Оптические свойства жидких кристаллов

Для понимания принципов работы оптических жидкокристаллических ячеек необходимо вспомнить раздел оптики, в котором рассматриваются осо­бенности прохождения через оптически активный кристалл линейно поляризо­ванного излучения с заданной поляризацией и направлением распространения излучения относительно оптической оси кристалла.

Нематики. Нематик является оптически одноосным кристаллом, оптиче­ская ось которого совпадает с направлением директора. Поэтому оптические характеристики планарной и гомеотропной структур различны. В ячейке с го- меотропной структурой свет распространяется вдоль оптической оси (вдоль директора), поэтому, как во всяком одноосном кристалле, в этом случае опти­ческие характеристики ячейки не зависят от поляризации света: свет проходит жидкокристаллическую оптическую ячейку без двулучепреломления, а значит без изменения фазы. При падении же света на ячейку с планарной структурой прохождение света сквозь нее зависит от поляризации падающего света: без изменения поляризации в ней распространяется только свет, поляризованный ортогонально директору. В случае поляризации по директору свет расщепляет­ся на обыкновенную волну и необыкновенную, которые имеют разные скоро­сти распространения и взаимно перпендикулярные поляризации. В итоге на выходе из оптической ячейки эти волны складываются в одну, вектор поляри­зации которой оказывается повернут на некоторый угол относительно поляри­зации на входе. Подбирая толщину ЖК или значения его диэлектрических про- ницаемостей s\\ и , можно добиться того, что на выходе поляризация будет

перпендикулярна к поляризации на входе в планарную оптическую ячейку. Ис­пользуя поляроидные пленки, нанесенные на опорные поверхности, можно сделать гомеотропную структуру непрозрачной для света, скрестив верхний и нижний поляроиды (рис. 55, б). Планарная структура при таком же положении поляроидов пропускает свет, если ориентация поляроида не совпадает с на­правлением директора. Отсюда следует принцип, на основе которого с помо­щью жидкокристаллической ячейки можно отображать информацию - путем прикладываемого напряжения переводить планарную текстуру в гомеотропную и обратно. В планарной структуре направление распространения света перпен­дикулярно оптической оси. Поэтому показатель преломления света различен для света, плоскость поляризации которого перпендикулярна направлению ди­ректора в слое, и света, поляризация которого содержит это направление. Знак оптической анизотропии может быть как положительным, так и отрицатель­ным. В нематике с As < 0 фазовая скорость света, поляризованного перпенди­кулярно направлению директора, оказывается меньше фазовой скорости света, поляризованного в направлении директора. Переход Фредерикса, в котором при отсутствии поля нематик с As > 0, образует планарную текстуру, а при на­ложении поля переходит в гомеотропную, принято называть ^-эффектом.

В ^-эффекте исходная текстура гомеотропная, а поле переводит ее в планарную для чего требуется нематик с отрицательной диэлектрической ани­зотропией As. Для Т-эффекта исходная планарная структура берется закручен­ной (ориентация молекул на одной поверхности составляет угол 90⁰ относи­тельной ориентации на другой). Приложенное поле, как и в случае ^-эффекта, изменяет планарную ориентацию молекул нематика с As > 0 на гомеотропную. Работа ячейки, использующей 7-эффект, основывается на свойстве закрученной твист-структуры вращать плоскость поляризации света.

Конструкция оптической ячейки. В качестве примера рассмотрим кон­струкцию планарной ячейки, предназначенной для отображения информации на твист-эффекте, как наиболее используемом в оптоэлектронике. Оптическая ячейка образована двумя стеклянными пластинками, на внутренние поверхно­сти которых напылены металлические электроды, имеющие высокий коэффи­циент пропускания света. На внешние поверхности нанесены поляроидные пленки, пропускающие свет только определенной поляризации. Эти поляроид­ные пленки могут пропускать как свет одной поляризации, так и свет взаимно перпендикулярных поляризаций. Верхний поляроид пропускает поляризацию,
параллельную директору жидкого кристалла, который выбирают с положи­тельной оптической анизотропией.

Рис.58

а

направление поляризации, что и нижний поляризатор (см. рис. 58, а). При включении электрического поля для нематического жидкого кристалла с поло­жительной диэлектрической анизотропией (As > 0) произойдет переход от за­крученной твист-ориентации к гомеотропной ориентации молекул, то есть длинные оси молекул повернутся в направлении, перпендикулярном к электро­дам, и спиральная структура разрушится (рис. 58, б). Теперь свет, не изменив направления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора, будет иметь направление поляризации, противопо-ложное ниж­нему поляроиду, а они, как видно на рис. 58, б, находятся в скрещенном поло­жении. В этом случае ячейка — «непрозрачна». Используя это свойство ячейки, можно создать электронный затвор оптического излучения.

Исходная ориентация нематика закрученная, то есть мы имеем так назы­ваемую твист-ориентацию молекул (см. рис. 58, а). Свет падает на верхний по­ляризатор и становится плоскополяризованным в соответствии с его поляриза­цией. При отсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет, "следуя" твист-ориентации нематика, меняет свое направление в соответ­ствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же

Эффект «гость-хозяин». Электрооптические эффекты в ячейке могут проявлятся не только в переходах из непрозрачного состояния в прозрачное или наоборот, но также в изменении окраски ячейки - это так называемый эффект «гость - хозяин». Сущность данного эффекта заключается в следующем. Если в нематик (хозяин) в небольшом количестве добавить молекулы дихроичного красителя (гость), которые ориентируются нематиком так же, как и собствен­ные молекулы, то при переходе Фредерикса вместе с переориентацией молекул нематика происходит переориентация молекул красителя. В результате этого изменяется окраска жидкокристаллической ячейки из-за изменения ориентации молекул дихроика. Это происходит потому, что дихроичные молекулы краси­теля имеют линию поглощения света на строго определенной длине волны, причем величина коэффициета поглощения на этой волне зависит от взаимной ориентации поляризации падающего на него света и длинной оси молекул дих- роика. Так что свет с поляризацией перпендикулярной оси дихроичной молеку­лы ею не поглощается, а с поляризацией параллельной оси дихроика - погло­щается. В последнем случае краситель приобретает цвет, определяемый линией поглощения дихроика: это может быть и красный цвет (^=0,64 мкм), и зеленый (^=0,55 мкм) и т.д. В соответствующий линии поглощения цвет окрашивается оптическая ячейка.

Поскольку молекул красителя в нематик добавляют мало, все диэлектри­ческие характеристики жидкого кристалла сохраняются. Можно ввести два красителя с различными частотами дихроичных линий поглощения и тем са­мым добиться двойного изменения окраски ячейки при переключении поля: один цвет до действия поля и другой - после перехода Фредерикса.

Смектики. Оптические свойства смектиков находятся в прямой зависи­мости от их строения. Смектик ^-типа, как и нематик, является одноосной сре­дой в оптическом отношении - в нем существует одно направление распро­странения света, совпадающее с директором, для которого показатель прелом­ления не зависит от поляризации света.

Смектики С-типа являются оптически двухосными, т.к. ориентационные движения молекул в смектиках отличаются от таковых в нематике. Если в не- матике молекулы могут свободно вращаться вокруг своих длинных осей, то в смектиках в общем случае вращательное движение заторможено, т.е. хотя мо­лекула и вращается, но с наибольшей вероятностью она принимает определен­ное ориентационное положение. Поскольку свет «видит» усредненное положе­ние молекул, то в случае свободного вращения усредненная молекула осесим- метрична, а при заторможенном вращении она выглядит как часть плоскости (блиноподобна). Из теории анизотропных сред известно, что ансамблю осесим- метричных молекул соответствует оптически одноосная среда, а системе моле­кул, у которых отсутствует ось вращения, соответствует двухосная среда.

В природе встречаются смектики, обладающие большим электрическим дипольным моментом. Происхождение дипольного момента связано с тем, что образующие смектик молекулы обладают собственным электрическим момен­том: центры «тяжести» (говорят - центроиды) положительного и отрицательно­го зарядов в отдельной молекуле сдвинуты в пространстве относительно друг друга. Направление дипольного момента изменяется от слоя к слою, образуя спиральную структуру. Если эту спираль раскрутить приложением электриче­ского поля, перпендикулярного оптической оси, то можно обнаружить диполь- ный момент. При этом резко изменяются оптические свойства смектика, что можно использовать в приборостроении.

Холестерики. Этот тип жидких кристаллов характеризуется спиральным поведением директора. Но с изменением направления директора изменяется диэлектрическая проницаемость. Следовательно, по толщине кристалла значе­ние диэлектрической проницаемости изменяется от sy - диэлектрическая про­ницаемость жидкого кристалла, когда поляризация света параллельна директо­ру, до s_|_ - диэлектрическая проницаемость жидкого кристалла, когда поляри­зация света перпендикулярна директору. Диэлектрические свойства холестери- ка периодичны по координате с периодом d = Po/2. В холестерике периодом служит не шаг спирали po, на котором директор совершает оборот на 2я, а

Po/2, так как ориентации директора n и - n эквивалентны, и период диэлек­трических свойств холестерика оказывается вдвое меньше, чем расстояние, на котором дирек­тор совершает полный оборот. По этой причине холестерик можно представить в виде чере­дующихся слоев двух типов с различными значениями диэ­лектрической проницаемости: S\\ и s_i.

■ л ^тЛ

sm9 =---- ,

2d

где d = p/2 - толщина слоя неоднородности холестерика (взаимнообратная ори­ентация директора в холестерике на шаге спирали идентична по оптическим свойствам), p - шаг холестерической спирали, т - целое число, равное порядку дифракционного максимума.

Рис. 59 Поскольку шаг спирали вы­ бирается в диапазоне видимого света, то свет будет испытывать дифракцию на периодической структуре холестерика. Если на такую структуру под углом па­дения 0 (это угол между поверхностью кристалла и направлением падения света) падает белый свет (т.е. излучение с широким диапазоном значений длин волн), то в отраженном свете будет видна дифракционная картина, полученная от оптического излучения только одной длины волны X из всего диапазона длин волн падающего излучения. Внешне это будет выглядеть как окрас слоя холестерика в цвет длиной X (см. рис. 59). Это явление называется дифракцией Вульфа-Брэгга. Условие наблюдения этого вида дифракции таково:

Как указывалось ранее, шаг спирали холестерика чувствителен к внеш­ним воздействиям. Его легко изменить, нагревая холестерик, помещая в элек­
трическое или магнитное поле и т.д. Отсюда следует один из принципов ис­пользования холестерических кристаллов в оптоэлектронике: плавное измене­ние цвета оптической ячейки в широких пределах при действии электрического поля, теплового или ионизирующего излучения.