІЧ-випромінювання/ Микитюк З.М., Нуцковський М.С., Вернікова Л.М., Сушинський О.Є.(Україна).- №96103771; заявлено 01.10.96. Опубл.: Промислова власність. Офіційний бюл. 2000, №6-11.

Размещено на Allbest.ru