ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕГО ПОЛИИМИДА ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС) для систем преобразования оптической информации из одного спектрального диапазона в другой, например, для голографии, внутрирезонаторного считывания изображения и ограничения уровней лазерного излучения.

Модулятор является ключевым элементом оптических схем регистрации, преобразования и отображения оптической информации, выполняющих операции в реальном масштабе времени [1]. В нем происходит запись изображения за счет интерференции падающего излучения на фоточувствительном слое, создание потенциального рельефа (на границе раздела фотопроводник - жидкий кристалл) для передачи информации на электрооптический слой, а также считывание изображения. Характеристики ЖК-ПВМС определяются спектральными параметрами фоточувствительного слоя, согласованием толщин и диэлектрических проницаемостей используемых слоев, типом электрооптического эффекта в ЖК, природой ориентирующих покрытий, условиями согласования режимов питания прибора и режимов записи-считывания, др. аспектами.

Известна конструкция светоуправляемого ЖК-ПВМС, выбранная в качестве аналога [2], содержащего полимерный фотопроводник на основе полиимида в качестве светочувствительного слоя, нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей электрооптической среды и окись кремния в качестве ориентирующего слоя, обеспечивающего планарную ориентацию молекул жидкого кристалла. Среди широкого класса светоуправляемых ЖК-ПВМС полимерные модуляторы обладают наилучшими показателями по разрешающей способности и величине дифракционной эффективности на высоких пространственных частотах записи [3].

Однако чувствительность и временные характеристики полимерных модуляторов сравнимы, либо хуже, чем у приборов с другими фотослоями.

Недостатком известной конструкции модулятора является низкая чувствительность.

Известная разработка полимерного ЖК-ПВМС на основе полиимида имеет следующую чувствительность: 10^-5 Вт/см² при условии работы прибора на постоянном напряжении питания и при постоянной засветке сине-зеленым участком спектра лампы накаливания. На том же устройстве, оптимизируя запись с помощью импульсного неодимового лазера, авторы публикации [4] получили чувствительность 5•10^-7 Дж/см². Структура работала при сочетании импульсной записи с импульсным напряжением питания.

Известна конструкция полимерного модулятора, выбранная в качестве прототипа, содержащего полимерный фотопроводник в качестве фоточувствительного слоя, нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей среды и окись кремния в качестве ориентирующего слоя [5]. Прибор работал в режиме импульсной записи с помощью лазерного интерференционного резольвометра и постоянного напряжения питания и показал чувствительность 3•10^-7 Дж/см². Чувствительность определялась как экспозиция записывающего света, необходимая для реализации дифракционной эффективности на уровне 1%.

Недостатком данной конструкции модулятора явилась недостаточная чувствительность, что затрудняет применение этого устройства в высокочувствительных голографических корреляционных схемах фазовой коррекции изображения.

Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение чувствительности полимерного ЖК-ПВМС.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает полимерный фотопроводник, нематический жидкий кристалл и окись кремния в качестве ориентирующего слоя, используют полимерный фотопроводник на основе полиимида, сенсибилизированный фуллеренами C₆₀ и/или С₇₀. Замена фоточувствительного слоя с несенсибилизированного полиимида на полиимид, сенсибилизированный фуллеренами, создает условия для образования комплекса с переносом заряда между донорным фрагментом молекулы полиимида и фуллереном, энергия сродства к электрону которого в 2 раза выше, чем у акцепторного фрагмента полиимидной молекулы; сечение поглощения вновь созданного комплекса в 300 раз больше [6, 7] сечения поглощения внутримолекулярного матричного полиимидного комплекса, что позволяет существенно увеличить голографическую чувствительность устройства (см. таблицу). При работе предлагаемой конструкции ЖК-ПВМС использовалось постоянное напряжение питания и импульсный режим записи.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ЖК-ПВМС отличается тем, что для повышения чувствительности фотопроводника используется фотопроводник другого состава: полиимид, сенсибилизированный фуллеренами. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены конструкция и общий вид модулятора (фиг. 1а, б), и оптической схемой измерения характеристик (фиг.2).

Предлагаемый ЖК-ПВМС (фиг. 1) представляет собой многослойную систему (фиг. 1,а), состоящую из слоя нематического жидкого кристалла (1) толщиной 5 мкм и тонкойпленки полиимида (2) толщиной 1 мкм, сенсибилизированного фуллеренами. Толщина ЖК задавалась тефлоновыми прокладками (6). Структура заключалась между двумя стеклянными подложками (4) диаметром 35 мм с прозрачными проводящими покрытиями (5), полученными методом лазерного напыления окиси индия с добавкой окиси олова. На граничную с ЖК поверхность наносились пленки моноокиси кремния (3) толщиной 1000 А, полученные методом осаждения в вакууме. Начальная ориентация ЖК - планарная, использовался S-эффект.

Измерения характеристик ЖК-ПВМС проводились по голографической методике [8] по схеме, показанной на фиг.2, где представлены неодимовый лазер (1), преобразователь во вторую гармонику (2), поворотные (3) и делительное (4) зеркала, фотоумножители (5), ЖК-ПВМС (6), линза (7), He-Ne лазер (8).

Модулятор работал следующим образом.

Вторая гармоника моноимпульсного неодимового лазера (1) (λ = 532 нм, длительность импульса 15 нс) использовалась для записи дифракционной решетки. Длина волны записывающего излучения попадала в область перекрытия полосы поглощения фуллеренов и флюоресценции матричного полиимида. Пространственная частота, на которой велись исследования, составляла 100 лин/мм. Диаметр пятна на фотослое составлял 3 мм, плотность энергии записи варьировалась от 0,01-100,0 мкДж/см². Для питания модулятора использовалось постоянное напряжение питания 60-90 В. Для считывания "на просвет" использовалось непрерывное линейно-поляризованное излучение Не-Ne лазера (8) (λ = 633 нм) с плотностью мощности 10^-4 Вт/см². При записи и считывании ориентация вектора решетки и поля считывающего излучения совпадала с ориентацией директора ЖК-молекул.

Дифракционный отклик регистрировался в первом порядке дифракции в фокальной плоскости линзы (7), стоящей за ПВМС (6). Регистрация велась с помощью электронного фотоумножителя (5), расположенного за линзой. Чувствительность модулятора, определенная как плотность энергии записи, необходимая для достижения дифракционной эффективности прибора на уровне 1 %, составила 3•10^-8 Дж/см².

Использование в качестве фоточувствительного слоя тонких пленок фуллеренсодержащего полиимида позволило на порядок увеличить чувствительность модулятора. Улучшенная чувствительность прибора, являющаяся необходимым условием его применения в эффективных светочувствительных топографических схемах коррекции фазовых аберраций и др., позволила достичь чувствительности с 3•10^-7 Дж/см² [5] до 3•10^-8 Дж/см². Указанное функциональное совершенствование прибора позволит расширить область применения полимерных модуляторов света.

Источники информации
1. Васильев А. А. , Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.

2. Мыльников B. C., Морозова Е.А., Василенко Н.А., Котов Б.В., Праведников А.Н. Пространственно-временная модуляция света структурой органический полимерный фотопроводник - жидкий кристалл. ЖТФ. - 1985, т.55, вып.4, с. 749-751.

3. Мыльников B.C. Фотопроводимость полимеров. - Л: Химия, Ленинградское отделение. 1990, 240 с.

4. Kamanina N.V. and Vasilenko N.A. Correlation between speed, resolution and sensitivity of the photoconductor-liquid crystal system. Proceed of SPIE.- 1998, vol. 3318, p.332-337.

5. Мыльников B.C., Грознов М.А., Морозова Е.Л., Сомс Л.Н., Василенко Н. А. , Котов Б.В., Праведников А.Н. Эффективная реверсивная фазовая запись оптической информации структурой органический полимерный фотопроводник - жидкий кристалл. Письма в ЖТФ.- 1985, т.11, вып.1, с.38-41.

6. Александрова Е. Л. , Каманина Н.В., Черкасов Ю.А., Капорский Л.Н., Берендяев В. И. , Василенко Н.А., Котов Б. В. Фуллерены как сенсибилизаторы фотоэффекта в твердых телах. Оптический журнал. - 1998, т.65, 8, с.87-89.

7. Cherkasov Y. A. , Kamanina N.V., Alexandrova E.L., Berendyaev V.I., Vasillenko N.A., Kotov B.V. Polyimides: new properties of xerographic, thermoplastic, and liquid crystal structures. Proceed of SPTE.- 1998, vol. 3471, p.254-260.

8. Kamanina N. V. and Vasilenko N.A. Influence of operating conditions and interface properties on dynamic characteristics of liquid-crystal spatial light modulators. Optical and Quantum Electroniics. - 1997, vol.29, p. 1-9.

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Устройство представляет собой многослойную систему, состоящую из пленки специального полимерного фотопроводника, сенсибилизированного фуллереном, и слоя нематического жидкого кристалла (ЖК). Для ориентации молекул ЖК используется ориентирующее покрытие на основе пленок моноокиси кремния. При функционировании данного устройства предлагается использовать постоянное напряжение питания и импульсный режим записи. Технический результат - повышение голографической чувствительности. 3 ил., 1 табл.

Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащего полиимида для голографической записи информации, содержащий нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей электрооптической среды, моноокись кремния в качестве ориентирующих покрытий и полимерный фотопроводник в качестве светочувствительного слоя, отличающийся тем, что этот слой выполнен в виде тонких пленок полиимида, сенсибилизированного фуллеренами.