Применение жидких кристаллов в оптоэлектронике

В виду разной изученности жидких кристаллов в современной оптоэлек- тронике используются преимущественно нематики и частично холестерики. Смектики не проявляют выраженного перехода Фредерикса, и потому в на­стоящее время их использование в электронике ограничено.

Жидкие кристаллы в оптоэлектронике применяют главным образом для создания модуляторов, построения дефлекторов оптического излучения, инте­грально-оптических элементов различного назначения, систем обработки опти­ческой информации - оптических транспарантов, управляемых электрическим полем или светом, устройств отображения информации. Использование немати- ков базируется преимущественно на использовании эффекта Фредерикса, тре­бующем импульсов напряжений малой амплитуды (до 5 Вольт). Это обстоятель­ство дополняет хорошую интегрируемость жидкокристаллических оптических элементов с микропроцессорной техникой и позволяет создавать программно управляемые экономные, малогабаритные и надежные оптоэлектронные элемен­ты и устройства.

1. Жидкокристаллические модуляторы представляют собой оптическую планарную или гомеотропную ячейку, которую размещают между скрещенными или параллельными поляризаторами. Падающее оптическое излучение имеет линейную поляризацию. В зависимости от конструкции модулятора и исполь­зуемого электрооптического эффекта при наложении электрического поля, соз­дающего один из перечисленных выше структурных эффектов, его пропускная способность изменяется от нуля до 100% в соответствии с законом изменения прикладываемого напряжения. Предельная частота модуляции такого модулято­ра обычно составляет несколько килогерц. Поэтому такие модуляторы чаще ис­пользуются как оптические затворы. Однако скоро ЖК модуляторы будут рабо­тоспособны до сотен килогерц и выше.

2.Дефлекторы оптического излучения могут быть созданы на основе многочисленных электрооптических эффектов в жидких кристаллах: переходе Фредерикса, доменах Капустина-Вильямса, использовании нарушения полного внутреннего отражения и т.д. Назначение дефлектора - отклонение оптическо­го луча в нужном направлении. Наиболее просто этого достичь, если в жидкок­ристаллической ячейке выбором треугольной топологии полевых электродов сформировать клиновидную призму, изменяющую свой относительный показа­тель преломления в электрическом поле от нуля до величины, определяемой анизотропией диэлектрической проницаемости.

3.Интегрально-оптические элементы на основе жидких кристаллов представляют собой элементы, встроенные в оптическую схему оптоэлектрон- ного устройства. Это активные линзы, волноводные модуляторы, волноводные дефлекторы и т.д. Их применение позволяет программно управлять оптической схемой оптоэлектронного устройства, изменять его функции. Подавая на эти элементы в соответствии с алгоритмом работы устройства напряжения выше порога Фредерикса, можно ЖК призмой изменять направление распростране­ния светового луча; активируя ЖК линзу, включать-выключать фокусировку; оптической ячейкой осуществлять модуляцию света цифровым сигналом. Од­нако ввиду значительных оптических потерь в ЖК интегрально-оптические элементы применяют в волноводных линиях.

4.Оптоэлектронные транспаранты. Для современных систем обра­ботки информации большое значение имеют оптоэлектронные транспаранты, управляемые полем или светом. Транспаранты представляют собой простран­ственные модуляторы или, точнее, пространственные световые ключи, управ­ляющие по заданному временному закону одним или несколькими параметра­ми светового потока. Жидкие кристаллы являются удобными рабочими веще-

135

ствами для транспарантов вви­ду малых управляющих на­пряжений и потребляемой мощности, хорошего контраста и возможности изготовления транспарантов практически любых размеров.

Так, жидкокристаллический транспарант, управляемый электрическим полем, пред­ставляет собой матрицу, составленную из большого числа независимых опти­ческих ячеек. На матрицу нанесены прозрачные металлические электроды в ви­де полосок, направленных взаимно перпендикулярно на противоположных опорных стеклах (см. рис. 60). При подаче напряжения на определенную ком­бинацию вертикальных и горизонтальных полосок выбранные таким способом ячейки изменяют свои оптические свойства. На представленном рисунке пере­ход Фредерикса происходит в ячейке с координатами (2, 4). Если транспарант работает на просвет, то обе опорные поверхности делают прозрачными. Если же транспарант работает на отражение, то одна опорная поверхность делается зеркальной.

Рис. 60

Высокоомный полупроводник

\	— —
	111! 11 г ih
V >

НЖК

Свет

Рис.61

Транспаранты, управляемые светом, отличаются от описанных выше тем, что в них жидкокристал­лическая ячейка включается после­довательно с высокоомным фоторе­зистором. Прикладываемое к транс­паранту постоянное напряжение бе­рется выше напряжения Фредерикса. В отсутствии освещения из-за боль­шого падения напряжения на фоторе­
зисторе напряжения на оптической ячейке недостаточно для структурных из­менений в ней. Освещение фотослоя повышает его проводимость в местах ос­вещения, и тогда в освещенных точках транспаранта приложенное напряжение перераспределяя-ется в пользу ЖК слоя. Это вызывает переход Фредерикса и изменение структуры ЖК, что обнаруживается в проходящем или отраженном свете. Таким образом, изображение на ЖК транспаранте в точности повторяет световую картинку, спроецированную на его заднюю стенку. Если проецируе­мое на транспарант изображение инфракрасное, то такой транспарант позволя­ет сделать его видимым.

Жидкокристаллические транспаранты используются для формирования двумерных массивов информации, выполнения логических операций, преобра­зования яркости излучения, перестраиваемой фильтрации изображения и т.д.

5. Устройства отображения информации на жидких кристаллах ха­рактеризуются дешевизной, низким энергопотреблением, малыми управляю­щими напряжениями и хорошей технологической совместимостью с инте­гральными микросхемами. Они используют переход Фредерикса в твист- структуре, а также эффект динамического рассеяния света в S-эффекте только в черно-белом цвете. Индикаторы третьего поколения полноцветные, что дости­гается применением эффекта «гость-хозяин» в нематике либо использованием холестерика с электрически регулируемым шагом спирали.