Модулятор оптического излучения

.Г.Г . ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СВИДЕТЕЛЬСТВ АВТОР, где и -еля пре-- длина Управля- потенцири этом одной иэиз фото ого ори ий могут 3 з.п. фях которых расположены управля- лы, 3 ил. о кри- ктро(21) 4949696/25(71) Физический институт им. П,Н.Лебедева (72) И.Н.Компанец, А.Л.Андреев, А.В,Парфенов, Е.П.Пожидаев и В.Г.Чигринов (56) 1 аЬгоп 1 е 6, ес а 1, Меп)ас 1 с 3.1 ро 1 б Сгузсэ 1 1024 В 1 сз Раре Соп)розег, Арр. Орс., 1974, ч.13, М б, р.1355 - 58.СагК Н.А, ес а 1, Реггоеессг 3 с 3 1 роб Сгузса 3 Е 3 ессго-Орс 1 сз Оз 1 пд ЗогЕасе ЯсаЫ 3 геб Ясгоссоге, Мо 1. Сгузса 3 з .1 р. Сгузса 1 з, 1983, ч,94, 3 Ф 1-2, р.р.213 - 233.(54) МОДУЛЯТОР ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(57) Область применения; изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для создания дисплеев. Сущность: модулятор оптического излучения содержит электрооптическую ячейку из двух прозрачных подложек, на внутренних поИзобретение относится к оптоэлектронике 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.3 - конструкция, в которой один из электродов выполнен из фотопроводящего материала.Цифрами и буквами на чертеже и далее в тексте обозначены: ющие 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 геликонда перпендикулярна плоскостям подложек, а толщина б слоя и материал жидкого кристалла выбраны так,что шаг геликоида 3 = - , а п 3б4 эффективная анизотропия показатломления жидкого кристалла,волны модулируемого излучения,ющие электроды создают падениеала в плоскости подложек, Пэлектроды могут располагаться наподложек, могут быть выполненыпроводящего материала, а оси легкентирования энизотропных покрытбыть перпендикулярны друг другу. 1,2 - прозрачные подложки;3,4 - ориентирующие покрытия;5 - смектический жидкий кристалл; б, 7,6, 7 - электроды;8 - источник напряжения;9 - фотопроводящий материал; А - считывающее оптическое излучение; В - промодулировэнное 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 жидког сталлэ 5, на подложках размещены эледы б,б и 7,7, подключенные к разным гюлюсэм источника напряжения 8, на одной из подложек (2 нэ фиг.3) расположен фотопроводящий материал 9, Модулируемый поток А падает нэ входную подложку 1, а промодулироеэнный поток В выходит со стороны подложки 2,Модулятор работает следующим образом, Слой жидкого кристалла 5, будучи ориентирован гомеотропно, т.е. так, что ось геликоидэ 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 повернутой плоскостью поляризации. Причем в случае, когда шаг геликоида удовлетворяет условию п А, возникает волноводный режим, в котором угол поворота плоскости поляризации 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 плоскостью поляризации совпадающей с направлением директоре 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 разворота молекул жидкого кристалла нв входной и выходной подложках 1 и 2. Естественно, максимальный контраст и максимальная глубина эфдплитудной 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 ячейке должно выполняться соотношение:б=4,где б - толщина слоя жидкого кристалла,- длина шага геликоида жидкого кристалла, Таким образом в невозмущенном состоянии модулятор с описанными выше условиями нэ толщину, шагом геликоида жидкого кристалла, оптическую анизотропию и т.д. будет обладать свойством оптической гиротропии с углом гиротропии не 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зависящим от толщины слоя жидкого кри. сталла.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, э 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 приобретэе 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 пропуска ние 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 соотношениемТ= эи (2 лоб/4где п, б, Я имеют смысл указанный выше.Были проведены испытания модулятора, выполненного по данному техническому предложению, Модулятор использоеал однокомпонентный жидкий кристалл с интервалом смектической хиральной наклонной фазы от 22 до 49 С, Угол наклона составлял 29 при 40 С, шаг геликоида (в обьемном образце) составлял 10,3 мкм, спонтанная поляризация 110 нК/см . Кристалл поме гщался между двумя стекляными подложками, на поверхность одной из которых была нанесена система встречно-штыревых электродов с шагом 800 мкм Толщк 1 ч сл)ч ж 1 д5 10 15 20 25 30 35 40 45 50кого кристалла 5 задавалэсь с помощью прокладок и составляла 5 мкм. Оптические свойства модулятора (наблюдались в поляризационный микроскоп типа ПОЛАМ-Р 111) демонстрировали наличие вращения плоскости практически на 900, т,е. ячейки, было максимальным(около 70-80)ь) при исходно скрещенных поляризаторах, оставаясь таким при любом повороте модулятора в неподвижных поляризаторах микроскопа.При подаче напряжения пропускание падает (в лучших случаях до 1-56), причем естественно пропускание в этом состоянии зависит от положения директора молекул деформированного электрическим полем жидкого кристалла относительно поляризаторов, что проявлялось в периодическом изменении пропускания ячейки при ее вращении в неподвижнйх скрещенных поляризаторах. Другими словами, ячейка в этом состоянии вела себя как двулучепреломляющая 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 включенном и в выключенном состояниях - модулятор полностью ахроматичен для поляризованного света.Были проведены измерения зависимости оптического пропускания от величины поданного напряжения, Глубина модуляции близкая к максимально возможной (0,85) достигалась 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 поверхностно 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 энергией 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.З). 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 фотопроводящего материала эквипотенцивльна. Однако при проекции на структуру изображения нв 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 исгпользовании В 1 г 9 Ого в качестве фотопроводящего 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 иэ органического вещества. полимеризуют их и натирают, в зазор между натертыми поверхностями подложек заливают жидкий кристалл натирание покрытий производят для обеих подложек во взаимно перпендикулярных направлениях, после чего уменьшают смачиваемость поверхностей подложек путем погружения их в раствор поверхнОстно-активного 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения глубины модуляции, анизотропные покрытия ориентированы так, что смектические слои жидкого крИсталла параллельны плоскостям подложек, а ось геликоида жидкого кристалла расположена перпендикулярно плоскостям подложек, приэтом толщина слоя б и материал жидкогокристалла выбраны так, что шаг геликоидажидкого кристалла - 4, а п А,б1824621 ФИГ.2 где и - эффективная аниэотропия покаэателя преломления жидкого кристалла,Я. - длина волны модулируемого излучения, а управляющие электроды выполнены так, что соэдают падение потенциала в плоскости подложек.2. Модулятор по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что управляющие электроды расположены по крайней мере на одной иэ подложек, а источник питающего напряжения обоими полюсами подключен к электродам на одной иэ подложек.3. Модулятор по п.1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что управляющие электроды 5 выполнены иэ фотопроводящего материалапо крайней мере на одной иэ подложек.4. Модулятор по пп.1-3, о т л и ч а ющ и й с я тем, что аниэотропные покрытия выполнены так, что оси легкого ориентиро вания на обеих подложках перпендикулярны друг другу.1824621 2 Составитель А. ПарфеновТехред М.Моргентал КорректОр И, Шулла дактор Заказ 2225 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета до изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 К Производственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород, ул.Гагарина, 1