Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 6 01;07;12 Термополяризационные свойства толстых анизотропных дифракционных голограмм, записанных в полимерно-диспергированных жидких кристаллах й Р.С. Акопян, А.В. Галстян, Г.Г. Захарян, Н.Ф. Варданян, Ю.С. Чилингарян Ереванский государственный университет, 375049 Ереван, Армения e-mail: rhakob@web.am (Поступило в Редакцию 5 октября 2005 г.) Экспериментально и теоретически изучены дифракционные и поляризационные свойства толстых анизотропных голографических решеток записанных в полимерно-диспергированных жидких кристаллах. Из-за присутствия жидкокристаллических молекул такие решетки анизотропны и чувствительны к изменениям температуры, а дифракционные свойства сильно зависят от поляризации падающего излучения. Получены зависимости дифракционной эффективности и ориентации поляризации выходного дифракционного пучка от температуры дифракционной решетки и линейной поляризации падающего пучка при брэгговском падении. С помощью известных экспериментальных зависимостей диэлектрической проницаемости жидкого кристалла от температуры, получены те же зависимости. Экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами. Показана возможность управления дифракционными характеристиками дифракционной решетки в большом интервале температур.

PACS: 65.60.+a, 42.40.-i Введение мономера, но не с полимером или частично полимеризованным раствором. Благодаря молекулярной диффузии В последние годы запоминающие устройства, основанво время полимеризации число мономеров уменьшается ные на фотополимерных материалах для ближней инв освещенных областях, и из условия динамического фракрасной области спектра, стали предметом тщательравновесия концентрации мономера начинается диффуного изучения [1Ц9]. Такими материалами являются так зия молекул мономера из темных областей в освещенназываемые полимерно-диспергированные жидкие криные, следовательно, молекулы ЖК вытесняются из этих сталлы, ПДЖК, [10Ц13]. ПДЖК-структуры обладают меобластей. В результате имеем молекулы ЖК в виде ханическими свойствами полимеров и контролируемой трехмерных доменов (капли), которые диспергированы анизотропностью жидких кристаллов (ЖК). Одним из в полимерной матрице с периодической модуляцией эффективных свойств является возможность управления плотности [14].

уже записанных структур статическими электрическими В конечной решетке директор ЖК преимущественно полями, температурой, механическими деформациями и будет направлен вдоль волнового вектора вследствие т. д. за счет переориентации анизотропных ЖК-молекул, гидродинамических и диффузионных потоков, а волновнедренных в полимеры [13,14]. Кроме того, они дают вой вектор перпендикулярен планарным слоям полимера возможность наблюдать динамику записи структур в реи ЖК. Из-за периодической модуляции плотности ЖК и альном времени. Очень быстро они нашли применение полимера в менее освещенных участках показатель прев различных оптических системах, таких как оптическая ломления ПДЖК-решетки, в основном, зависит от ЖК, а запись [15], детектирование акустических волн [16], в освещенных областях Ч от полимера. Следовательно, плоские экраны и экраны желаемой кривизны [10,17], модуляция коэффициента преломления и дифракционпереключаемый цветной фильтр для дистанционного ные характеристики сильно зависят от плотности [19] управления [18], оптико-волоконные переключатели [11], и формы ЖК-капель, ориентации жидкого кристалла линзы с управляемым фокусным расстоянием [12]. Повнутри капель, поляризации, температуры, и т. д. В силу скольку они дают возможность послеэкспозиционный этого одним из важнейших вопросов является пониконтроль над дифракционными характеристиками, можмание роли ЖК в угловой [20Ц22] и поляризационной но получить электрооптические управляемые гологразависимостях полученных систем.

фические устройства.

Электрооптические свойства таких ПДЖК изучены Голографические ПДЖК-структуры формируются с помощью интерференции двумя когерентными моно- довольно тщательно [23Ц25]. В работах [23,24] экспериментально и теоретически изучена зависимость хроматическими лазерными лучами. Для изготовления ПДЖК-смесей выбирается такой кристалл, чтобы имело максимальной дифракционной эффективности от приместо фазовое разделение ЖК и мономера-полимера, веденного поля, для s- и p-поляризованных волн, а т. е. молекулы ЖК смешиваются с начальным раствором также для неполяризованной волны. В работе [25] эксТермополяризационные свойства толстых анизотропных дифракционных голограмм... периментально получена зависимость дифракционной эффективности первого порядка от применяемого статического поля. Поляризационные свойства изучены в работах [26Ц28]. В работе [26] исследована зависимость дифракционной эффективности от интенсивности регистрирующего пучка, для s- и p-поляризованных волн.

В работе [27] теоретически и экспериментально изучены зависимости дифракционной эффективности и состояния Рис. 1. Принципиальная схема автоматизированной экспериполяризации дифрагированной волны от линейной по- ментальной установки.

яризации падающего пучка при брэгговском падении.

Ав работе [28] экспериментально изучены зависимости интенсивностей дифракционного и прошедшего пучков программно управляется с персонального компьютеот угла, составленного линейной поляризацией с плосра (PC) с помощью интерфейса CAMAC. Поляризатокостью падения, при температуре 27C. Температурные ром P1 задается известная линейная поляризация падасвойства рассмотрены в работах [19,29,25]. Вработе [19] ющего пучка, далее пучок попадает на голографическую изучена зависимость дифракционной эффективности от решетку под углом B = 18.3 (угол Брэгга для данной температуры ПДЖК при концентрации ЖК 28%, где решетки), которая помещена в термостат T, темперапробный пучок был поляризован в плоскости падении.

тура которого изменяется от 22 до 70C. С другой В работе [29] получена эффективность проходимости в стороны решетки под углом Брэгга выходят две волны:

зависимости от температуры и применяемого электричепрошедшая и дифрагированная. Далее дифрагированского поля для нескольких ячеек ПДЖК с разными знаный луч попадает на фотоприемник (PM), подключенчениями концентрации ЖК. В работе [25] изучена завиный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) в симость дифракционной эффективности первого порядка интерфейсе CAMAC. Поляризатором последовательно от температуры ПДЖК при понижении и возрастании устанавливаются азимутальные углы линейной поляритемпературы.

зации падающего пучка, и для нескольких значений Целью данной работы являлось экспериментальное температуры дифракционной решетки PM регистрирует и теоретическое исследование дифракционных и поинтенсивность дифрагированного луча. Во втором экспеляризационных свойств ПДЖК-решеток, а именно: зарименте перед PM становится поляризатор P2 (с теми висимости дифракционной эффективности и поляризаже параметрами), который закреплен на шаговом двигации дифракцинной волны на выходе из решетки от теле SM2. При тех же значениях температуры дифракцитемпературы ПДЖК под углом Брэгга. Присутствие онной решетки и поляризации падающего пучка P2 враанизотропных молекул ЖК приводит к сильной завищается на 360, и АЦП снимает показания PM. После симости дифракционных характеристик от температуры перерасчета этих данных восстанавливается состояние ПДЖК, что позволяет легко управлять параметрами поляризации дифракционного пучка. Таким образом, дифракционной решетки и дифракционной волны.

для каждой температуры дифракционной решетки мы получаем угол поляризации выходного дифракционного Эксперимент пучка для нескольких значений линейных поляризаций падающего пучка.

Экспериментальная установка Экспериментальные результаты Дифракционная решетка, с помощью которой проЭкспериментальные зависимости получены для трех водились экспериментальные исследования, была созначений линейной поляризации падающего пучка:

здана следующим образом. При изготовлении ячейки = 30, 45, 78. На рис. 2 приведены теоретичеиспользовался фотоактивный полимер, чувствительный ская (сплошная кривая) и экспериментальная (отмечено в ИК-области спектра. Два когерентных луча лазера кружками) зависимости дифракционной эффективности Ti-Sa с длиной волны = 830 nm падали на ячейку от температуры дифракционной решетки. Таким обрапод таким углом между собой, чтобы конечная решетка зом, в некотором интервале температур дифракционной имела период = 1.0 m. Спейсер между стеклянными решетки эффективность плавно возрастает, достигая поверхностями решетки имел толщину d = 27.8 m.

своего максимума, а потом убывает. Характерное измеПринципиальная схема экспериментальной установки нение зависимости происходит в интервале температур представляла на рис. 1. Решетка зондировалась HeЦNe лазером с длиной волны = 628 nm и была поляризова- 55-60C. На рис. 3 приведены теоретическая (сплошна под углом 45 относительно плоскости падения. Луч ная кривая) и экспериментальная (отмечено кружками) лазера становится циркулярно поляризованным после зависимости угла ориентации дифрагированной волны прохождения через /4 пластинку, после чего проходит от температуры дифракционной решетки. В зависимочерез поляризатор (P1), который закреплен на шаговом стях ориентации эллипса поляризации от температуры в двигателе (минимальный угол вращения 0.77), который том же интервале заметно резкое изменение.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 76 Р.С. Акопян, А.В. Галстян, Г.Г. Захарян, Н.Ф. Варданян, Ю.С. Чилингарян Теория Зависимость дифракционной эффективности от температуры Направим оси x и y вдоль вектора решетки и нормали к поверхности решетки соответственно. Рассмотрим толстую анизотропную ненаклонную и прозрачную голографическую решетку, которая записана в ПДЖК. XY Ч плоскость падения, а внешний угол падения обозначим через i. Предположим, что на ПДЖК-решетку падает плоская монохроматическая волна с длиной 0 в вакууме и волновым вектором k0, абсолютное значение которого равно k0 = 2/0. Поскольку в дифракционной решетке s- и p-компоненты распространяются, не взаимодействуя Рис. 3. Зависимость угла ориентации эллиптической поляризации дифракционного пучка от температуры дифракционной решетки. Параметры те же, что и на рис. 2.

друг с другом, то для любой поляризации падающего пучка дифракционную эффективность можно выразить через эффективности для s- и p-компонент следующим образом [27]:

p f cos2 + s f sinp s =, (1) f где Ч азимутальный угол линейной поляризации падающего пучка, p и s Ч дифракционные эффективности для p- и s-компонент, которые, согласно опредеРис. 2. Зависимость дифракционной эффективности от лению [30], имеют следующий вид:

температуры дифракционной решетки. a Ч = 30, b Ч 45, Edp,ds (d)Edp,ds(d)ndp,ds gdp,ds cos dp,ds c Ч78 (d = 27.8 m, = 1.0 m, = 1.0 m, = 628 nm, p,s =. (2) 0 pol = 2.5, Fpol = 0.669, Fpol = 0.3).

Ei p,is (0)Ei (0)ni p,is gi p,is cos i p,is p,is Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Термополяризационные свойства толстых анизотропных дифракционных голограмм... Здесь Edp,ds (d) Ч выходная дифракционная волна для p- показателя преломлений решетки и приравнивая члены и s-компонент [30Ц32], ni p,dp, nis,ds Ч средние коэффи- с коэффициентом cos Kx и без него, получим среднее циенты преломления для падающего и дифракционного значение и модуляцию перпендикулярной и параллельпучков соответственно, ной компонент коэффициента преломления (n0 )2 - 1 (nLC )2 - n2 -, 0 n2p,dp = Чдля p-волны, = Fpol pol + FLC,, (11) i cos2 i p,dp + 0 sin2 i p,dp (n0 )2 + 2 n2 + 2 (nLC )2 +, pol, (3) n2 = Чдля s-волны, (4) n1 = is,ds, 2n, gi p,dp, gis,ds Ч косинусы углов между волновыми векторами и векторами Пойнтинга для падающего и дифрак- (nLC )2-n2 -1 pol, Fpol n2 +2 (nLC )2+ционного пучков соответственно pol, (n0 )2 + 2,, (nLC )2-1 n2 -1 (nLC )2-, pol, 1 - - Fpol 0 sin2 i p,dp + cos2 i p,dp (nLC )2+2 n2 +2 (nLC )2+, pol, gi p,dp = (12) ( 0)2 sin2 i p,dp +()2 cos2 i p,dp откуда и получим распределение перпендикулярной и параллельной компонент диэлектрической прониЧ для p-волны, (5) цаемости ПДЖК и их модуляции, =(n0 )2,, gis,ds = 1 Ч для s-волны. (6), = 2n0 n1. Используя экспериментальные зави,, Здесь i p,dp, is,ds Чуглы между нормалью к поверх- симости (рис. 4) перпендикулярной и параллельной ности ПДЖК и вектором Пойнтинга для падающего и компонент диэлектрической проницаемости ЖК от темдифракционного пучков соответственно пературы [35], подставляя эти значения в выражения (11) и (12), мы получим полуэмпирическую завиi p,dp = i p,dp + arccos gi p,dp Чдля p-волны, (7) симость дифракционной эффективности от температуры ПДЖК-решетки для трех линейных поляризаций падаюis,ds = is,ds Чдля s-волны. (8) щего пучка.

В выражении (3), 0 Ч перпендикулярная и Зависимость поляризации от темперапараллельная компоненты средних значений диэлектритуры ческой проницаемости ПДЖК решетки, i p,dp, is,ds Ч Обсудим изменение состояния поляризации в толуглы падения и дифракции внутри образца для s- и стой анизотропной голографической решетке, записанp-компонент.

ной ПДЖК. Определим зависимость состояния поляС помощью формулы ЛорентцЦЛоренца [33] и из ризации дифрагированной волны от температуры диусловия нормировки концентраций полимера и ЖК фракционной решетки для разной начальной линейной можно найти распределение перпендикулярной и паралполяризации падающего пучка, а именно зависимость лельной компонент коэффициента преломлений решеториентации эллиптической поляризации дифрагированки [34]:

ной волны от температуры ПДЖК. Предположим, что падающая волна линейно поляризована под азимутальn2 - 1 (nLC )2 - n2 -, = Fpol pol + FLC,, (9) ным углом. Согласно [36], мы можем записать угол n2 + 2 n2 + 2 (nLC )2 +, pol, где 0 Fpol = Fpol + Fpol cos Kx, 0 FLC = FLC + FLC cos Kx (10) Ч распределение концентрации полимера и ЖК, npol Ч показатель преломления полимера, nLC Ч показатель, преломления ЖК для перпендикулярной и параллельной компонент, n, = n0 + n1 cos Kx Ч распределение,, 0 показателя преломлений решетки, Fpol и FLC Ч средние 1 значения концентрации полимера и ЖК, Fpol и FLC Ч модуляции концентрации полимера и ЖК, n0 Ч сред, нее значение показателя преломлений решетки, n1 Ч, модуляция показателя преломлений решетки, K ЧабРис. 4. Экспериментальные зависимости перпендикулярной LC солютное значение волнового вектора решетки. Под- (Х) и параллельной LC () компонент диэлектрической ставляя (10) в выражение (9), учитывая распределение проницаемости ЖК от температуры.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 78 Р.С. Акопян, А.В. Галстян, Г.Г. Захарян, Н.Ф. Варданян, Ю.С. Чилингарян ориентации эллиптической поляризации (угол между экспериментальной. Причиной является то, что мы преглавной полуосью эллипса и плоскостью падения) вы- небрегаем поглощением решетки, полагая модуляцию ходного дифракционного пучка в следующем виде [27]: коэффициента преломления чисто косинусоидальной, что тоже является приближением.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам