Оптические устройства

Вид материала

Документы

Содержание 4. Электрические сигналы, подаваемые на электроды, обозначим соответственнох 4 и общим электродом 2 Эффект гость-хозяин. 1, 6 – стеклянные подложки; 2, 5 Голографические устройства.

Подобный материал:

• Аннотация к курсу лекций «Оптические методы и устройства обработки информации», 35.54kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 11. 07 «Оптические, 62.47kb.
• Программа научно-практической конференции «Оптика -ХХI век: оптика, фотоника и оптоинформатика, 66.05kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 151.82kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 121.7kb.
• Рабочая программа по дисциплине: «оптические методы и устройства обработки информации», 90.76kb.
• «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» Общая трудоёмкость изучения дисциплины, 58.31kb.
• Оптические системы, свойства и методы контроля асферических поверхностей большого диаметра, 208.63kb.
• Конференция “оптические методы в современной физике”, 15.86kb.
• Программа курсов повышения квалификации по специальности «Волоконно-оптические системы, 31.04kb.

Оптические устройства.


Последние достижения в области квантовой электроники, голографической техники и техники оптических сред, обеспечившие создание оптических управляемых транспарантов (УТО) и оптических реверсивных сред, создали предпосылки для разработки и построения оптических процессоров, качественно отличающихся от электронных по своим функциональным структурам и возможностям.

В электронных вычислительных машинах носителем информации является электрический ток, а средством запоминания и обработки информации являются электрические схемы, следовательно, за время тактирования с помощью тока передается только один бит информации и через схемы реализуются строго заданные операции, т.е. в ходе использования схем нельзя изменять виды выполняемых операций. Это привело к созданию специализированных логических и функциональных схем и блоков, например, сумматор, счетчик, регистр, дешифратор и т.д.

Эти схемы и блоки являются основными элементами ЭВМ. Практически невозможно создать большое число подобных схем и блоков специального назначения. Поэтому в ЭВМ используется весьма ограниченный набор разновидных базисных операций. Под базисной операцией понимается операция, реализуемая аппаратно без программного управления. В результате этого различные операции на ЭВМ решаются с помощью последовательностей ограниченного набора базисных операций. Это приводит к неэффективному использованию имеющегося быстродействия и объёма памяти ЭВМ. Например, для отображения информации в объёме всего 20 условных динамических символов в реальном масштабе времени требуется быстродействие ЭВМ свыше операций сложения в секунду или, например, вести в реальном масштабе времени анализ и распознавание речевых сигналов на современных ЭВМ вообще невозможно, не хватает быстродействия.

В отличие от электронных, в оптическом процессоре носителем информации является пучок света, а средствами запоминания и обработки информации являются реверсивные среды и оптически управляемые транспаранты.

Поэтому в оптическом процессоре возможно:

– через один пучок света передавать информацию за время одного тактирования в объёме 10⁴÷10⁶ бит; это обеспечивается возможностью пространственной модуляции луча света;

– хранить информацию не только в виде побитового или аналогового сигнала, но и в виде голограмм;

– обрабатывать информацию параллельно в объёме 10⁴÷10⁶ бит в одном пучке света;

– изменять или образовывать путем вычисления виды выполняемых операций в ходе использования оптического процессора; такая гибкость обеспечивает эффективное решение самых разнообразных задач.

Преимуществом у оптического процессора много и прежде всего к ним следует отнести:

– простота выполнения операций объединения и пересечения в двумерном пространстве;

– устойчива защита от помех при пересечении оптических пучков (каналов) связи в воздухе;

– отсутствие проводной связи и коммутации, что исключает появление паразитных емкостей и отпадает необходимость в пайке, электрических разъемах и пр.;

– использование третьего измерения для ввода-вывода информации в оптоэлектронных чипах создает дополнительные возможности, которым у электронных соединений нет никаких аналогов;


– при линейных размерах изображения 1см, разрешении 3мкм и длине оптической системы порядка 30 см (давно доступные оптикам технологические нормы) можно получить в оптоэлектронном компьютере производительность порядка 10¹⁶элементарных операций в секунду, причем быстродействие может значительно превзойти эту цифру при использовании фотон – электрон – атомной(кластерной) элементной базы;

– оптическая система ничего не излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту компьютера от перехвата информации. И обратно, оптическая система надежно защищена от сторонних электромагнитных наводок;

– еще одно универсальное свойство оптических систем: в прозрачной среде информация, закодированная оптическим лучом, может обрабатываться без затрат энергии. Естественно, закон сохранения энергии при этом не нарушается.

Работу оптического логического элемента поясним на следующем примере. Пусть между двумя металлическими прозрачными электродами 1 и 2 находится полупрозрачный материал 3, который пропускает свет только при наличии определенной разности потенциалов на электродах.





В средине пластины разместим еще один управляющий электрод 4. Электрические сигналы, подаваемые на электроды, обозначим соответственнох₁, х₂, х₄,а оптические выходные сигналы элемента обозначимy₁иy₂.Сверху элемент освещается лучом света L. Очевидно, что для выходного сигналаy₁ среда будет прозрачной только тогда, когда один из входных сигналовх₁ илих₂будет равен «1», а другой равен «0», т.е. можно записать:




Значение сигналаy₂зависит от того, какой сигнал присутствует на управляющем электродеx₄. Если x₄=0, то для сигналаy₂ среда будет прозрачна только в случае, когда x₁=x₂=1, то естьy₂=х_1х₂.

Если же x₄ =1, то очевидно, что.

Таким образом, рассмотренный оптический элементы выполняет логические операции сложения с инверсией, умножения и сложения по модулю 2 (неравнозначность). Из подобных элементов составляются так называемые оптические управляемые транспаранты (УТО), которые являются основой для построения оптического процессора. Структурная схема оптического процессора может быть следующей:




Здесь обозначено:


1 – память (набор УТО или голограмма);

2 – операционная пластина (УТО);

3 – коммутационная пластина (УТО);

4 – распределительная пластина (УТО);

5 – детектор (УТО, ранее использовались линзы);

6 – буферное запоминающее устройство (УТО или голограмма).


Как видим, на всех этапах обработки информации здесь в основном используются оптические управляемые транспаранты, а при больших объемах памяти – голограммы.

В оптических устройствах принципиально возможны два способа записи информации: побитовый и голографический. В первом случае любому элементарному участку информационного носителя (пластины УТО) соответствует один бит информации. Во втором случае вся поверхность некоторого участка носителя равномерно обеспечивает хранение массива информации, т.е. любая область, входящая в этот участок, хранит с той или иной достоверностью информацию обо всем массиве сразу.

Для побитовой записи информации можно использовать любой источник излучения. Однако более предпочтительным являются источник когерентного света – лазер, плотность потока энергии и возможность фокусировки излучения которого многократно превосходят соответствующие параметры всех других источников.

Голографическая запись – это представление информации в интерференционной форме. Здесь обязательно требуется использование когерентного источника излучения, и предъявляются определенные требования к степени его пространственной и временной когерентности. Информационную нагрузку при голографической записи несет один из двух световых пучков, на которые делится световой поток источника излучения, - его называютсигнальным или объектным. Пространственная структура сигнального излучения, т.е. характер распределения энергии в плоскости поперечного сечения пучка, однозначно связана с емкостью массива, записываемого на носитель, и распределением в нем информации. Оба пучка – информационный (сигнальный) и вспомогательный (опорный) – интерферируют в плоскости носителя информации.


Оптические запоминающие элементы.


Ряд важнейших особенностей оптической памяти связан с видом информационного носителя и характером происходящих в нем процессов при записи и считывании информации.


Фотохромные материалы.


Информационные носители этого типа работают на основе фотохромного эффекта, который заключается в изменении окраски или прозрачности вещества (органических полимеров, неорганических стекол) под действием светового излучения (сигнала) в определенном диапазоне длин волн. Фотохромные материалы обычно темнеют при облучении коротковолновым видимым или ультрафиолетовым светом и «отбеливаются» при облучении инфракрасным светом. Соответствующие воздействия могут быть реализованы при записи, стирании и считывании информации, т.е. фотохромный эффект позволяет осуществлять многократные обращения к одному и тому же участку материала, что может быть использовано для создания оперативной и долговременной памяти, а также оптических управляемых транспарантов.

Фотохромный эффект связан со стимулированием светом переносом зарядов от одних примесных центров к другим. В результате освещения генерируются носители зарядов, которые дрейфуют или диффундируют в менее освещенные области, где захватывается ловушками. Создаваемые ими локальные поля изменяют показатель преломления кристалла. Фотохромные материалы отличаются исключительно высоким разрешением, которое определяется размерами отдельных привесных центров (молекул). Разрешающая способность органических фотохромов более 3000 линий намм, поэтому площадь информационного бита может быть доведена до кв. мкм.

Кроме органических фотохромов применяют «мягкие» электрические кристаллы, например, барий-стронциевогониобата или фториды типа GaF₂ с присадками редкоземельных элементов. Столь же высокой разрешающей способностью обладают и аморфные полупроводники, в которых под действием излучения происходит обратимый переход от аморфной к поликристаллической фазе, в результате чего изменяются спектральные характеристики полупроводника.


Структуры сегнетоэлектрик-фотопроводник.


При освещении лазером поверхности некоторых сегнетоэлектриков (например, ниобата лития LiNbC₃ или титаната бария BaTiO₃) наблюдается изменение показателя преломления среды. Этот эффект используется для оптической записи. Стирание записанной информации производится либо нагревом, либо освещением носителя. Такие носители информации часто имеют многослойную структуру:




Между двумя прозрачными электродами 1 и 2расположены фотопроводник 3 и сегнетоэлектрик 4.

Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков состоящих из микроскопических областей – доменов, поляризованных в различных направлениях. Свое название получили от сегнетовой соли NaKC₄H₄O₆ ˑ 4H2O.

Для записи информации к электродам прикладывается напряжение. На тех участках, где фотопроводящий слой освещен (запись «1») слой сегнетоэлектрика оказывается под воздействием электрического поля, достаточного для переориентации доменов и, следовательно, разворота вектора поляризации, происходит изменение направления поляризации. Считывание записанной информации может быть либо оптическим (за счет электрооптического эффекта), либо электрическим (за счет перезарядки считываемых ячеек), но в последнем случае при считывании записанная информация разрушается. Стирание информации производится так же, как и запись, но при этом освещается весь элемент, а напряжение, прикладываемое к электродам, имеет противоположную полярность.


МДП – структура.


Информационный носитель такого типа имеет следующую структуру:





Между двумя прозрачными электродами 1 и 2 расположены два слоя диэлектрика 3 и 4 и один слой полупроводника. Прозрачные электроды играют роль пластин конденсатора, на которые подано постоянное напряжение. В качестве записывающей световой волны используют излучение с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны полупроводника. Поглощение фотонов приводит к рождению электронно-дырочных пар, так как часть электронов покидает валентную зону и переходит в зону проводимости. Поле конденсатора разделяет электроны и дырки: электроны устремляются к положительному электроду, а дырки – к отрицательному. В результате происходит экранировка поля в освещенных областях полупроводника, создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах, а следовательно, и электрическое поле внутри полупроводника, напряженность поля в этих областях существенно уменьшается. Для считывания записанной информации используют электрооптический эффект – зависимость показателей преломления света в полупроводнике от напряженности электрического поля. МДП – структура обладает весьма высокой чувствительностью до и достаточно высокой разрешающей способностью до 1000 линий на мм. Быстродействие определяется временем дрейфа дырок и электронов через полупроводник. При подвижности носителей тока равной , толщине слоя полупроводника 10 мкм и напряжённости поля конденсатора 100 время дрейфа оказывается равным .

Фототермопластичные пленки.


Это специфические прозрачные диэлектрики (например: полистирен), размягчающиеся при невысоких температурах (50⁰÷100⁰ С). Оптически сигнал фиксируется на поверхности термопластика в виде определенной картины рельефа, соответствующей распределению света в процессе записи. Фототермопластичный элемент состоит из прозрачной подложки 1 (стекло), на которую нанесен прозрачный электрод 2, выше которого расположены фотопроводящий слой полупроводника 3 и термопластичный полимерный слой 4.




Процесс записи оптического сигнала происходит в несколько этапов:


1). С помощью короткого разряда поверхность термопластика равномерно заряжается, между термопластиком 4 и общим электродом 2 возникает электрическое поле.




2). Экспонирование – на элемент направляют записывающий световой поток, несущий информацию. На освещенных участках фотопроводящего слоя 3 значительно увеличивается проводимость, и носители заряда с электрода 2 устремляются к поверхности термопластика.Расстояние между объемными зарядами уменьшается и, следовательно, напряженность электрического поля возрастает. Таким образом, распределение интенсивности света (оптическое изображение) преобразуется в распределение заряда на слое термопластика.


3). Проявление. Среда быстро нагревается до температуры размягчения термопластика.Электрические силы вызывают деформацию слоя термопластика. В соответствии с распределением электрических зарядов образуется определенный рельеф, который повторяет исходное оптическое изображение.


4).Закрепление. При охлаждении термопластика рельеф фиксируется и может сохраняться весьма длительное время.


Стирание информации с фототермопластичного элемента осуществляется его нагревом до температуры, соответствующей размягчению термопластика. Поверхность термопластика выравнивается за счет поверхностного натяжения, и он оказывается пригодным для повторной записи. При толщине структуры 0,2 – 0,4 мкм чувствительность к записи составляет около 10^-4 дм/см², а разрешающая способность – до 2000 линий/мм.


Оптические диски.


С середины 80-х годов широко внедряются в практику оптические ЗУ, носителем информации в которых является оптический диск. На поверхности оптического диска сфокусированным лучом лазера оставляются метки микронных размеров. Обычно применяется полупроводниковый лазер, излучающий в ближней инфракрасной области спектра. Мощность излучения лазера выбирается при записи такой, чтобы метка образовалась за десятки наносекунд. Этим достигается высокая скорость записи и отсутствие «размазывания» метки вдоль дорожки при вращении диска.

Важнейшей частью оптического диска является оптическая среда, покрывающая его поверхность. Разработано много различных сред и методов создания на них меток. Наиболее простой и распространенный метод записи – прожигание микроотверстий в тонкой пленке металла, обычно теллура. В месте фокусировки луча лазера пленка металла локально разогревается до плавления и в ней образуется сквозное отверстие. Толщина пленки около 0,05 мкм, диаметр получаемого в ней отверстия около 0,5 мкм. Наличие или отсутствие в данное точке носителя прожженного участка эквивалентно двоичной «1» или «0». По диску-оригиналу может исполняться матрица и с ее помощью тиражируются диски-копии.

При считывании информации на диск направляется луч того же лазера, но ослабленного по мощности настолько, что она не вызывает разрушения среды. Этот луч, «ощупывая» вращающийся диск, по-разному отражается от меток и промежутка между ними. В результате отраженный луч оказывается промодулированным по амплитуде. Оптическая система направляет этот луч на фотоприемник, в котором световые «вспышки» преобразуются в электрические сигналы.

Оптические диски характеризуются высокой плотностью записи. Минимальный размер выжигаемой метки близок к длине волны  лазерного излучения. Это значит, что площадь метки не может быть меньше². А плотность записи определяется величиной, обратной этой площади, т.е. 1/ ² , что для полупроводникового лазера дает, например,1,5  10⁸бит/см². Это разумеется, теоретически, а на практике плотность записи достигает 2  10⁷бит/см². Линейная плотность записи вдоль дорожки около 10⁴бит/см. Число дорожек велико, поперечная плотность записи достигает 650 дорожек/мм. Например, стеклянный диск с металлическим покрытием, выпускаемый фирмой «HitachiLtd» (Япония) имеет 41300 дорожек и только на одной лишь стороне можно записать 1310Мбайт информации, что примерно соответствует 700 000 страниц текста формата А4. В накопителях может одновременно использоваться до 100 оптических дисков, и емкость таких накопителей превышает 10¹³бит информации. Такая память весьма перспективна для хранения больших массивов информации и в наиболее полной мере удовлетворяет требованиям архивности. Основной недостаток таких ЗУ – большое время поиска информации на оптическом диске из-за невозможности достижения высокой скорости перемещения сравнительно массивной оптической головки для записи и считывания при большой поперечной плотности дорожек. Точность позиционирования оптической головки должна быть не менее 0,1 мкм.

Повышенный интерес вызывают у пользователей диски с возможностью перезаписи информации. Проблема реверсивности носителя, т.е. его пригодности для многократной перезаписи информации, возникла с самого начала появления оптических дисковых накопителей и остается по сей день. Применяются оптические диски, в которых при записи лазерным лучом материал из кристаллического состояния с высоким коэффициентом отражения переходит в аморфное состояние с низким коэффициентом отражения. В процессе стирания – обратный переход. Допускается до 1 млн. циклов перезаписи. Разработаны и внедряются в практику реверсивные оптические диски, в которых при записи и считывании информации используются магнитооптические явления.


Магнитооптические носители информации.


Это носители, у которых запись или считывание информации выполняется с помощью луча света, а хранение и представление информации – с помощью магнитных состояний.

Обычно в магнитооптическихЗУ используют пленочные ферромагнитные материалы, где запись осуществляется локальным нагревом участка среды до температуры, при которой может произойти перемагничивание. Наиболее распространена запись с нагревом до температуры, близкой к точке Кюри. Известно, что температура Кюри _k для ферромагнетиков является точкой фазового перехода второго рода, т.е. перехода, который не сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и отсутствует выделение (или поглощение) тепла. При этой температуре теряются ферромагнитные свойства кристаллов, в частности разбивка ферроматнитного тела на домены – малые области самопроизвольной намагниченности. Выше точки Кюри материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Парамагнитные свойства обусловлены спиковыми магнитными моментами электронов. При внесении парамагнитного материала во внешнее однородное магнитное поле возникает явление прецессии электронных орбит и векторов магнитных моментов атомов вокруг направления внешнего поля. Нарушается равномерность двух возможных ориентаций спика, появляется преимущественная ориентация спиковых магнитных моментов электронов вдоль поля, т.е. появляется парамагнитная намагниченность. Причем происходит это в относительно слабом магнитном поле, недостаточном для перемагничивания ферромагнетика.

Носитель информации для магнитооптической записи выполняется двухслойным: прозрачная подложка и нанесенная на нее магнитная пленка. Наиболее широко используется марганец-висмутовое магнитное покрытие (MnBi). Это покрытие обладает способностью намагничиваться перпендикулярно плоскости пленки. Запись осуществляется магнитным полем в сочетании с воздействием луча лазера. Если пленку поместить в однородное магнитное поле, недостаточное для изменения магнитного состояния, то после нагрева лучом лазера ее участка выше точки Кюри, участок пленки приобретает намагниченность, определяемую внешним полем.

Параметры магнитной пленки должны быть такими, чтобы выполнялось соотношение

_,

где: Н_р – размагничивающее поле участка пленки;

Н_о – напряженность внешнего магнитного поля,

Н_с– коэрцитивная сила материала пленки.

Считывание информации в магнитооптическом ЗУ производится путем анализа плоскости поляризации света при его отражении или прохождении через пленку.

В первом случае используется эффект Керра. Имеет место поворот плоскости поляризации, пропорциональный величине намагниченности магнитной пленки.

Во втором случае используется магнитооптический эффект Фарадея. Плоскость поляризации световой волны поворачивается на угол, пропорциональный напряженности магнитного поля и длине пути света на участке магнитооптического покрытия. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления вектора намагниченности магнитной пленки (запись «1» и «0»). Поворот плоскости поляризации при магнитооптическом считывании определяется анализатором, интенсивность света на выходе которого регистрируется фотоприемником. Скоростные параметры пленки MnBiвесьма высокие: время записи – десятки наносекунд, постоянная времени вращения поляризации при считывании – десятые доли наносекунд.

Стандартная плотность записи на коммерческом магнитооптическом диске составляет около 1 бит на 3 мкм², что соответствует 128 Мбайт для 3,5 – дюймового диска. Продаются диски того же диаметра емкостью 630 Мбайт. Недавно успешно была проведена работа по детектированию бита информации в области 5 Ангстрем!


Физические эффекты, используемые для модуляции оптического

излучения.


Изотропные материалы, помещенные в электрическое или магнитное поле из-за преимущественной ориентации полярных молекул становятся анизотропными.

Распространяющееся в них электромагнитное (оптическое) колебание распадается на два - необыкновенное, поляризованное в направлении вектора напряженности поля, и обыкновенное, поляризованное перпендикулярно вектору напряженности поля. Эти колебания распространяются с разными фазовыми скоростями:

;

где: С – скорость света;

n – показатель преломления;

индексы: о – обыкновенный (ozdinazy),

е – необыкновенный (enozdinazi).

Поэтому выходящий из вещества свет эллиптически поляризован. Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебаний пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е:



в связи с чем такой эффект назван квадратичным электрооптическим эффектом Керра (1875г.), где:



 – длина волны света;

В – постоянная Керра.

Эффект Керра объясняется тем, что в электрическом поле происходит ориентация молекул, либо уже имеющих, либо приобретающих в этом поле электрический дипольный момент. Так как оптические свойства каждой молекулы анизотропны, то при ориентации молекул оптическую анизотропию приобретает вещество в целом. До помещения в электрическое поле это вещество было изотропным по той причине, что молекулы располагались хаотически и электрические дипольные моменты взаимно компенсировались. Так как дипольные электрические моменты молекул вещества ориентируются по направлению напряженности электрического поляЕ, то диэлектрическая проницаемость по этому направлению отлична от диэлектрической проницаемости во всех направлениях, перпендикулярных Е. Таким образом вдоль направления Е образуется главная оптическая ось, и в целом вещество приобретает свойства одноосного кристалла.

Двойное лучепреломление вещества под действием внешнего магнитного поля называется эффектом Коттока-Мутона. При этом разность показателей преломления равна

n_e – n_o = K¹H²,

где: Н – напряженность магнитного поля;

K¹ = D

D – постояннаяКоттока-Мутона.

Закономерности эффектов Керра и Коттока-Мутона во многом сходны. Явление Керра практически безынерционно : запаздывание в изменении (n_е – n_о ) по сравнению с изменением Е меньше 10^-9 сек.

В кристаллических материалах, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, также под воздействием внешнего электрического поля возникает двойное лучепреломление, однако разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебаний пропорциональна в этом случае первой степени напряженности электрического поля.Это явление называется линейным электрооптическим эффектом (или эффектом Поккельса(1893г.). Благодаря весьма малой инерционности эффекта Керра и эффекта Поккельса, они используются для создания высокочастотных модуляторов света.

В оптическом диапазоне для модуляции интенсивности и частоты излучения используют электрооптический, акустооптический или пьезоэлектрический эффекты, а для модуляции фазы и поляризации - магнитооптический или электрооптический эффекты. Частотную модуляцию можно также обеспечить на основе эффекта Зеемана или Штарка.

Эффект Зеемана заключается в расщеплении под воздействием магнитного поля спектральных линий, излучаемых атомной системой. Известно, что при переходе атома из состояния с энергией W₂ в состояние с энергией W₁ излучается квант света с частотой



где:h - постоянная Планка.

Внешнее магнитное поле возмущает электронные орбиты, в результате чего уровни энергии электронов расщепляются с образованием так называемых зеемановских подуровней и каждое стационарное состояние с энергией W приобретает дополнительную энергию W. Поэтому атомной системой будет испускаться колебание с частотой νν.

Можно показать, что смещение



где:  – матнеток Бора,

Н – напряженность магнитного поля,

m– разность магнитных квантовых чисел.

В силу правила отбора числоm может меняться только на  1 или оставаться неизменным. Таким образом, при воздействии магнитного поля на источник света, испускаемая источником спектральная линия частоты ν расщепляется на три составляющих, средняя из которых ( при m = 0 ) остается несмещенной – имеет ту же частоту ν, а крайние (m =  1) смещаются на ν, т.е. пропорционально напряженности магнитного поля, и имеют частоты νν и νν. При этом не смещенная относительно первичной линии составляющая поляризована в направлении вектора напряженности магнитного поля, а две симметричные относительно нее составляющие поляризованы перпендикулярно вектору.

Эффект Штарка отличается от эффекта Зеемана лишь тем, что расщепление спектральных линий атомов происходит не в магнитном, а в электрическом поле.


Элементы на жидких кристаллах.

Большую конкуренцию другим материалам для оптических управляемых транспарантов и носителей информации составляют жидкие кристаллы и прежде всего из-за того, что они имеют высокую чувствительность к управляющим сигналам, отличаются хорошими оптическими и пороговыми свойствами, технологичностью изготовления многоэлементных устройств большого формата.

Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов и других сложных соединений. Они относятся к диэлектрикам и имеют удельное сопротивление 10 ⁶ – 10¹⁰Ом ˑ см.Характерная особенность – их молекулы имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину.

Жидкие кристаллы бывают трех видов, отличающихся молекулярной структурой:




В нематической структуре распределение центров масс молекул произвольно, но все молекулы вытянуты вдоль одной оси. В них наблюдается скопление вдоль длинных осей. На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический жидкий кристалл мутный для проходящего и отраженного света. С помощью внешнего электрического или магнитного поля можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.

В смектической структуре все молекулы вытянуты вдоль одной оси, образуют слой равной толщины, но расположены в слоях произвольно. Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В холестерической структуре молекулы расположены слоями, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на одинаковый угол. Распределение молекул имеет спиральный характер. Эти ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.

Жидким кристаллам характерно большое количество электрооптических явлений, но чаще других применяют эффект динамического рассеивания, твист – эффект, эффект гость – хозяин. При их рассмотрении будем учитывать тот факт, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии. Диэлектрическая анизотропия_а характеризует разницу диэлектрических постоянных  и в направлениях параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул. При _а 0 оси располагаются параллельно, а при_а – перпендикулярно электрическому полю.


Конструкция ячейки с жидким кристаллом исключительно проста:

это сэндвич,состоящий из пленки жидкого кристалла 1 толщиной порядка 10÷30 мкм между двумя электродами 2 и 3, напылёнными на стеклянных подложках и обычно прозрачными.

Эффект динамического рассеивания заключается в том, что при подаче на электроды электрического напряжения ячейка становится матовой (мутнеет) и рассеивает свет. Это обусловлено тем, что при приложении электрического поля к ЖК с _а 0 и нематической структурой через кристалл протекает слабый ток проводимости. При некотором значении этого тока, характеризуемом напряжением электродинамической неустойчивости, возникает состояние турбулентного движения, при котором дипольные взаимодействия между молекулами нематика разрываются, нарушается упорядоченность структуры, ориентация молекул приобретает хаотический характер, ЖК мутнеет. Напряжение электродинамической неустойчивости не более 5В. При этом эффекте время включения элемента составляет 50  500 мс, а выключения 150  180 мс.