Модулятор оптического излучения Советский патент 1993 года по МПК G02F1/135 

Изобретение относится к оптоэлектро- нике и может быть использовано для создания информационных дисплеев.

Целью изобретения является увеличение глубины модуляции.

Фиг.1 поясняет общий вид устройства и геометрию направления распространения света, направления электрического поля и ориентации молекул жидкого кристалла; на фиг.2 - конструкция модулятора с электродами на одной из подложек: на фиг.З - конструкция, в которой один из электродов выполнен из фотопроводящего материала.

Цифрами и буквами на чертеже и далее в тексте обозначены:

1,2 - прозрачные подложки; 3,4 - ориентирующие покрытия; 5 - смектический жидкий кристалл; 6, 7,6, 7 - электроды;

8- источник напряжения;

9- фотопроводящий материал; А - считывающее оптическое излучение; В - про- модулированное оптическое излучение, а в - оси легкого ориентирования в плоскости покрытий 3,4.

Модулятор содержит прозрачные подложки 1 и 2 с анизотропными ориентирующими покрытиями 3 и 4, между которыми размещен слой смектического жидкого кристалла 5, на подложках размещены электро00

ю

ь

Os Ю

ды б,б и 7,7, подключенные к разным полюсам источника напряжения 8, на одной из подложек (2 на фиг.З) расположен фотопровод я щий материал 9. Модулируемый поток А падает на входную подложку 1, а промо- дулированный поток В выходит со стороны подложки 2.

Модулятор работает следующим образом. Слой жидкого кристалла 5, будучи ориентирован гомеотропно, т.е. так, что ось геликоида жидкого кристалла перпендикулярна подложкам 1 и 2, проявляет свойства оптической гиротропии. Т.е. падающее оптическое излучение А, проходя через слой жидкого кристалла, выходит уже с поверну- той плоскостью поляризации. Причем в случае, когда шаг геликоида удовлетворяет условию nL А, возникает волноводный режим, а котором угол поворота плоскости по- ляризации совпадает с полным углом поворота директора молекул жидкого кристалла от входной подложки 1 до выходной подложки 2, В этом случае положение плоскости поляризации промодулированного излучения фиксировано. Например, при совпадении плоскости поляризации входящего излучения с направлением директора молекул жидкого кристалла на границе с подложкой 1, плоскость поляризации излучения развернется внутри слоя жидкого кристалла по мере поворота директора молекул жидкого кристалла, и излучение выйдет с плос.костью поляризации совпадающей с направлением директора молекул жидкого кристалла на выходной подложке 2, независимо от толщины слоя жидкого кристалла. Таким образом, угол поворота плоскости поляризации излучения, прошедшего слой жидкого кристалла 5, оказывается зависящим только от угла разворо- та молекул жидкого кристалла на входной и выходной подложках 1 и 2. Естественно, максимальный контраст и максимальная глубина амплитудной модуляции наблюдается при скрещенных входном и выходном поляризаторах и угле поворота 90 градусов. Такое значение угла поворота соответствует определенному шагу геликоида жидкого кристалла, а именно между длиной шага и толщиной слоя жидкого кристалла 5 в ячей- ке должно выполняться соотношение:

, где d - толщина слоя жидкого кристалла,

L длина шага геликоида жидкого кристалла. Таким образом в невозмущенном состоянии модулятор с описанными выше условиями на толщину, шагом геликоида жидкого кристалла, оптическую анизотропию и т д будет обладать свойством оптиче- ской гиротропии с углом гиротропии не

зависящим от толщины слоя жидкого кристалла.

Однако при помещении модулятора в электрическое поле молекулы жидкого кристалла разворачиваются так, что диполи молекул будут становиться вдоль линий силового поля. В рассматриваемом техническом предложении электрическое поле направлено перпендикулярно к оси геликоида и направлению распространения модулируемого излучения, т.е. имеет место поперечный эффект. В смектическом жидком кристалле 5 поворот молекул диполями вдоль поля приводит к деформации геликоида , а в итоге к полной его раскрутке, когда все молекулы развернутся в плоскость, проходящую перпендикулярно к подложкам. Очевидно в этом случае гиротропные свойства слоя жидкого кристалла исчезают, жидкий кристалл приобретает11 теперь свойства двулучепреломляющей пластинки. Это приводит к изменению амплитудного пропускания ячейки в скрещенных или параллельных поляризаторах (в зависимости как они были выставлены изначально: для скрещенных - исходное пропускание максимально, что понятно, если вспомнить о повороте плоскости поляризации на 90 градусов; для параллельных поляризаторов - исходное пропускание мало). Причем, поскольку молекулы ориентированы полем вполне определенным образом - их диполи параллельны полю, а директор молекул в этом случае перпендикулярен полю, то пропускание конечного состояния - при включенном поле - то же может быть выбрано взаимным расположением поляризаторов и направления поля. Например, при перпендикулярности поля и плоскости поляризации поляризатора - пропускание минимально (для скрещенных поляризаторов), при их взаимной ориентации под углом 45 градусов - пропускание определяется обычным соотношением

Т sin2 (2л-/7 d/ А), где n, d, А имеют смысл указанный выше.

Были проведены испытания модулятора, выполненного по данному техническому предложению, Модулятор использовал од- нокомпонентный жидкий кристалл с интервалом смектической хиральной наклонной фазы от 22 до 49°С. Угол наклона составлял 29 при 40°С, шаг геликоида (в объемном образце) составлял 10,3 мкм. спонтанная поляризация 110 нК/см2. Кристалл помещался между двумя стекляными подложками, на поверхность одной из которых была нанесена система встречно-штыревых электродов с шагом 800 мкм Тплщин.ч слоя ид

кого кристалла 5 задавалась с помощью прокладок и составляла 5 мкм. Оптические свойства модулятора (наблюдались в поляризационный микроскоп типа ПОЛАМ-Р111) демонстрировали наличие вращения плоскости практически на 90°, т.е. ячейки;было максимальным (около 70-80%) при исходно скрещенных поляризаторах, оставаясь та- ким при любом повороте модулятора в неподвижных поляризаторах микроскопа. При подаче напряжения пропускание падает (в лучших случаях до 1-5%), причем естественно пропускание в этом состоянии зависит от положения директора молекул деформированного электрическим полем жидкого кристалла относительно поляризаторов, что проявлялось в периодическом из- менении пропускания ячейки при ее вращении в неподвижных скрещенных поляризаторах. Другими словами, ячейка в этом состоянии вела себя как двулучепре- ломляющая пластинка, оптическая толщина которой определялась обычной формулой для двулучепреломления. Очень важно, что для ориентации директора параллельно или перпендикулярно поляризатору пропускание минимально и не зависит от длины волны. Тем самым для данного модулятора при оговоренных выше условиях на геометрию наблюдения пропускание не зависит от длины волны считывающего света и во включен- ном и в выключенном состояниях - модулятор полностью ахроматичен для по- ляризованного света.

Были проведены измерения зависимости оптического пропускания от величины поданного напряжения. Глубина модуляции близкая к максимально возможной (0,85) до- стигалась уже при управляющем напряжении 50 В (действующее значение), что соответствует величине управляющего поля около 0,05 В/мкм, что на два порядка ниже, чем для электрооптической ячейки с повер- хностно стабилизированной текстурой смектического ЖК, и почти на порядок меньше, чем для модулятора с эффектом деформации геликоида ЖК. Это преимущество связано, по-видимому, с более низкой энер- гией связи,характерной для гомеотропно ориентирующих поверхностей, в отличие от планарно ориентирующих поверхностей подложек. В то же время следует отметить, что влияние поверхности проявляется и в данном случае, а именно шаг геликоида жидкого кристалла в данной геометрии зависит от способа обработки поверхности подложки, проводимой для получения ориентации жидкого кристалла с осью геликоида, перпендикулярной к подложкам.

Был изготовлен также модулятор с оптическим управлением (фиг.3). В этом случае модулятор представляет собой структуру полупроводник - жидкий кристалл. В неосвещенном состоянии (фотопроводящий материал, играющий роль электрода для слоя жидкого кристалла не возбужден) компонента электрического поля в плоскости подложек отсутствует (поверхность фото- проводящего материала эквипотенциальна). Однако при проекции на структуру изображения на границах деталей изображения возникает градиент потенциала (электрическое поле, направленное в плоскости подложек) величиной до 0,1-1 В/мкм, достаточный для переориентации молекул жидкого кристалла. Такой модулятор показал свою работоспособность, обладая чувствительностью около 10-100 мкВт/см в синей области спектра при использовании Bli2Sl 020 в качестве фотопро- водящего материала. Модулятор обладал свойством выделения контуров деталей изображения, что следует из природы описываемого электрооптического модулятора как модулятора с поперечным эффектом.

Сам способ изготовления оказывается существенным для функционирования модулятора. Для достижения максимальной глубины модуляции на подложки наносят покрытия из органического вещества, пол- имеризуют их и натирают, в зазор между натертыми поверхностями подложек заливают жидкий кристалл натирание покрытий производят для обеих подложек во взаимно перпендикулярных направлениях, поели чего уменьшают смачиваемость поверхностей подложек путем погружения их в раствор поверхностнО Эктивного вещества, производят сушку подложек, после чего зазор заполняют жидким кристаллом.

Формула изобретения

1. Модулятор оптического излучения, содержащий две прозрачных подложки, управляющие электроды, подключенные к источнику напряжения, а анизотропные покрытия, ориентирующие расположенный между подложками сегнетоэлектрический геликоидальный смектический жидкий кристалл, отличающийся тем,что,с целью увеличения глубины модуляции,анизотропные покрытия ориентированы так, что смек- тические слои жидкого кристалла параллельны плоскостям подложек, а ось геликоида жидкого кристалла расположена перпендикулярно плоскостям подложек,при этом толщина слоя d и материал жидкого кристалла выбраны так, что шаг геликоида L

жидкого кристалла L -% , a nl A ,

где л - эффективная анизотропия показателя преломления жидкого кристалла,

А - длина волны модулируемого излучения, а управляющие электроды выполнены так, что создают падение потенциала в плоскости подложек.

2. Модулятор поп.1.стличающий- с я тем, что управляющие электроды расположены по крайней мере на одной из подложек, а источник питающего напряжения

обоими полюсами подключен к электродам на одной из подложек.

3.Модулятор поп.1 и 2, отличающий с я тем, что управляющие электроды

выполнены из фотопроводящего материала по крайней мере на одной из подложек.

4.Модулятор по пп.1-3, отличающийся тем, что анизотропные покрытия выполнены так, что оси легкого ориентирования на обеих подложках перпендикулярны друг другу.

Область применения: изобретение относится к оптозлектронике и может быть использовано для создания дисплеев. Сущность: модулятор оптического излучения содержит электрооптическую ячейку из двух прозрачных подложек, на внутренних поверхностях которых расположены управляющие электроды, подключенные к источнику напряжения, и анизотропные покрытия, ориентирующие расположенный между этими подложками сегнетоэлектрический геликоидальный смектический жидкий кристалл так, что его слои параллельны плоскостям подложек. Ось геликоида перпендикулярна плоскостям подложек, а толщина d слоя и материал жидкого кристалла выбраны так. что шаг геликоида L т , a nL А , где п эффективная анизотропия показателя преломления жидкого кристалла, А - длина волны модулируемого излучения. Управляющие электроды создают падение потенциала в плоскости подложек. При этом электроды могут располагаться на одной из подложек, могут быть выполнены из фотр- проводящего материала, а оси легкого ориентирования анизотропных покрытий могут быть перпендикулярны друг другу. 3 з.п. ф- лы, 3 ил. Ё

В

ФИГ.1

1

3

/ / / / /

V У /У /

ммY&sssss/xrsssss/Mo

/

/ // /

/ У / /.« V V V V

x

$& №ВВ® &&Ж&Х№У&У$Я№ УК

/

.

-4 9 7х 2

IФИГ.З