Optical hysteresis in composites based on polymer - nematic liquid crystal with uniaxial deformation.pdf Введение Реализация возможностей фотоники связана с исследованием и созданием новых материалов, технологий и устройств для хранения и переработки информации на основе фотонов. Основной проблемой фотоники являются способы их управления. Она сводится к задаче управления лазерным лучом и имеет многочисленные потенциальные применения в таких областях, как устройства с оптической адресацией, корректоры фронта волны и др. Одним из интересных способов управления потоками фотонов является использование оптических свойств полимерно-жидкокристал¬ли¬ческих композитов (ПЖКК) [1, 2]. Эффекты, происходящие на границе раздела двух сред, имеют весьма специфические проявления, если одна из них жидкокристаллическая (ЖК). Наиболее яркой особенностью таких явлений является способность сравнительно слабых сил поверхностного сцепления ориентировать не только приграничные молекулы ЖК, но и распространять свое влияние на конфигурацию директора в области, удаленной от межфазной границы на несколько десятков микрометров. Это свойство, дающее возможность создавать требуемую ориентационную структуру жидкокристаллического слоя посредством формирования соответствующих граничных условий, служит основой для функционирования всех современных ЖК-устройств. Внешнее поле переориентирует ЖК в объеме, но не изменяет структуру межфазной границы [3, 4]. После выключения поля силы поверхностного взаимодействия восстанавливают исходную конфигурацию директора в объеме ЖК. В [4, 5] в качестве переориентирующего внешнего поля была использована одноосная деформация ПЖКК. В этих работах в качестве источника фотонов применялись He-Ne-лазеры. В настоящее время вся оптоэлектроника и фотоника базируются на использовании полупроводниковых инжекционных лазеров на основе гетероструктур. Использование инжекционных лазеров имеет свои особенности, поэтому изучение оптических свойств композитов на основе ПЖКК с использованием таких лазеров является актуальной научной задачей. Другая весьма важная задача при изучении оптических свойств ПЖКК - явление оптического гистерезиса. Гистерезис электрооптического отклика холестерических жидких кристаллов изучен с точки зрения фундаментальных и прикладных аспектов [6-8]. В данном случае гистерезис определяется различием значений критического поля перехода «холестерик - нематик» при увеличении и уменьшении приложенного электрического поля. Гистерезисное поведение электрооптических характеристик было обнаружено и в капельных дисперсиях холестериков [9]. В чистых нематиках гистерезис вольт-контрастных характеристик незаметен и проявляется лишь при добавке хиральной компоненты. Для исследования нами был выбран широко известный нематический жидкий кристалл (НЖК) 4-n-гептил-4’-цианобифенил (7ЦБ), имеющий температуру перехода из нематической в изотропную фазу Тс = 45 °С. В качестве матрицы был выбран полимерный материал - поливиниловый спирт (ПВС). Данный полимер растворяется во многих органических растворителях, прозрачен в видимой области спектра, обеспечивает планарное сцепление с молекулами мезоморфных производных алкил-цианобифенилов [7]. Для приготовления образцов ПЖКК-пленок применялся метод SIPS (Solvent-Induced Phase Separation) [8]. При его использовании смесь нематика и полимера в соотношении 1:1 растворялась в дистиллированной воде. Полученный гомогенный жидкий раствор выливался на поверхность стеклянной подложки, размещенной в закрытом боксе. Средний размер капель в полученных образцах определялся скоростью испарения воды и варьировал в пределах от 2 до 40 мкм. Эмульсию ЖК в водном растворе полимера наносили на поверхность стеклянной подложки и высушивали. Полученные ПЖКК-пленки имели монослойное распределение капель нематика в объеме полимерной матрицы. Для получения одноосного растяжения изготовленную ПЖКК-пленку отделяли от подложки и растягивали в 3 раза относительно исходной длины. В данной работе представлены экспериментальные результаты исследования явления оптического гистерезиса в композитах полимер - НЖК без добавок хиральной компоненты при одноосной деформации. Использована экспериментальная установка, особенностью которой является то, что в качестве источника фотонов применялся инжекционный лазер на основе напряженных гетеронаноструктур [10-12]. Эксперимент На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки для исследования оптических свойств ПЖКК с указанием названия каждого элемента и ее функции. Экспериментальная установка работает следующим образом. Инжекционное излучение лазера после оптического коллиматора преобразуется в параллельные лучи и направляется на исследуемую пленку, которая с двух концов закреплена на специальную присадку, способствующую плавному одноосному растяжению композита. Присадка обеспечивает измерения относительного растяжения композита. При одноосной деформации композитной пленки происходит переориентация молекул ЖК вдоль оси растяжения и в результате изменяется коэффициент оптического пропускания объекта. Изменение интенсивности этого луча измеряется фотоприемником. Оптическая система поляризатор - анализатор используется для контроля изменения степени поляризации лазерного луча. Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования оптических свойств композитов на основе полимер - НЖК: 1 - полупроводниковый инжекционный лазер на основе гетероструктур InGaAsP/AlGaAs; 2 - оптический коллиматор лазерного луча; 3 - ПЖКК на основе нематического жидкого кристалла 4-n-гептил-4’-цианобифенил; 4, 5 - анализатор; 6 - фотоприемник; 7 - компьютер; 8 - регулируемый блок питания инжекционного лазера Результаты Были проведены исследования относительно проявления оптического гистерезиса композитных пленок на основе НЖК 4-n-гептил-4’-цианобифенил, капсулированного в матрице полимера (ПВС) при одноосной деформации. Результатами измерений явилась зависимость изменения оптической мощности проходящего через композит лазерного излучения от величины относительной одноосной деформации пленки. На рис. 2 и 3 иллюстрированы зависимости оптической мощности лазерного излучения после прохождения через пленки композита от величины относительной одноосной деформации пленки в случае растяжения и сжатия при различных температурах окружающей среды (рис. 2 при температуре 32 °С, рис. 3 при температуре 40 °С). Рис. 2. Зависимость проходившей оптической мощности полупроводникового инжекционного лазера на основе гетероструктур InGaAsP/AlGaAs от величины относительной деформации ПЖКК на основе НЖК 7ЦБ для ортогональной составляющей поляризации в прямом ( ) и обратном (○) направлениях деформации при температуре 32 °С Рис. 3. Аналогично рис. 2 при температуре 40 °C Обсуждение Известно [13], что с помощью полимерных пленок с анизотропией поглощения света можно управлять интенсивностью и поляризацией света. Однако при достаточно больших мощностях лазерного излучения из-за поглощения света полимером происходит деструкция полимерной матрицы. Для уменьшения влияния этого эффекта применяются полимерно-жидкокристаллические композиты на основе нематического жидкого кристалла 4-циано-4N-гептилбифенил. Экспериментальная установка, приведенная на рис. 1, позволяет исследовать оптические свойства композитных материалов при одноосной деформации и одновременно контролирует состояние поляризации источника излучения. Из рис. 2 и 3 следует, что при одноосной деформации ПЖК на основе НЖК 4-n-гептил-4’-цианобифенил коэффициент оптического пропускания лазерного излучения изменяется. При двукратном растяжении пленки толщина образца уменьшается, соответственно интенсивность проходившего лазерного излучения начинает увеличиваться. Физическим механизмом роста светопропускания исследуемых пленок считается формирование неоднородного поверхностного сцепления между молекулами ЖК на границе раздела двух сред (ПВС - НЖК). Измерение мощности излучения в ортогональных и параллельных плоскостях показывает, что после прохождения сквозь пленки лазерный луч становится линейно-поляризованным. Начиная с определенного значения величины одноосного растяжения зависимость интенсивности проходившего лазерного луча будет постоянной и начиная с этой точки произведено измерение в обратном направлении одноосной деформации. Как видно из рис. 2 и 3, кривые в прямом и обратном направлениях не совпадают и наблюдается петля гистерезиса интенсивности лазерного излучения. Наблюдаемый эффект связан с релаксационными процессами ориентации молекул НЖК. Отметим, что при приложении электрического поля на пленки нематика явление петли гистерезиса интенсивности лазерного излучения не наблюдается. Из рис. 2 и 3 также следует, что природа кривых при выбранных нами температурах не меняется. Выводы Известно, что явление оптического гистерезиса в холестериках широко применяется как элемент статической памяти для записи, длительного хранения информации и переключателей бистабильных состояний. Экспериментальные результаты данной работы указывают на то, что НЖК также можно использовать для этих целей. В этом случае внешнее управление оптическими свойствами НЖК осуществляется с помощью одноосной деформации. Предложена установка для исследования явления оптического гистерезиса в полимерно-жидкокристаллических композитах. Указано применение таких пленок с обнаруженным эффектом в качестве элемента статической памяти для записи и длительного хранения информации, а также переключателей бистабильных состояний.

Скачать электронную версию публикации