СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ СВЕТА И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ХОЛЕСТЕРИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к электро- и магнитооптическим устройствам для управления свойствами светового потока, а также для отображения и обработки информации. В частности, оно может быть применено для создания модуляторов светового излучения и жидкокристаллических дисплеев. Изобретение включает основанный на холестерических жидких кристаллах способ управления поляризацией света с помощью электрического или магнитного поля, а также быстродействующие электро- и магнитооптические элементы с применением этого способа.

Ориентационные эффекты в жидких кристаллах, благодаря присущей жидким кристаллам диэлектрической, магнитной и оптической анизотропии, могут применяться для управления состоянием поляризации света с помощью электрического или магнитного поля [L.M.Blinov, V.G.Chigrinov. Electrooptic Effects in Liquid Crystals Materials, Springer-Verlag, New York Inc., 1994]. На основе этих эффектов могут быть созданы как модуляторы фазы, так и модуляторы интенсивности электромагнитных и, в частности, световых волн. Жидкокристаллические дисплеи, а также различного типа модуляторы интенсивности света, устройства для управления фазовой задержкой электромагнитных волн основаны на электрооптических элементах, которые, в большинстве случаев, состоят из двух подложек с электродами для создания электрического поля в жидком кристалле, между которыми имеется фиксированный зазор, заполняемый жидким кристаллом. Кроме того, на электроды наносятся тонкие дополнительные покрытия (пленки), предназначенные для задания определенной ориентации молекул в жидкокристаллическом слое. В таких конструкциях электрическое поле направлено перпендикулярно к слою жидкого кристалла. Оно приводит к модификации пространственно-ориентационного распределения молекул в объеме жидкого кристалла и, как следствие, к изменению состояния поляризации прошедшего через жидкий кристалл света. Изменения состояния поляризации могут быть трансформированы в соответствующую модуляцию интенсивности света, используя внешние поляризационные элементы и, таким образом, визуализированы.

Известен большой круг электрооптических элементов на нематических жидких кристаллах. Они являются основой современных дисплейных технологий и ряда других оптоэлектронных устройств [Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2001]. Это, например, дисплеи на основе твист- (TN-LCD) и супер-твист (STN-LCD) эффектов, на основе смешанной твист-нематической моды (MTN-LCD), вертикально ориентированной моды (VA-LCD), на основе так называемых π-ячеек и др. В каждом из этих случаев используются ориентированные слои нематических жидких кристаллов, характеризующиеся различным начальным (в отсутствие электрического поля) пространственно-ориентационным распределением принципиальных осей молекул. Направление преимущественной локальной ориентации длинных осей молекул удобно описывать единичным вектором, называемым директором. В случае оптически одноосных жидких кристаллов направления локальной оптической оси и директора совпадают. Например, TN-LCD в отсутствие электрического поля директор составляет незначительный угол с поверхностями ориентирующих подложек, но при этом проекции директора взаимно ортогональны на противоположных плоскостях подложек. Поэтому пространственно-ориентационное распределение директора по толщине слоя характеризуется плавной закруткой (твистом) директора на 90°. В STN-LCD угол закрутки директора по толщине слоя жидкого кристалла в разных конструктивных вариантах изменяется в диапазоне от 180 до 360°. В VA-LCD свойства ориентирующих подложек таковы, что директор в отсутствие поля ориентирован почти нормально к подложкам, а π-ячейках начальное распределение директора по толщине характеризуется деформацией типа изгиба ("bend"). При подаче на ориентированный слой жидкого кристалла электрического напряжения происходит деформация начального распределения поля директора. В проходящей сквозь слой жидкого кристалла поляризованной световой волне возникает изменение фазовой задержки между ее обыкновенной и необыкновенной компонентами. С помощью поляроида, установленного на выходе из слоя жидкого кристалла, эти изменения превращаются в модуляцию интенсивности света. Недостатком подобных фазовых и амплитудных модуляционных устройств на нематических жидких кристаллах является относительно медленные времена релаксации индуцированного пространственно-ориентационного распределения поля директора. Время релаксации определяется как коэффициентами упругости и вязкости самого жидкого кристалла, так и толщиной жидкокристаллического слоя. При этом, что особенно важно, время релаксации прямо пропорционально квадрату толщины слоя, которая, несмотря на присущую нематическим жидким кристаллам большую величину двулучепреломления, должна составлять несколько микрон для реализации заметной фазовой задержки или глубины амплитудной модуляции света. Поэтому даже для нематических жидкокристаллических материалов с оптимальными вязкоупругими свойствами характерные времена релаксации составляют десятки миллисекунд.

Известны электрооптические элементы с управлением ориентацией директора электрическим полем, направленным параллельно слою нематического жидкого кристалла [US Pat. №3834794 (сентябрь 1974)]. В этом случае электроды выполнены в виде встречно-штыревой структуры, распложенной на внутренней поверхности только одной из ограничивающих жидкий кристалл подложек. Жидкокристаллические слои имеют планарную, гомеотропную или закрученную на 90° ориентацию [Soref R.F., J. Appl. Phys. v.45, №12, 5466 (1974)]. В последующем электрооптические элементы подобной конструкции успешно были применены для расширения углов обзора дисплейных устройств [US Pat. №5576867 (ноябрь 1996); US Pat. №5841498, ноябрь 1998; Kiefer R., Weber В., Windscheid F. and Baur G., Japan Display'92, 547 (1992); G.Baur, R.Kiefer, H.Klausmann, F.Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol.5, №3, 13 (1995)]. Электрооптические эффекты, основанные на данном режиме управления, относятся к так называемой IPS-моде. Недостатком электрооптических элементов с использованием IPS-моды в нематических жидких кристаллах также является медленное время релаксации оптического отклика при выключении электрического поля.

Известен электрооптический элемент, в котором используется хиральный сегнетоэлектрический жидкий кристалл, управляемый электрическим полем, направленным перпендикулярно оси холестерической спирали [Swiss Patent Application №3722/87; B.I.Ostrovski, A.Z.Rabinovich, V.G.Chigrinov, Advances in Liquid Crystals Research and Applications, Edited by Lajos Bata, Pergamon Press, Oxford-Akademiai Kiado, Budapest]. Сегнетоэлектрический жидкий кристалл имеет слоистую структуру с постоянным наклоном молекул по отношению к нормали к слою. Благодаря хиральности молекул, в смежных слоях молекулы жидкого кристалла при неизменном полярном угле (угол наклона молекул в слое) повернуты на некоторый угол по азимуту и надмолекулярная структура приобретает геликоидальный характер. Каждый слой характеризуется спонтанной поляризацией, вектор которой направлен перпендикулярно к плоскости наклона молекул. При шаге спирали много меньше расстояния между ограничивающими подложками и планарных граничных условиях на подложках, в принципе, можно реализовать однородную ориентацию оси спирали в плоскости жидкокристаллического слоя. В описываемом устройстве электрическое поле прикладывают к электродам на обеих внутренних поверхностях подложек и оно направлено перпендикулярно к оси спирали. Модуляция света, длина волны которого меньше шага спирали, осуществляется за счет малой обратимой деформации спирали в знакопеременном поле, взаимодействующем со спонтанной поляризацией. Электрооптический элемент характеризуется короткими временами переключения оптических состояний. Однако на практике качественная текстура сегнетоэлектрического жидкого кристалла с ориентированной в одном направлении осью геликоида не реализуется, вследствие чего оптические характеристики устройства низкие.

Известен электрооптический элемент на сегнетоэлектрическом жидком кристалле, управляемый электрическим полем, направленным в плоскости слоя жидкого кристалла, которое генерируется встречно-штыревой электродной структурой, сформированной на одной из подложек [International Application Number PCT/KR99/00700; M.I.Barnik, S.P.Palto, Ferroelectric 310, 11-23 (2004)]. На обеих внутренних поверхностях подложек, ограничивающих слой жидкого кристалла, создаются условия для гомеотропной ориентации молекул. В этом случае смектические слои жидкого кристалла расположены параллельно подложкам. Ось спирали (геликоида) такой структуры направлена нормально к ориентирующим подложкам. В скрещенных поляроидах в отсутствие электрического поля электрооптический элемент непрозрачен. В электрическом поле, направленном перпендикулярно оси спирали и взаимодействующем со спонтанной поляризацией, происходит поворот молекул жидкого кристалла по конусу вокруг нормали к слоям с сохранением угла наклона. При достаточно высоких полях достигается полная раскрутка спирали. В этом состоянии молекулы жидкого кристалла приобретают согласованный в одну и ту же сторону наклон, и слой становится эквивалентным одноосной оптической пластинке. Плоскость наклона оптической оси перпендикулярна направлению электрического поля. При углах между волновым вектором встречно-штыревой структуры и осями скрещенных поляроидов, не кратных 90° и не равных нулю, жидкокристаллический электрооптический элемент становится прозрачным. Электрооптический элемент отличается высоким быстродействием и обеспечивает возможность плавного изменения амплитуды и фазы световой волны. Недостатком данного устройства является малая фазовая задержка из-за наклона молекул и низкий контраст между включенным и выключенным состояниями.

По технической сущности наиболее близкими к настоящему изобретению являются электрооптические элементы на обладающих спиральной структурой холестерических жидких кристаллах. Холестерические жидкие кристаллы характеризуются тем, что направление длинных осей параллельно ориентированных молекул в каждом последующем мономолекулярном слое жидкого кристалла составляет некоторый угол с направлением молекул в предыдущем слое, в результате чего образуется макроскопическая спираль. Известны, например, электрооптические элементы [Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2001; US Pat. №3652148, март 1972], электрическое поле в которых приложено перпендикулярно к слою холестерического жидкого кристалла. Под действием электрического поля в них могут быть реализованы переходы между оптически различимыми планарной, рассеивающей свет неупорядоченной и раскрученной гомеотропной надмолекулярными текстурами. Известен электрооптический элемент [US Pat. №3854751 (декабрь 1974)], в котором для управления пространственно-ориентационным распределением молекул в слое холестерического жидкого кристалла используются два поочередно прикладываемые к нему электрических поля. Одно электрическое поле направлено перпендикулярно слою жидкого кристалла, а другое электрическое поле параллельно слою, что достигается применением сплошного электрода на одной подложке и встречно-штыревой структуры электродов на другой из подложек, ограничивающих жидкокристаллический слой. В выключенном состоянии (без какого-либо из электрических полей) слой холестерического жидкого кристалла рассеивает свет. При приложении электрического поля вдоль нормали к слою происходит переключение из рассеивающего состояния в состояние с однородной гомеотропной ориентацией директора, которое является прозрачным. В дальнейшем переключение между ортогональными направлениями электрического поля приводит к быстрому переключению между однородно ориентированными состояниями с планарной и гомеотропной ориентацией директора. При этом в скрещенных поляроидах, ориентированных осями пропускания под углом 45° к волновому вектору встречно-штыревой структуры электродов, реализуются прозрачное и непрозрачное состояния. Так как переход в оба состояния происходит в электрическом поле, то электрооптический элемент данного типа показывает высокое быстродействие. Существенным недостатком является то, что требуются очень высокие управляющие напряжения. Кроме того, данный электрооптический элемент не позволяет плавно управлять величиной пропускания и фазовой задержки проходящего света.

В US Patent 4114990 предлагается устройство оптического элемента для контролируемого электрическим полем вращения плоскости поляризации света. Слой холестерического жидкого кристалла помещается между подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями, обеспечивающими гомеотропную ориентацию на одной подложке и планарную на другой. При шаге спирали больше толщины слоя ориентация молекул холестерического жидкого кристалла плавно меняется от гомеотропной к планарной ориентации с одновременной закруткой директора. Линейно поляризованный свет, проходя сквозь такой слой, испытывает поворот плоскости поляризации. При приложении увеличивающегося по амплитуде электрического поля холестерическая спираль раскручивается и угол поворота плоскости поляризации изменяется. В конечном итоге холестерик приобретает структуру нематика с гомеотропной ориентацией. Данный элемент может быть использован и как модулятор интенсивности света, если он помещен между поляроидами. Однако скорости переключения состояний поляризации и интенсивности света в устройствах данного типа относительно низкие и мало отличаются от таковых для устройств на нематических жидких кристаллах.

Известен также способ управления поляризацией света, основанный на наведении двулучепреломления при флексоэлектрической деформации электрическим полем спирали холестерического жидкого кристалла. Если длина волны света много меньше шага холестерической спирали, то при отсутствии электрического поля оптическая ось и ось холестерической спирали совпадают. Электрооптический эффект проявляется в результате поворота оптической оси при наложении электрического поля без изменения направления оси самой спирали. В отсутствие электрического поля ось спирали может быть ориентирована либо вдоль [J.S.Patel, S.-D.Lee, J. Appl. Phys. v.66, 1879 (1989)], либо перпендикулярно [B.J.Broughton, M.J.Clarke, A.E.Blatch, H.J.Coles, J. Appl. Phys. v.98, 034109 (2005)] плоскости ячейки. В первом случае для управления электрооптическим элементом используются прозрачные однородные электроды на обеих подложках, во втором - электроды в виде расположенных между подложками двух параллельных электродных полос. Для реализации электрооптического устройства требуются специальные холестерические жидкие кристаллы с коротким шагом спирали (0,3-0,7 мкм), большими флексоэлектрическими коэффициентами и нулевой диэлектрической анизотропией. Недостатками электрооптического устройства данного типа являются высокие управляющие напряжения, малая величина индуцированного двулучепреломления и, как следствие, низкий контраст.

Настоящее изобретение направлено на создание жидкокристаллических электро- или магнитооптических элементов, которые обеспечат улучшенные характеристики дисплеев, модуляторов света и других функциональных устройств оптоэлектроники. Особенность изобретения - это возможность существенного уменьшения времен переключения при сохранении высокого контраста и широкого диапазона изменения поляризационных характеристик света в условиях низких управляющих полей. Предлагаемый способ и устройства на его основе позволяют плавно изменять характеристики света на выходе, варьируя амплитуду управляющего электрического поля. Сущность изобретения заключается в том, что применяется слой холестерического жидкого кристалла, а изменение характеристик прошедшей через слой световой волны достигается за счет наведения ангармоничности в спиральном распределении директора с помощью электрического или магнитного поля, направленного перпендикулярно оси спирали. Упомянутые особенности изобретения обусловлены тем, что даже малая степень ангармоничности приводит к сильным изменениям состояния поляризации света, прошедшего через слой с жидким кристаллом. Быстрое время переключения оптических характеристик достигается благодаря тому, что время релаксации директора после выключения поля определяется не толщиной слоя жидкого кристалла, как это имеет место в известных устройствах, а четвертью длины шага холестерической спирали. Так как времена вязкоупругой релаксации определяются квадратом характерной длины, определяемой в данном случае четвертью шага спирали, а шаг спирали может быть значительно меньше толщины слоя жидкого кристалла, то характерные времена релаксации директора существенно сокращаются. Необходимые оптические характеристики достигаются оптимальным выбором как характеристик жидкокристаллического слоя (толщина, граничные условия, параметры жидкого кристалла), так и свойствами внешних элементов (устройством для создания поля, ориентацией поляризационных элементов и др.).

Сущность данного изобретения поясняется на фиг.1-12 и иллюстрируется примерами.

Фиг.1 поясняет способ управления поляризацией света согласно настоящему изобретению по п.1 и показывает пример пространственно-ориентационного распределения поля директора холестерического жидкого кристалла в слое и фурье-образ этого распределения при выключенном электрическом поле.

Фиг.2 поясняет способ управления поляризацией света по п.1 и показывает фурье-образы распределения поля директора при выключенном (Е=0) и включенном (Е=2 В/мкм) электрическом поле, а также зависимость состояния поляризации на единичной сфере Пуанкаре при изменении электрического поля от нуля до Е=2 В/мкм с шагом 0,05 В/мкм.

Фиг.3 поясняет способ управления поляризацией света по п.1 и показывает динамику изменения у-компоненты директора в центре слоя при включении электрического поля различной напряженности, направленного перпендикулярно оси спирали.

Фиг.4 поясняет способ управления поляризацией света по п.1 и показывает динамику изменения у-компоненты директора в центре слоя при выключении электрического поля различной напряженности.

Фиг.5 - способ управления поляризацией света по п.1 и показывает динамику изменения у-компоненты директора в центре слоя и зависимость времен включения и выключения от шага холестерической спирали при включении и выключении электрического поля напряженностью 1 В/мкм.

Фиг.6 показывает основные составляющие конструкции и поясняет принцип работы электрооптического элемента согласно п.2 настоящего изобретения.

Фиг.7 показывает конструкцию конкретной реализации электрооптического элемента согласно п.2 настоящего изобретения.

Фиг.8 показывает осциллограммы оптического отклика электрооптического элемента в зависимости от напряжения.

Фиг.9 показывает зависимость контрастного отношения от напряжения.

Фиг.10а и 10б показывают зависимость спектров пропускания и контрастного отношения от напряжения.

Фиг.11 показывает зависимость электрооптических времен включения и выключения от напряжения.

Фиг.12 показывает спектры контрастного отношения при различных ориентациях осей поляроидов относительно волнового вектора встречно-штыревой электродной структуры.

Сущность способа управления поляризацией светового потока с применением холестерических жидких кристаллов поясняется на Фиг.1-Фиг.5. В слое холестерического жидкого кристалла с граничными условиями, индуцирующими планарную ориентацию, оси молекул испытывают постоянный поворот вокруг направления, перпендикулярного к слою. В результате образуется спираль, описываемая шагом, которому соответствует длина, на которой происходит поворот молекул на угол 2π. Если ось спирали направлена перпендикулярно к слою вдоль оси z прямоугольной системы координат xyz, то пространственно-ориентационное распределение директора определяется гармоническими зависимостями его х- и у-компонент:

где Р - шаг спирали, а φ₀ - угол ориентации директора на одной из границ слоя при z=0.

В качестве примера, иллюстрирующего способ, рассмотрим слой холестерического жидкого кристалла толщиной 8 микрон и шагом спирали Р=1,2 мкм. Пространственное распределение поля директора n_x(z) и n_y(z) имеет вид, показанный на Фиг.1. В фурье-образе F_nx(z^-1) х-компоненты директора можно видеть лишь одну основную гармонику, что соответствует синусоидальному (гармоническому) распределению директора, Фиг.1. Пусть диэлектрическая и магнитная анизотропия жидкого кристалла отличны от нуля. Если в таком слое создать электрическое или магнитное поле перпендикулярно оси спирали с величиной меньше некоторого порога раскрутки спирали, то спираль сохранится, но распределение поля директора будет деформировано. Распределение х- и у-компонент директора более не будет описываться синусоидальным законом и будет содержать дополнительные гармоники:

В соответствующих фурье-спектрах от пространственного распределения директора появятся дополнительные гармоники. В силу синусоидальности начального распределения директора и квадратичного характера взаимодействия с полем это будут, главным образом, нечетные гармоники (m=2k+1, где k - натуральные числа), амплитуды которых характеризуют степень индуцированной ангармоничности. Важным и отражающим суть способа настоящего изобретения является то, что даже малая степень индуцированной ангармоничности спирали может приводить к существенным изменениям состояния поляризации прошедшего через жидкокристаллический слой света. На Фиг.2 показаны фурье-образы пространственного распределения х-компоненты директора при выключенном (Е=0) и включенном (Е=2 В/мкм) электрическом поле, а также на единичной сфере Пуанкаре изображена эволюция состояний поляризации света на выходе слоя при изменении поля от нуля до 2 В/мкм с шагом 0,05 В/мкм. Как видно, в поле 2 В/мкм индуцированная ангармоничность проявляется в виде лишь третьей гармоники. Степень этой ангармоничности, определенная как отношение амплитуд третьей и первой гармоник, составляет около 7%. Однако даже при столь малой степени ангармоничности состояние поляризации на выходе слоя меняется почти на ортогональное.

Отметим, что приведенные данные получены для типичного жидкокристаллического материала, который характеризуется коэффициентом упругой деформации типа кручения К₂=5 пН, диэлектрической анизотропией Δε=15 и оптической анизотропией Δn=0,2. Состояния поляризации света на выходе слоя рассчитаны в результате решения уравнений Максвелла для нормально падающей линейно-поляризованной монохроматической волны на входе слоя (угол направления колебаний вектора электрического поля е с осью х составлял -60°, длина волны λ=550 нм). Варьируя свойства жидкокристаллического материала и параметры слоя (толщину и условия ориентации директора на границах жидкокристаллического слоя), можно получить различные траектории изменения состояния поляризации света на сфере Пуанкаре, удовлетворяющие конкретным реализациям электрооптических приборов. В данном примере, на Фиг.2, можно видеть, что если поле равно нулю, то свет на выходе слоя линейно поляризован (вектор Стокса (S₀, S₁, S₂, S₃)=(1,1,0,0), соответствует направлению колебаний электрического вектора е параллельно оси х и может быть полностью заблокирован с помощью поляроида, ориентированного осью поглощения вдоль направления х. По мере увеличения поля компонента, поляризованная вдоль направления у, плавно увеличивается. В поле 2 В/мкм точка, отражающая состояние поляризации, перемещается на противоположную сторону сферы Пуанкаре, где (S₀, S₁, S₂, S₃)=(1, -0,9, 0,16, 0,4), что соответствует почти ортогональному состоянию поляризации по отношению к первоначальному в отсутствие поля. Таким образом, с увеличением поля на выходе упомянутого поляроида интенсивность света тоже будет плавно увеличиваться, достигая максимума в поле примерно 2 В/мкм.

Особенностью данного способа управления является возможность получения коротких времен переключения состояний директора и, следовательно, времен изменения состояния поляризации света. Временные характеристики иллюстрируются на Фиг.3-5. На Фиг.3 и Фиг.4 показаны соответственно динамика изменения у-компоненты директора в центре слоя (z=4 мкм) при включении электрического поля в момент времени t≅2 мс и выключении в момент t≅4 мс. Как и выше, в данном случае шаг спирали равен 1,2 мкм, К₂=5 пН, а вращательная вязкость жидкого кристалла - γ=0,1 Па·с. Время включения τ_Оn, определяемое интервалом от момента включения поля до достижения директором уровня 0,9 от величины его максимального изменения, практически постоянно при напряженностях поля менее 1 В/мкм и составляет величину около 400 мкс. Однако при больших полях время включения уменьшается. В поле 2 В/мкм характерное время включения составляет около 320 мкс. Время релаксации τ_Off (при выключении поля, Фиг.4) слабо зависит от степени деформации директора и в данном случае составляет величину около 400 мкс. Следует отметить, что данное время релаксации более чем на порядок меньше характерных времен, наблюдаемых в известных устройствах на нематических жидких кристаллах. Причина такого значительного увеличения быстродействия в том, что в данном случае время релаксации определяется не толщиной жидкокристаллического слоя, а четвертью от длины шага спирали, которая существенно меньше толщины слоя. На Фиг.5 показана динамика изменения состояния ориентации директора в центре слоя, а также времена включения τ_Оn и выключения τ_Оff в зависимости от шага спирали при включении и выключении поля напряженностью 1 В/мкм. Можно видеть, что зависимость времен включения и выключения от шага спирали близка к квадратичной. Для шага спирали 0.6 мкм времена включения и выключения практически совпадают и составляют около 100 микросекунд.

Вместо электрического поля для наведения ангармоничности спирали с тем же успехом можно использовать магнитное поле, так как наряду с анизотропией диэлектрической проницаемости жидкие кристаллы характеризуются и анизотропией магнитной проницаемости Δµ. Напряженность магнитного поля, которая приведет к степени ангармоничности, эквивалентной той, которая достигается в электрическом поле Е, определяется следующим выражением:

Устройство и принцип работы электрооптического элемента по п.2 формулы изобретения для модуляции интенсивности светового потока демонстрирует Фиг.6. Электрооптический элемент содержит слой с холестерическим жидким кристаллом 1, элементы для формирования слоя с жидким кристаллом 2-4, устройство для создания электрического поля 5, подложки 6, 7, а также элементы устройства 8 и 9 для изменения состояния поляризации. Слой с холестерическим жидким кристаллом может быть выполнен как в виде твердой пленки (например, в виде полимерной пленки с введенным (капсулированным) жидким кристаллом), так и в виде жидкого слоя, заполняющего зазор между подложками. В последнем случае элементами для формирования слоя являются прокладки 2, обеспечивающие калиброванную величину зазора между подложками, а также дополнительные пленки 3 и 4, обеспечивающие требуемую ориентацию директора на границах слоя и оси холестерической спирали в жидкокристаллическом слое. Устройство 5 для создания электрического поля, представляющее собой электроды или, при необходимости, другие микроэлектронные элементы для генерации напряжения U, может быть сформировано, по меньшей мере, на поверхности одной из подложек. При этом, в случае необходимости, одна из тонких ориентирующих пленок 3 наносится непосредственно на поверхность подложки с электродами. В простейшем случае устройствами для изменения состояния поляризации света являются пленочные поляроиды, выполняющие функции поляризатора 8 и анализатора 9. Принцип работы элемента рассмотрим на примере неполяризованного светового пучка, падающего со стороны поляризатора 8. На выходе поляризатора 8 свет является линейно-поляризованным вдоль направления, определяемого углом φ₁ ориентации оси пропускания 10 поляризатора 8. После дальнейшего прохождения светом слоя с холестерическим жидким кристаллом состояние поляризации света меняется и в общем случае при произвольной ориентации оси поляроида является эллиптическим. Однако при определенных параметрах жидкокристаллического слоя и угле φ₁ можно обеспечить условия, когда свет заданного спектрального состава на выходе слоя останется линейно-поляризованным, и таким образом может быть полностью заблокирован при соответствующей ориентации под некоторым углом φ₂ оси пропускания анализатора 11 (направление колебаний электрического вектора световой волны на входе анализатора происходит под углом φ₂+90°). В этом случае имеет место "темное" состояние электрооптического элемента. При приложении поля к жидкокристаллическому слою в спиральном распределении директора будет индуцироваться ангармоничность, состояние поляризации света будет меняться, и он начнет проходить через анализатор, обеспечивая уровень яркости, регулируемый электрическим полем.

Оптические характеристики электрооптического элемента зависят как от параметров слоя с холестерическим жидким кристаллом, так и от конструктивных особенностей остальных составляющих всего элемента. Холестерический жидкий кристалл может представлять собой отдельное холестерическое вещество или являться смесью различных холестерических веществ. Холестерические жидкие кристаллы образуются благодаря хиральности молекул (отсутствует плоскость зеркальной симметрии). Спиральная холестерическая структура может быть индуцирована также в нематическом жидком кристалле, легируя его оптически активными добавками, которые могут быть как жидкокристаллическими, так и изотропными веществами. В свою очередь, нематический жидкий кристалл также может быть смесью веществ, по меньшей мере, одно из которых образует нематическую фазу. Смесевые холестерические жидкокристаллические материалы на основе нематиков обладают значительными преимуществами по сравнению с однокомпонентными холестерическими жидкими кристаллами или их смесями. Подбирая нематические жидкие кристаллы как основу, удается в широких пределах управлять физико-химическими параметрами холестерического жидкого кристалла: коэффициентами упругости, вязкостью, оптическими и диэлектрическими константами, температурами фазовых переходов, стабильностью относительно внешних воздействий и т.д. С другой стороны, выбирая оптически активную легирующую добавку и ее концентрацию, можно плавно и в широком диапазоне изменять величину шага холестерической спирали. Холестерический жидкий кристалл может быть легирован красителями как с положительным, так и с отрицательным дихроизмом, что позволяет дополнительно управлять оптическими свойствами электрооптического элемента.

В предлагаемом способе управления поляризацией света и электрооптических элементах на его основе важно исключить раскрутку холестерической спирали, сопровождающуюся изменением количества полувитков спирали на толщине слоя. Это обеспечивается конструктивными особенностями устройства создания электрического поля и диапазоном изменения напряженности электрического поля. Переключение между оптически различимыми состояниями осуществляется импульсами или импульсными пакетами электрического напряжения, приложенного к электродам. Электроды должны быть выполнены так, чтобы обеспечить максимально возможную компоненту электрического поля перпендикулярно оси холестерической спирали. Например, в случае, когда ось холестерической спирали перпендикулярна слою с жидким кристаллом, для генерации электрического поля можно использовать встречно-штыревую систему электродов, которая создается на одной из внутренних поверхностей подложек. Направление ориентации директора на подложках как с электродами, так и без электродов, формируется либо обработкой поверхности подложек (например, используя механическое натирание или химическое травление), либо нанесением на них тонких ориентирующих пленок 3, 4. В последнем случае могут быть использованы пленки из полимерных или других диэлектрических материалов, нанесенные на поверхность и, при необходимости, натертые в выбранных направлениях или обработанные другими методами (травление, фотоориентация и др.) для создания легких осей ориентирования.

Пример

Пример устройства электрооптического элемента по п.2 показан на Фиг.7. Слой холестерического жидкого кристалла 1 помещен между двумя стеклянными подложками 6 и 7. На поверхность подложки 6, обращенную к слою жидкого кристалла, нанесены непрозрачные встречно-штыревые электроды 5 из хрома (Сr). Электроды включают 96 полос длиной 5 мм. Расстояние между двумя ближайшими электродными полосами и ширина полос составляют 20 мкм. Толщина слоя холестерического жидкого кристалла, равная 7,9 мкм, задавалась тефлоновыми прокладками 2. В качестве ориентирующих пленок 3 и 4 использовались натертые слои полиимида, полученные термической имидизацией полипиромеллитамидовой кислоты АД-91-03 (НПО "ПЛАСТИК", Россия). Направления натирания полиимидных пленок, определяющие легкие оси ориентирования молекул жидкого кристалла на обеих подложках, параллельны и противоположны. Легкие оси ориентирования на пленках 3 и 4 составляют с волновым вектором электродной решетки 12 углы 45°. Углы наклона легких осей ориентирования по отношению к поверхности пленок имеют одинаковый знак и составляют 3°. При данных условиях получается слой холестерического жидкого кристалла с осью спирали, направленной перпендикулярно подложкам.

В составе электрооптического элемента использован нематический жидкий кристалл ЖКМ-1277, легированный оптически активным (хиральным) соединением ХДН-1 (оба производства ГНЦ НИОПИК, Россия). ХДН-1 индуцирует левостороннюю холестерическую спираль. Концентрация легирующей примеси составляла 4 вес.%, а индуцированный естественный шаг спирали был равен 1,2 мкм. ЖКМ-1277 имеет следующие физические параметры: диэлектрическая анизотропия Δε=12,1 (на частоте электрического поля 1 кГц), оптическая анизотропия Δn=0,19 (на длине волны света λ=589 нм), коэффициенты упругости K₁≅9,9 пН и К₃=12,9 пН, вязкость η=42 мм²с^-1, вращательная вязкость γ≅0,2 Па·с (все параметры даны для температуры Т=25°С).

На Фиг.8 приведены осциллограммы оптического отклика электрооптического элемента данной конструкции в зависимости от амплитуды импульсов напряжения частотой 1 кГц, заполняющих пакеты длительностью и интервалом следования 20 мс. В качестве источника света использован He-Ne лазер с длиной волны излучения 633 нм. Свет распространялся вдоль нормали к слою жидкого кристалла и соответственно вдоль оси холестерической спирали. Кривые соответствуют напряжениям 0, 11, 16, 20, 24 и 30В. Измерения проведены при температуре 23°С. При совмещении волнового вектора решетки встречно-штыревых электродов 12 с направлением оси х максимальный контраст на длине волны 633 нм, определенный как отношение интенсивности света в электрическом поле и без поля на выходе поляроида 9, достигается при углах φ₁=39° и φ₂=-10°.

Фиг.9 показывает зависимость контраста от амплитуды напряжения U. Максимальный контраст 140:1 достигается при напряжении 20 В. Данное напряжение является предельным, до которого шаг спирали не меняется и ангармоничная структура при выключении напряжения возвращается в исходную равновесную структуру. Выше этой величины напряжения наблюдается частичная (в отдельных областях ячейки) скачкообразная раскрутка холестерической спирали, следствием чего является понижение контраста. Раскрутка происходит с образованием линий дисклинаций. Соответственно, после выключения поля, раскрученная структура через дисклинации медленно релаксирует к равновесной структуре с исходным шагом холестерической спирали.

На Фиг.10а показаны спектры пропускания электрооптического элемента при напряжениях на нем 0, 7, 9, 11, 14 и 16 В. В длинноволновой области от 600 до 640 нм при отсутствии напряжения пропускание света близко к нулю. При подаче напряжения пропускание электрооптического элемента увеличивается практически во всей видимой области спектра. Однако максимальный контраст достигается примерно на длине волны 630 нм. Спектральная зависимость контраста при разных напряжениях показана на Фиг.10б.

Фиг.11 демонстрирует экспериментально измеренные зависимости времен включения τ_On и выключения τ_Off оптического отклика от величины напряжения. Время включения определялось от момента включения напряжения до достижения уровня 0.9 от максимальной величины сигнала оптического пропускания. Время выключения определялось от момента выключения напряжения до достижения 0.1 от максимальной величины сигнала оптического пропускания. В диапазоне управляющих напряжений, не вызывающих раскрутки спирали (U≈24 B), сумма времен включения и выключения примерно равна 2,7 мс (τ_Оn=1,8 мс, τ_Off=0,9 мс). Выше ~24 В с ростом напряжения время включения уменьшается, а время выключения увеличивается. Время отклика может быть еще больше сокращено при уменьшении шага спирали и понижении вязкости жидкого кристалла. Так, при шаге спирали 0.6 µm и вращательной вязкости жидкого кристалла 0,1 Па·с времена включения и выключения будут примерно равны 100 мкс, Фиг.5.

Электрооптический элемент может быть использован как модулятор света на любой длине волны. Варьировать спектральную характеристику пропускания можно изменением взаимной ориентации поляроидов (углы φ₁ и φ₂). Это демонстрируется на Фиг.12, на которой показаны спектры контрастного отношения для описанного в данном примере электрооптического элемента при различных углах φ₁ и φ₂, выбранных так, чтобы получить максимум на длинах волн, близких к 450 нм, 550 нм и 650 нм.

Изобретение относится к электро- и магнитооптическим устройствам. Сущность изобретения заключается в том, что применяется слой холестерического жидкого кристалла, а изменение характеристик прошедшей через него световой волны достигается за счет наведения ангармоничности в спиральном распределении директора с помощью электрического или магнитного поля, направленного перпендикулярно оси спирали. Технический результат - изобретение позволяет реализовать малые времена переключения поляризационных характеристик света при высоком контрасте и широком диапазоне их изменения в условиях низких управляющих полей. 3 н. и 37 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ управления поляризацией света, основанный на деформации поля директора холестерического жидкого кристалла, отличающийся тем, что в холестерическом жидком кристалле с помощью электрического или магнитного поля, имеющего компоненту, перпендикулярную оси спирали, наводят ангармоничность в спиральном распределении директора.

2. Быстродействующий оптический элемент, управляемый электрическим полем и содержащий:
а) по меньшей мере, один слой, включающий холестерический жидкий кристалл;
б) элементы для формирования слоя с холестерическим жидким кристаллом;
в) устройства для создания электрического поля в холестерическом жидком кристалле;
г) устройства для изменения состояния поляризации света,
и отличающийся тем, что устройства для создания электрического поля и свойства слоя с холестерическим жидким кристаллом обеспечивают управляемую величину ангармоничности холестерической спирали.

3. Быстродействующий оптический элемент, управляемый магнитным полем и содержащий:
а) по меньшей мере, один слой, включающий холестерический жидкий кристалл;
б) элементы для формирования слоя с холестерическим жидким кристаллом;
в) устройства для создания магнитного поля в холестерическом жидком кристалле;
г) устройства для изменения состояния поляризации света, и отличающийся тем, что устройства для создания магнитного поля и свойства слоя с холестерическим жидким кристаллом обеспечивают управляемую величину ангармоничности холестерической спирали.

4. Элемент по п.2, отличающийся тем, что слой с жидким кристаллом выполнен в виде пленки холестерического жидкого кристалла, расположенной между двумя плоскопараллельными твердыми подложками, внутренние поверхности которых модифицированы для ориентации молекул жидкого кристалла.

5. Элемент по п.2, отличающийся тем, что слой с жидким кристаллом выполнен в виде пленки холестерического жидкого кристалла, расположенной между двумя подложками, внутренние поверхности которых модифицированы для ориентации молекул жидкого кристалла, и, по меньшей мере, одна из подложек гибкая.

6. Элемент по п.2, отличающийся тем, что слой с жидким кристаллом выполнен в виде пленки полимерно-диспергированного холестерического жидкого кристалла.

7. Элемент по п.2, отличающийся тем, что в качестве холестерического жидкого кристалла используется холестерическое вещество или многокомпонентная смесь из холестерических веществ.

8. Элемент по п.2, отличающийся тем, что в качестве холестерического жидкого кристалла используется нематический жидкий кристалл или смесь нематических жидких кристаллов, легированных одним или несколькими оптически активными веществами, индуцирующими спиральное распределение поля директора жидкого кристалла.

9. Элемент по п.2, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с положительной диэлектрической анизотропией.

10. Элемент по п.2, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с отрицательной диэлектрической анизотропией.

11. Элемент по п.2, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с инверсией знака диэлектрической анизотропии.

12. Элемент по п.2, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с компенсированной температурной зависимостью шага спирали.

13. Элемент по п.2, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл, легированный, по меньшей мере, одним дихроичным или оптически изотропным красителем.

14. Элемент по п.2, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл, легированный, по меньшей мере, одним люминесцентным дихроичным или люминесцентным оптически изотропным красителем.

15. Элемент по п.2, отличающийся тем, что устройство для создания электрического поля выполнено в виде одного или нескольких электродов, расположенных на внутренней поверхности, по меньшей мере, одной из подложек, ограничивающих слой с жидким кристаллом.

16. Элемент по п.2, отличающийся тем, что в устройстве для создания электрического поля используются активные микроэлектронные устройства, изготовленные, по меньшей мере, на одной из подложек, ограничивающих жидкокристаллический слой.

17. Элемент по п.2, отличающийся тем, что в устройстве изменения состояния поляризации используется, по меньшей мере, один поляроид.

18. Элемент по п.2, отличающийся тем, что в устройстве изменения состояния поляризации используется, по меньшей мере, одна фазовая пластинка.

19. Элемент по п.2, отличающийся тем, что с одной из сторон от слоя с холестерическим жидким кристаллом дополнительно расположен отражающий слой.

20. Элемент по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, с одной из сторон слоя с холестерическим жидким кристаллом дополнительно расположен, по крайней мере, один светофильтр.

21. Элемент по п.2, отличающийся тем, что ось холестерической спирали ориентирована вдоль нормали к поверхности слоя.

22. Элемент по п.2, отличающийся тем, что ось холестерической спирали ориентирована перпендикулярно нормали к поверхности.

23. Элемент по п.2, отличающийся тем, что отношение толщины слоя с жидким кристаллом к шагу спирали холестерического жидкого кристалла составляет более 1/2.

24. Элемент по п.3, отличающийся тем, что слой с жидким кристаллом выполнен в виде пленки холестерического жидкого кристалла, расположенной между двумя плоскопараллельными твердыми подложками, внутренние поверхности которых модифицированы для ориентации молекул жидкого кристалла.

25. Элемент по п.3, отличающийся тем, что слой с жидким кристаллом выполнен в виде пленки холестерического жидкого кристалла, расположенной между двумя подложками, внутренние поверхности которых модифицированы для ориентации молекул жидкого кристалла, и, по меньшей мере, одна из подложек гибкая.

26. Элемент по п.3, отличающийся тем, что слой с жидким кристаллом выполнен в виде пленки полимерно-диспергированного холестерического жидкого кристалла.

27. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве холестерического жидкого кристалла используется холестерическое вещество или многокомпонентная смесь из холестерических веществ.

28. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в качестве холестерического жидкого кристалла используется нематический жидкий кристалл или смесь нематических жидких кристаллов, легированных одним или несколькими оптически активными веществами, индуцирующими спиральное распределение поля директора жидкого кристалла.

29. Элемент по п.3, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с положительной магнитной анизотропией.

30. Элемент по п.3, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с отрицательной магнитной анизотропией.

31. Элемент по п.3, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл с компенсированной температурной зависимостью шага спирали.

32. Элемент по п.3, отличающийся тем, что используется холестерический жидкий кристалл, легированный, по меньшей мере, одним дихроичным или оптически изотропным красителем.

33. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в устройстве для создания магнитного поля используются активные микроэлектронные устройства, изготовленные, по меньшей мере, на одной из подложек, ограничивающих жидкокристаллический слой.

34. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в устройстве изменения состояния поляризации используется, по меньшей мере, один поляроид.

35. Элемент по п.3, отличающийся тем, что в устройстве изменения состояния поляризации используется, по меньшей мере, одна фазовая пластинка.

36. Элемент по п.3, отличающийся тем, что с одной стороны слоя холестерического жидкого кристалла дополнительно расположен отражающий слой.

37. Элемент по п.3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, с одной из сторон от слоя с холестерическим жидким кристаллом дополнительно расположен, по крайней мере, один светофильтр.

38. Элемент по п.3, отличающийся тем, что ось холестерической спирали ориентирована вдоль нормали к поверхности слоя.

39. Элемент по п.3, отличающийся тем, что ось холестерической спирали ориентирована перпендикулярно нормали к поверхности.

40. Элемент по п.3, отличающийся тем, что отношение толщины слоя с жидким кристаллом к шагу спирали холестерического жидкого кристалла составляет более 1/2.