Жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света Российский патент 2024 года по МПК G02F1/1347 

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам, основанным на жидких кристаллах (ЖК) и предназначенных для управления параметрами поляризации проходящего света с использованием электрического поля и оптического излучения.

Состояние поляризации света характеризуется азимутом ψ и углом эллиптичности ξ [Sutormin V.S., Krakhalev M.N., Timofeev I.V., Bikbaev R.G., Prishchepa O.O., Zyryanov V. Ya. Cholesteric layers with tangential-conical surface anchoring for an electrically controlled polarization rotator // Optical Materials Express. 2021. V. 11, No. 5. P. 1527-1536]. В общем случае можно говорить об эллиптической поляризации света (фиг. 1). Азимутом поляризации называют угол ψ между большой полуосью эллипса и координатной осью Х (фиг. 1). Для ряда технических устройств с использованием поляризованного света желательно иметь возможность плавно изменять значение азимута поляризации ψ на 180°. Эллиптичностью поляризации называют угол ξ, тангенсом которого является отношение малой полуоси b эллипса к большой полуоси a эллипса. Если ξ=0, то эллипс превращается в линию (электрический вектор световой волны колеблется вдоль одной линии), в этом случае говорят, что свет линейно поляризован. Если ξ=+45° или -45°, то эллипс превращается в круг, в этом случае говорят, что свет циркулярно поляризован. Для технических устройств желательно иметь возможность плавно изменять угол эллиптичности поляризации ξ в диапазоне от -45° до +45°.

Известно жидкокристаллическое устройство для обеспечения плавного поворота линейной поляризации монохроматического света [Патент US № 4579422, МПК G02F 1/13718, опубл. 01.04.1986], содержащее две стеклянные подложки с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического ЖК (холестерика) с положительной диэлектрической анизотропией. Прозрачные электроды были обработаны таким образом, чтобы задавать тангенциальное (планарное) поверхностное сцепление для холестерика на обеих подложках (палочкообразные молекулы ЖК при этом ориентируются параллельно поверхности подложки). В исходном состоянии направление линейной поляризации нормально падающего монохроматического света после прохождения ЖК устройства поворачивается на определенный угол β₀ вследствие того, что холестерик имеет геликоидальное упорядочение директора (преимущественного направления ориентации палочкообразных молекул ЖК). Приложение электрического поля различной величины перпендикулярно слою ЖК приводит к плавному изменению угла поворота направления линейной поляризации света β. Так, в диапазоне приложенных напряжений от 3 до 6 В было получено плавное изменение угла поворота направления линейной поляризации монохроматического света β-β₀ от 0° до 45.

Недостатками известного устройства являются достаточно большое управляющее напряжение и малый диапазон изменения угла поворота линейной поляризации (т.е. азимута поляризации) света.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света [Патент РФ № 2770167, МПК G02F 1/137, опубл. 14.04.2022], состоящий из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического жидкого кристалла, при этом электрод на входной подложке обработан так, чтобы обеспечить тангенциальное поверхностное сцепление для используемого холестерика, а электрод на выходной подложке обработан таким образом, что для используемого холестерика обеспечивается коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали, в результате чего в слое холестерика образуется закрученная конфигурация директора с тангенциально-коническим поверхностным сцеплением. Если длина волны света λ удовлетворяет условию λ<<pΔn (p - шаг холестерической спирали, т.е. расстояние, на котором директор поворачивается на угол 2π, Δn - оптическая анизотропия ЖК), то нормально падающий свет с линейной поляризацией, параллельной (или перпендикулярной) директору ЖК на входной подложке с тангенциальным сцеплением при прохождении слоя ЖК будет поворачиваться на угол ψ₀, определяемым соотношением d/p, где p - шаг спирали холестерика. При приложении электрического поля перпендикулярно к слою ЖК меняется азимутальный угол директора на поверхности с коническим сцеплением, что приводит к изменению азимута поляризации света ψ-ψ₀ от 0° до 76° в зависимости от величины приложенного электрического поля в диапазоне от 0,30 В до 1,43 В.

Недостатком вышеописанного вращателя поляризации является малый диапазон изменения азимута поляризации ψ света, а также невозможность одновременного управления азимутом ψ и углом эллиптичности ξ света.

Техническим результатом изобретения является увеличение диапазона непрерывного и обратимого изменения азимута поляризации ахроматического света, возможность одновременного управления азимутом ψ и углом эллиптичности ξ света для любой длины волны видимого спектрального диапазона.

Указанный технический результат достигается тем, что для управления параметрами поляризации света в жидкокристаллическом элементе, состоящем из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми помещен холестерик, а поверхности электродов обработаны так, чтобы сформировать тангенциальное сцепление директора (азимутально невырожденное) на одной подложке и коническое сцепление (азимутально вырожденное) на второй подложке, новым является то, что в холестерик введена фоточувствительная хиральная добавка, а перед входной подложкой установлены два светодиода, излучение которых способно изменить закручивающую силу фоточувствительной добавки. В данном случае коническое поверхностное сцепление означает, что директор ЖК на границе раздела составляет определенный полярный угол с нормалью к поверхности, не изменяющийся при воздействии электрического поля используемой величины. В то же время азимутальная ориентация директора вырождена, то есть, директор может свободно поворачиваться вокруг нормали к поверхности так, что любые его положения практически равнозначны по величине энергии поверхностного сцепления. Полярный угол можно варьировать в интервале от 40° до 90° к нормали, применяя на этапе изготовления устройств полимерные пленки разного состава, используемые в качестве ориентирующего покрытия.

Отличия заявляемого жидкокристаллического элемента для управления параметрами поляризации света от прототипа заключаются в том, что в холестерик введена фоточувствительная хиральная добавка, а перед входной подложкой установлены два светодиода, излучение которых способно изменить закручивающую силу фоточувствительной добавки, в результате этого при воздействии излучения светодиодов совместно с электрическим полем можно плавно изменять азимут поляризации ψ от 0° до 180° и угол эллиптичности поляризации ξ от -5° до +45° для любой длины волны видимого диапазона излучений.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан поляризационный эллипс в декартовой системе координат. На фиг. 2 схематически изображено поперечное сечение заявляемого жидкокристаллического элемента для управления параметрами поляризации света.

Заявляемый жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света содержит две подложки, каждая из которых представляет собой стеклянную пластину 1 с прозрачным электродом 2 на внутренней стороне. Электроды разных подложек покрыты различными полимерными пленками 3 и 4, предназначенными для задания определенной ориентации ЖК. Подложка, образованная стеклянной пластиной 1, прозрачным электродом 2 и полимерной пленкой 3, является входной подложкой. Подложка, образованная стеклянной пластиной 1, прозрачным электродом 2 и полимерной пленкой 4, является выходной подложкой. Между подложками располагается слой холестерического жидкого кристалла 5 с фоточувствительной добавкой 6, толщина слоя задается спейсерами 7. Перед стеклянной пластиной 1 установлен светодиод 8 (M430LS, ThorLabs) с синим излучением (λ=430 нм) и светодиод 9 (M365LS, ThorLabs) с ультрафиолетовым (УФ) излучением (λ=365 нм). На пластину 1 падает нормально линейно-поляризованный свет (обозначен стрелкой 10 на фиг. 2), поляризация которого может быть ориентирована различным образом относительно ориентации директора ЖК на поверхности пленки 3. В качестве полимерной пленки 3 используется поливиниловый спирт (ПВС) [Sigma Aldrich]. ПВС пленка однонаправленно механически натирается, что обеспечивает однородную ориентацию директора ЖК на поверхности полимерной пленки 3 в направлении натирки параллельно плоскости подложки, т.е. тангенциальное поверхностное сцепление. Полимерная пленка 4, задающая коническое поверхностное сцепление, формируется с использованием либо политретбутилметакрилата (ПтБМа) (Sigma Aldrich), либо полиизобутилметакрилата (ПиБМа) (Sigma Aldrich) без механической натирки. В качестве холестерического ЖК 5 использован нематик ЛН-396 с положительной диэлектрической анизотропией [Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Sutormin V.S., Zyryanov V.Ya. Director configurations in nematic droplets with tilted surface anchoring // Liq. Cryst. - 2017. - Vol. 47, No. 2. - P. 355-363], допированный хиральными соединениями S811 (TCI) или S5011 (Maclin). В полученном холестерике растворялась фоточувствительная хиральная добавка 6 cChD (ИХНМ НАН Беларуси).

Заявляемый жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света функционирует следующим образом. Азимут поляризации линейно поляризованного света, проходящего через ЖК слой, изменяется в соответствии с закрученной структурой директора холестерика, заключенного между двумя подложками. Закручивающая сила используемой фоточувствительной добавки зависит от баланса синего и УФ-излучения светодиодов 8 и 9, соответственно. За счет изменения баланса интенсивностей излучения используемых светодиодов можно уменьшать или увеличивать шаг спирали холестерика, что позволяет плавно и обратимо изменять азимутальную ориентацию директора на полимерной пленке 4 с коническим сцеплением. Возможно функционирование ЖК элемента в двух режимах в зависимости от ориентации поляризации падающего линейно поляризованного света 10 по отношению к директору ЖК на полимерной пленке 3: (а) когда свет поляризован параллельно или перпендикулярно директору; (б) когда свет поляризован под углом 45° к директору. В нашем случае длина волны падающего света λ удовлетворяет условию λ<<pΔn. Это означает, что азимут поляризации света, проходящего через слой ЖК, поворачивается вместе с поворотом директора. Вторым управляющим фактором является напряжение U, приложенное к электродам 2, которое изменяет полярный угол ориентации директора в слое ЖК и, следовательно, эффективное значение анизотропии показателя преломления холестерика, что, в свою очередь, влияет на азимут и эллиптичность поляризации света. Таким образом, сочетание воздействия излучения светодиодов и электрического поля позволяет плавно изменять параметры поляризации проходящего света.

Примеры осуществления изобретения

В качестве 1-го примера был изготовлен жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света с применением следующих операций:

1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена полимерная пленка ПВС методом центрифугирования.

2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.

3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки методом центрифугирования была нанесена пленка ПтБМА, которая формирует коническое поверхностное сцепление с полярным углом 90° к нормали.

4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 2, в которой величина зазора для ЖК составляла 20,8 мкм.

5. Ячейка заполнялась изготовленной холестерической смесью. Концентрация по весу нематика ЛН-396, хиральной добавки S811 и фоточувствительной хиральной добавки cChD составляла 89,3%, 8,4% и 2,3%, соответственно. В результате формировался жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света, схематическое изображение которого показано на фиг. 2.

В качестве источника линейно поляризованного света в видимой области во всех трех примерах использовалась ксеноновая лампа с серыми фильтрами для исключения влияния белого света на фоточувствительный холестерик. В данном примере директор ЖК на входной подложке был ориентирован перпендикулярно к направлению поляризации падающего света. Если плотность мощности синего излучения от светодиода 8 составляла 6,53⋅10^-6 Вт/мм² и оставалась неизменной, а плотность мощности ультрафиолетового излучения от светодиода 9 варьировалась от 5,66⋅10^-6 Вт/мм² до 4,79⋅10^-5 Вт/мм², то азимут поляризации ψ проходящего через ЖК элемент излучения изменялся от 0° до -180°, т.е. на величину 180°. Угол эллиптичности поляризации ξ при этом не изменялся, так как электрическое поле в данном примере не прикладывалось.

В качестве 2-го примера был изготовлен жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света с применением следующих операций:

1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена полимерная пленка ПВС методом центрифугирования.

2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.

3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки методом центрифугирования была нанесена пленка ПиБМА, которая формирует коническое поверхностное сцепление с полярным углом 42,3° к нормали.

4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 2, в которой величина зазора для ЖК составляла 20,9 мкм.

5. Ячейка заполнялась изготовленной холестерической смесью. Концентрация по весу нематика ЛН-396, хиральной добавки S5011 и фоточувствительной хиральной добавки cChD составляла 98,35%, 0,45% и 1,20%, соответственно. В результате формировался жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света, схематическое изображение которого показано на фиг. 2.

В данном примере директор ЖК на входной подложке был ориентирован параллельно или перпендикулярно к направлению поляризации падающего света. Азимут поляризации ψ проходящего света изменялся от 0° до -45° при изменении плотности мощности излучения светодиодов 8 и 9 от 7,30⋅10^-6 Вт/мм² и 5,48⋅10^-6 Вт/мм² до 6,35⋅10^-6 Вт/мм² и 7,67⋅10^-6 Вт/мм², соответственно. После этого азимут поляризации ψ изменялся от -45° до -180° при изменении плотности мощности излучения светодиода 9 от 7,67⋅10^-6 Вт/мм² до 2,19⋅10^-5 Вт/мм² при неизменной плотности мощности светодиода 8 равной 6,35⋅10^-6 Вт/мм². Таким образом, суммарное изменение величины азимута поляризации составляло 180°. Угол эллиптичности поляризации ξ при этом не изменялся, так как электрическое поле в данном примере не прикладывалось.

В качестве 3-го примера был изготовлен жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света с применением следующих операций:

1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена полимерная пленка ПВС методом центрифугирования.

2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.

3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки методом центрифугирования была нанесена пленка ПиБМА, которая формирует коническое поверхностное сцепление с полярным углом 42,3° к нормали.

4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 2, в которой величина зазора для ЖК составляла 20,9 мкм.

5. Ячейка заполнялась изготовленной холестерической смесью. Концентрация по весу нематика ЛН-396, хиральной добавки S5011 и фоточувствительной хиральной добавки cChD составляла 98,35%, 0,45% и 1,20%, соответственно. В результате формировался жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света, схематическое изображение которого показано на фиг. 2.

В данном примере директор ЖК на входной подложке был ориентирован под углом 45° к направлению поляризации падающего света. Азимут поляризации ψ проходящего света на длине волны λ=662 нм изменялся от +90° до -90° при изменении плотности мощности излучения светодиодов 8 и 9 от 7,30⋅10^-6 Вт/мм² и 5,48⋅10^-6 Вт/мм² до 6,35⋅10^-6 Вт/мм² и 7,67⋅10^-6 Вт/мм², соответственно. При этом суммарное изменение величины азимута поляризации составляло 180°. Кроме того, при увеличении приложенного напряжения от 0 до 0,48 В достигнуто изменение угла эллиптичности поляризации ξ от -45°до +45°.

Исследования полученных экспериментальных образцов показали, что заявляемый жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света по совокупности физико-технических характеристик не уступает прототипу. В то же время были получены более высокие значения изменения азимута поляризации света. Так, для устройств, описанных во всех трех примерах, азимут поляризации ψ изменялся на величину 180° за счет изменения плотности мощности излучения используемых светодиодов. Кроме того, при плавном изменении напряжения в диапазоне от 0 до 0,90 В (максимум управляющего напряжения зависит от длины волны света) угол эллиптичности поляризации ξ может плавно изменяться от -45°до +45°, что было невозможно при использовании прототипа.

Предлагаемый жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света может использоваться в различных приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, простой в изготовлении и с низковольтным управлением элемент, который позволяет плавно и обратимо перестраивать азимут и эллиптичность поляризации проходящего света.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, к устройствам на жидких кристаллах, предназначенных для управления параметрами поляризации проходящего света с использованием электрического поля и оптического излучения. Жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света состоит из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического жидкого кристалла, при этом электрод на входной подложке обработан так, чтобы обеспечить тангенциальное поверхностное сцепление для используемого холестерика, а электрод на выходной подложке обработан таким образом, что для используемого холестерика обеспечивается коническое поверхностное сцепление, новым является то, что в холестерик введена фоточувствительная хиральная добавка, а перед входной подложкой установлены два светодиода, излучение которых способно изменить закручивающую силу фоточувствительной добавки. Технический результат - увеличение диапазона непрерывного и обратимого изменения азимута поляризации ахроматического света, возможность одновременного управления азимутом ψ и углом эллиптичности ξ света для любой длины волны видимого спектрального диапазона. 2 ил.

Жидкокристаллический элемент для управления параметрами поляризации света, состоящий из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического жидкого кристалла, при этом электрод на входной подложке обработан так, чтобы обеспечить тангенциальное поверхностное сцепление для используемого холестерика, а электрод на выходной подложке обработан таким образом, что для используемого холестерика обеспечивается коническое поверхностное сцепление, отличающийся тем, что в холестерик введена фоточувствительная хиральная добавка, а перед входной подложкой установлены два светодиода, излучение которых способно изменить закручивающую силу фоточувствительной добавки.