Оптически управляемые модуляторы света с большим фотоиндуцированным фазовым набегом
УДК 544.25, 535.5
ОПТИЧЕСКИ управляЕМЫЕ МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА С БОЛЬШИМ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫМ ФАЗОВЫМ НАБЕГОМ
© 2011 г.
Л. П. Амосова, канд. физ.-мат. наук; М. Н. Волкова
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: l_amosova@mail.ru
Изготовлены и исследованы оптически управляемые жидкокристаллические пространственные модуляторы света с высокой чувствительностью к записывающему и злучению и максимальным фазовым набегом до 7p. Этот набег полностью реализуется при управлении пропусканием структур как светом, так и электрическим полем.
Ключевые слова: оптически управляемый1 жидкокристаллический пространственный модулятор света, сенситометрическая характеристика, фазовый набег, аморфный фотопроводник, халькогенидный стеклообразный фотопроводник.
Коды OCIS: 230.3720, 160.3710.
Поступила в редакцию 04.03.2011.
Введение
Многие экспериментаторы, работающие с оптически управляемыми жидкокристаллическими пространственными модуляторами света (ОУ ЖК ПМС) с чисто фазовой модуляцией, сталкивались с ситуацией, когда полный возможный фазовый набег, который определяется оптической толщиной слоя нематического жидкого кристалла (ЖК), не может быть получен посредством только светового управления при фиксированном напряжении смещения. Тем не менее, практический интерес представляет величина именно фотоиндуцированного, а не электрически индуцированного фазового набега, который можно легко получить, взяв достаточно большую оптическую толщину (dΔn) ЖК и подав на него соответствующее напряжение. Фотоиндуцированный фазовый набег – это разница между фазовым набегом на освещенных и темных участках рабочего поля модулятора в параллельно ориентированных структурах.
Принципы работы ОУ ЖК ПМС подробно описаны в ранних публикациях по этой тематике [1, 2]. Собственно на молекулы ЖК в любом случае воздействует электрическое поле. Управление светом заключается в перераспределении внешнего управляющего напряжения между слоями фотопроводника (ФП) и ЖК, так
1 В англоязычной научно-технической литературе и спользуется термин optical addressed.
как сопротивление ФП при освещении падает на 2–3 порядка по сравнению с темновым. М ожет вносить свой вклад и фотоэдс, возникающая при засветке ФП на межфазной границе ФП–ЖК. Оптимальный режим питания зависит от свойств каждой конкретной структуры, однако управляющие напряжения существенно ниже, чем для электроуправляемых ячеек. При подаче на ОУ ЖК ПМС напряжения в несколько десятков вольт молекулы ЖК под действием управляющего электрического поля будут поворачиваться одновременно на светлых и на темных участках рабочего поля и структура будет работать как электроуправляемая.
Поскольку параллельно ориентированные (фазовые) ОУ ЖК ПМС изготавливались главным образом для записи на них динамических голограмм, исследование их оптических характеристик проводилось по голографической методике. Основной модуляционной характеристикой ОУ ЖК ПМС является сенситометрическая кривая, представляющая собой зависимость модулируемого параметра от интенсивности или энергии экспозиции записывающего света [1]. Аналогом этой характеристики при голографическом исследовании является зависимость дифракционной эффективности записываемой синусоидальной решетки от мощности одного из двух интерферирующих записывающих пучков.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
69
Однако в общем случае сенситометрическая
кривая для модуляторов с достаточно боль-
шой оптической толщиной представляет собой
лишь кусочек полной модуляционной кривой,
снятый при каком-то фиксированном напря-
жении питания. Чтобы получить полную кар-
тину, приходилось изменять одновременно два
параметра – интенсивность записывающего
света и напряжение, т. е. снимать семейство
сенситометрических кривых (или зависимо-
стей дифракционной эффективности от мощ-
ности записи), каждая из которых соответство-
вала определенному напряжению. При этом
изменение дифракционной эффективности на
каждой конкретной кривой соответствовало
фазовому набегу не более 3π на длине волны
счит ывания 814 нм [3, 4]. Увеличение толщи-
ны ЖК только усиливало разрыв между фото
индуцированным фазовым набегом и набегом,
создаваемым в этих же структурах внешним
напряжением. Была поставлена задача изго
товления структуры, в которой весь возмож-
ный фазовый набег мог бы быть реализован по-
средством светового управления.
Хорошо известен вид зависимости пропуска-
ния от напряжения, приложенного к структуре
при фиксированной мощности записывающе-
го излучения, представляющей собой осцил-
лирующую функцию (рис. 1). При изменении
мощности записывающего излучения от вызы-
вающей фототок насыщения в ФП и выше вид
зависимости не меняется. С уменьшением мощ-
ности записывающего излучения ниже уровня
насыщения фототока в ФП экстремумы будут
сдвигаться в сторону бо′льших напряжений,
не меняя своей амплитуды вплоть до мощно-
сти записи, соответствующей чувствительно-
сти структуры по максимальному контрасту.
Эквивалентная электрическая схема ОУ ЖК
ПМС в первом приближении может быть пред-
ставлена последовательно соединенными со
противлениями ФП и ЖК, зашунтированными
соответствующими емкостями [1, 5]. В наибо-
лее простом случае, при питании ОУ ЖК ПМС
постоянным напряжением, эту схему можно
свести к двум последовательным сопротивле
ниям. Тогда напряжение на слое ЖК в стацио-
нарном режиме можно записать следующим
образом [6]:
UÆÊ
=
1+
U
dÔÏ σÆÊ dÆÊσÔÏ
,
(1)
где dФП и dЖК – толщины слоев ФП и ЖК, а
σФП и σЖК – их проводимости. Изменение про-
водимости ФП под действием записывающего излучения обычно описывается степенной зависимостью [7]
σÔÏ = σÔÏ, òåìí + aIα,
(2)
где σÔÏ, òåìí – темновая проводимость ФП, I – интенсивность записывающего излучения, а, α – параметры ФП.
В соответствии с (1) и (2) напряжение на слое ЖК будет зависеть от интенсивности записы вающего излучения следующим образом:
UÆÊ (I) =
1+
p
U
σÆÊ σÔÏ, òåìí + aIα
,
(3)
где p = dФП/dЖК. Чтобы сенситометрическая кривая структу-
ры (зависимость пропускания от мощности записывающего излучения при фиксированном напряжении, соответствующем последнему экстремуму на кривой пропускания на рис. 1) по форме повторяла зависимость пропускания
I, отн. ед.
(а)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 1 2 3 4 U, В
I, отн. ед.
(б)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 1 2 3 U, В
Рис. 1. Зависимость пропускания считывающего излучения от прикладываемого напряжения для модуляторов с толщиной слоя ЖК 13 (а) и 23 мкм (б). Мощность записывающего излучения 80 мкВт/см2.
70 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
от напряжения, необходимо, чтобы при уменьшении освещенности все “лишнее” напряжение падало на ФП, а при полном выключении засветки на слой ЖК приходилось лишь напряжение, не превышающее порог Фредерикса. Если слои ФП рыхлые и непрочные, ориентировать ЖК можно только косым напылением окисла, что в любом случае обеспечивает достаточно большой начальный угол наклона директора ЖК. Тогда порог Фредерикса отсутствует – ориентация молекул начинает меняться при любом отличном от нуля значении напряжения. В этом случае “порог чувствительности” фактически является порогом чувствительности измерительного прибора. “Чувствительность по максимальному контрасту” соответствует мощности записи, при которой достигается первый максимум сенситометрической кривой. При более низкой мощности ухудшается контрастное отношение записыв аемого изображения (отношение минимального пропускания к максимальному). Отсюда вытекают основные требования к ФП: очень высокое темновое сопротивление и высокая чувствительность к записывающему излучению (отношение темнового тока к фототоку насыщения должно составлять не менее трех порядков). С другой стороны, слой ЖК должен обладать высокой чувствительностью по напряжению, т. е. его полная переориентация должна наступать при сравнительно небольших напряжениях, при которых сохраняются малый темновой ток и, соответственно, высокая чувствительность ФП. В данной работе мы попытались количественно оценить параметры слоев модуляторов, отвечающих выдвинутым требованиям, и изготовить такие структуры.
Результаты и обсуждения
Для исследования были изготовлены ОУ ЖК ПМС просветного типа с фотослоем из халькогенидного стеклообразного фотопроводника системы мышьяк – селен As10Se90, имеющим максимум спектральной чувствительности на длине волны 460 нм [7]. Данный фотопроводник обладает очень высоким удельным сопротивлением, достигающим 1014 Ом см, что сочетается с рекордно высокой чувствительностью к излучению записи. Высокой чувствительности модуляторов способствует отсутствие емкостных токов при постоянном питании. В этом случае фототок используется с максимальной эффективностью и вызывает максимальное
приращение напряжения на слое ЖК. Толщина слоя ФП составляла 1 мкм. При этом чувствительность к красному свету у данного ФП на два порядка ниже, чем к синему. Это позволяет все измерения проводить в видимом диапазоне спектра при условии, что мощность считывающего излучения существенно ниже мощности записи. В нашем случае мощность красного считывающего света не превосходила 10 мкВт/см2. В принципе, небольшое превышение порога чувствительности ФП считывающим излучением не приводит к существенной погрешности. Эта мощность просто будет суммироваться с мощностью записывающего света с поправочным коэффициентом, отражающим спектральную чувствительность ФП. Таким образом, все наши кривые, сохраняя свою форму, будут незначительно сдвигаться по оси абсцисс влево: на рис. 1 – в сторону меньших питающих напряжений, на рис. 2 – в сторону меньших мощностей излучения записи.
Для измерения модуляционных характеристик ОУ ЖК ПМС проекционным методом использовалась стандартная оптическая схема, включающая в себя источники и приемники записывающего и считывающего излучения, селективное полупрозрачное диэлектрическое зеркало для разделения записывающего и считывающего лучей, поляризаторы, источник питания модулятора. Модуляторы с халькогенидными фотослоями питались по стоянным напряжением, что упрощало процедуру измерения, позволяя использовать для контроля слабого прошедшего сигнала селективное усиление. Для этого считывающий сиг нал модулировался механическим прерывателем с заданной частотой и регистрировался фотоэлектронным умножителем, на выходе которого стоял селективный вольт метр, нас троенный на данную частоту. В качестве источника записывающего излучения использовалась лампа накаливания, снабженная конденсором и синим фильтром СС-8. Накал лампы в процессе измерений изменялся, а мощность записывающего излучения контролировалась. Диаметр пятна записывающего излучения составлял 2 см. Считывание проводилось полупроводниковым красным лазером (λ = 0,65 мкм, диаметр пятна 2 мм), излучение которого ослаблялось до нужного уровня нейтральными фильтрами. Стенд находился в темной комнате, а исследуемый модулятор дополнительно помещался в светозащитный кожух.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
71
Были изготовлены и исследованы модуляторы с толщиной ЖК-слоя 13 и 23 мкм. Исполь зовался ЖК 1282, обладающий сравнительно небольшим коэффициентом двулучепреломления (Δn = 1,7), но надежно ориентирующийся методом косого напыления окислов. Начальные углы наклона директора оценивались методом, описанным в [8], и составляли около 40°. Несмотря на большие начальные углы наклона директора, чувствительность м одуляторов по напряжению была довольно высокой из-за слабого сцепления ЖК с ориентирующим слоем. Последнее в нашем случае очень важно, поскольку не существует таких ФП, в которых увеличение напряжения не приводило бы к росту темнового тока ФП и, соответственно, к потере чувствительности. Желательно, чтобы полная переориентация ЖК наступала при как можно более низких напряжениях. При этом падение напряжения на слое ЖК при полной засветке должно составлять не менее 90% от полного напряжения, прикладываемого к структуре. Для халькогенидов это условие выполняется, если учесть, что толщина слоя ЖК в 10–20 раз превышает толщину ФП, а удельное сопротивление используемого нами ЖК находится в пределах 1010–1011 Ом см.
На рис. 1 представлены зависимости относительного пропускания модуляторами счи тывающего света от напряжения при фиксированной мощности записывающего излучения, заведомо обеспечивающей фототок насыщения в ФП. В этом случае большая часть прикладываемого напряжения падает на слое ЖК и модулятор ведет себя как электроуправляемая ячейка. Интенсивность света I, прошедшего через модулятор, расположенный между поляризатором и скрещенным с ним анализатором, зависит от фазовой задержки ∆Φ и угла β между вектором поляризации падающего луча и исходным направлением директора ЖК [9] и может быть выражена как
I = I0sin22βsin2(∆Φ/2),
(4)
где I0 – интенсивность падающего излучения. Максимальное пропускание излучения, падающего нормально к плоскости ЖК-ячейки, можно получить, когда угол между вектором поляризации падающего луча и исходным направлением директора ЖК согласно формуле (4) соответствует β = 45°. При подаче на электроды ЖК-ячейки напряжения происходит переориентация молекулярных диполей в
электрическом поле. Угол наклона директора θ(U, z) относительно нормали к поверхности подложки уменьшается с ростом напряжения. Это приводит к изменению двулучепреломления от максимального значения для S-эффекта в отсутствие электрического поля до минимума в результате переориентации молекул нормально относительно поверхности подложек. Зависимости пропускания от напряжения для ЖК-ячеек представляют собой осциллирующие кривые с постоянной амплитудой колебания, где разность фаз между соседними максимумом и минимумом составляет π.
Разность фаз ∆Φ для монохроматического света с длиной волны λ связана с изменением показателя преломления соотношением [9]
∆Φ = 2pd∆n/λ.
(5)
В (5) текущее значение разности показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей Δn = n(z) – n0 зависит от напряжения через изменение угла наклона директора. С увеличением напряжения наблюдается замедленное уменьшение эффективного значения коэффициента n(z), в пределе стремя щегося к n0. Последние осцилляции пропускания сильно растянуты вдоль оси напряжений, поскольку силы сцепления молекул ЖК с ориентирующим слоем превосходят силы их сцепления друг с другом. Кроме того, при повороте диполей рычаг воздействия электрического поля уменьшается. Поэтому условно принято считать положением последнего максимума н апряжение, при котором пропускание достигает 90% максимального значения.
Представленные на рис. 1 зависимости снимались при положительной полярности напряжения питания на ФП. При перемене полярности сразу начинается рост пропускания, т. е. начальный участок зависимости отсутствует и график начинается с третьей точки. Реально минимум пропускания наблюдается в отсутствие засветки и напряжения (вторая точка – это фактический ноль на ЖК, соответствующий минимуму пропускания). Первый минимум пропускания может наблюдаться или не наблюдаться в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. Таким образом, можно оценить величину фотоэдс – она составляет около 0,1 В. Тот факт, что фотоэдс возникает на границе раздела ФП – ЖК и приложена только к слою ЖК, а внешнее напря жение прикладывается ко всей структуре в целом, не вносит значительной погрешности,
72 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
I, отн. ед.
(а)
0,8 0,6
0,4
0,2
0 0 100 200 300
I, отн. ед.
(б)
0,8 0,6
0,4 0,2
0
0 100 200 300
P, мкВт/см2
Рис. 2. Зависимость пропускания считывающего излучения от мощности записывающего излучения для модуляторов. а – толщина ЖК 13 мкм, U = 4,5 В; б – толщина ЖК 23 мкм, U = 3,5 В.
потому что при полной засветке свыше 95% напряжения падает на слое ЖК. Данное утверждение следует из анализа сенситомет рических кривых, изображенных на рис. 2.
Напряжения питания, при которых снимались кривые, изображенные на рис. 2, близки к последним экстремумам пропускания на кривых на рис. 1 и составляют 3,5 и 4,5 В для толщин ЖК 23 и 13 мкм соответственно. То, что в отсутствие засветки не всегда наблюдается минимум пропускания, связано с падением части напряжения на ЖК: темновое сопротивление ФП не бесконечно. По начальному пропусканию в отсутствие засветки можно оценить отношение сопротивлений слоев ЖК и неосвещенного ФП. Для ЖК-слоя толщиной 23 мкм начальное пропускание 13% от максимального наблюдается, когда на ЖК приходится напряжение порядка 0,11 В, что в 30 раз меньше всего напряжения, приложенного к структуре (3,5 В). С учетом разницы толщин слоев ЖК и ФП отношение их удельных сопро-
тивлений будет около 1:700 (3). Что касается тонкого модулятора, то пропускание в отсутствие засветки имеет минимум. Это значит, что приходящаяся на ЖК доля внешнего приложенного напряжения (4,5 В) приблизительно равна фотоэдс, т. е. чуть менее 0,1 В. Таким о бразом, напряжения на ФП и ЖК различаются примерно в 50 раз, что с учетом толщины слоев опять дает отношение удельных прово димостей, близкое к 1:700.
По предварительным оценкам с исполь зованием пленочных поляризаторов исследованные структуры обладали контрастом не хуже, чем 100:1, что является вполне удовлетворительным результатом для параллельно ориентированных оптически управляемых модуляторов. Контрастное отношение было одинаковым для сенситометрической зависимости и для зависимости пропускания от напряжения.
Что касается зависимости параметров модуляторов от толщины слоев ЖК, то, помимо прямой пропорциональности фазового набега геометрической толщине (5), следует отметить следующие особенности:
1) положения первых минимумов на зависимостях пропускания от напряжения (рис. 1) для структур с одинаковыми ФП совпадают, так как величина фотоэдс не зависит от толщины слоя ЖК;
2) при подаче близкого по значению напряжения в отсутствие засветки структуры с более тонкими слоями ЖК демонстрируют меньшее пропускание, поскольку на них приходится меньшая доля внешнего напряжения (рис. 2);
3) напряжения, при которых в исследованных структурах достигается последний экстремум, не зависят от толщины ЖК-слоя, при этом положения экстремумов более низких порядков для тонких ячеек сдвинуты в сторону бо′льших напряжений (рис. 1) либо мощностей записывающего излучения (рис. 2) и кривые пропускания оказываются растянутыми вдоль оси абсцисс.
Кривые зависимости фазового набега от напряжения и засветки (рис. 3 и 4) для модуляторов с различной толщиной слоя ЖК наглядно демонстрируют зависимость чувствительности структур от толщины. Чем толще слой, тем на меньший угол нужно повернуть молекулы ЖК, чтобы получить тот же самый фазовый набег, тем меньшее электрическое поле или засветка для этого требуются. Таким образом, чувствительность по максимальному контрасту, соответствующая фиксированному фазовому набе-
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
73
8
DF/p
6
1
42
2
0
0 1 2 3 4 U, В Рис. 3. Зависимость фазового набега от напряжения питания модуляторов при интенсивности засветки, вызывающей ток насыщения. 1 – толщина ЖК 23 мкм; 2 – толщина ЖК 13 мкм.
8
DF/p
6
4
1 2
2
0
0
100 200
300 400
P, мкВт/см2
Рис. 4. Зависимость фазового набега от мощности записывающего излучения. 1 – толщина ЖК 23 мкм, U = 3,5 В; 2 – толщина ЖК 13 мкм, U = 4,5 В.
гу π, у толстых ячеек выше, чем у тонких: она составляет 6,6 и 13,2 мкВт/см2 для структур
стью и бо′льшим быстродействием, позволяющим работать на переменном напряжении. По-
с толщиной слоя ЖК, равной 23 и 13 мкм соот- скольку под переменным напряжением здесь
ветственно.
подразумевается низкочастотный меандр, то
Что касается пороговой чувствительности емкостное сопротивление структур с таки-
к записывающему излучению, она определя- ми фотослоями должно оставаться достаточ-
ется главным образом свойствами ФП-слоя и но большим. Что касается чувствительности,
межфазной границы ФП–ЖК и от толщины аморфные полупроводники IV группы облада-
ЖК практически не зависит. Пороговая чув- ют еще и тем преимуществом перед халькоге-
ствительность обеих структур составляла около нидами, что имеют достаточно чистую запре-
1 мкВт/см2.
щенную зону, допускающую легирование и, со-
ответственно, создание фотодиодных структур,
Заключение
чувствительность которых всегда выше по сравнению с чувствительностью фотосопротивления.
Проведенные исследования доказывают прин-
Кроме того, на практике обычно не ставит-
ципиальную возможность изготовления ОУ ся задача реализации непременно всего потен
ЖК ПМС с фотоиндуцированным фазовым на- циала какой-то конкретной структуры. Если
бегом 7π и более. Вопрос заключается в под- требуется получить с помощью светового управ-
боре фотопроводника с достаточными темно- ления фазовый сдвиг 7π, вполне возможно из-
вым сопротивлением и чувствительностью к готовить структуру с максимальным ΔΦ = 9π
записывающему излучению. Изготовленные и выбрать рабочую точку таким образом, что-
нами модуляторы имели фоточувствительные бы отбросить два последних экстремума. Это
слои из селенида мышьяка. Свойства этого даст существенный выигрыш и по чувстви
материала делают его удобным для лаборатор- тельности, и по рабочему напряжению. Чтобы
ных исследований, но в силу малой механиче- избежать сильного увеличения инерционности
ской прочности и высокой инерционности он при увеличении геометрической толщины слоя
не получил практического применения. С дру- ЖК, можно увеличить ΔΦ за счет использова-
гой стороны, существуют технологии, по- ния кристалла с бо′льшим Δn и ориентирующе-
зволяющие получать не только низкоомный го слоя, обеспечивающего малый начальный
аморфный гидрогенизированный кремний, угол наклона директора. Это может явиться
широко используемый для солнечных батарей, предметом дальнейших исследований после
но и очень высокоомные (вплоть до 1015 Ом см) того, как будет решена основная задача выбора
аморфные гидрогенизированные кремний и параметров ФП-слоя будущего модулятора.
карбид кремния, выгодно отличающиеся от
Работа выполнена при финансовой поддерж-
халькогенидов большей механической прочно- ке РПН 2.1.1/2166.
*****
74 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987. 320 с.
2. Владимиров Ф.Л., Моричев И.Е., Плетнева Н.И. Влияние параметров элементов на основные характеристики оптически управляемых транспарантов типа фотопроводник–жидкий кристалл // ОМП. 1985. № 5. С. 1–3.
3. Berenberg V.A., Venediktov V.Yu., Ivanova N.L., Isaev M.V., Konshina E.A., Onokhov A.P., Fedorov M.A., Chaika A.N., Feoktistov N.A. Large-aperture optically addressed spatial light modulator development // Proc. SPIE. 2005. V. 5777. P. 711–715.
4. Амосова Л.П., Чайка А.Н. Оптически управляемая структура As10Se90–жидкий кристалл с высокой чувствительностью к излучению гелий-неонового лазара // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. В. 6. С. 56–62.
5. Каманина Н.В. Применение операционного метода Лапласа к оценке быстродействия пространственновременных модуляторов света // ЖТФ. 1994. Т.64. № 1. С. 146–151.
6. Владимиров Ф.Л., Чайка А.Н., Моричев И.Е., Плетнева Н.И., Наумов А.Ф., Локтев М.Ю. Исследование модуляционных характеристик оптически управляемых транспарантов на основе структуры фотопроводник–жидкий кристалл // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 8. С. 14–19.
7. Владимиров Ф.Л., Моричев И.Е., Плетнева Н.И., Решетникова Т.О. Фотоэлектрические характеристи ки халькогенидного стеклообразного полупроводника As10Se90 // ОМП. 1985. № 6. С. 6–7.
8. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки х арактеристик жидкокристаллических ячеек оптическими методами // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 12. С. 9–13.
9. Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic effects in liquid crystal materials. New York: Springer, 1994. 464 p.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
75
ОПТИЧЕСКИ управляЕМЫЕ МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА С БОЛЬШИМ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫМ ФАЗОВЫМ НАБЕГОМ
© 2011 г.
Л. П. Амосова, канд. физ.-мат. наук; М. Н. Волкова
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: l_amosova@mail.ru
Изготовлены и исследованы оптически управляемые жидкокристаллические пространственные модуляторы света с высокой чувствительностью к записывающему и злучению и максимальным фазовым набегом до 7p. Этот набег полностью реализуется при управлении пропусканием структур как светом, так и электрическим полем.
Ключевые слова: оптически управляемый1 жидкокристаллический пространственный модулятор света, сенситометрическая характеристика, фазовый набег, аморфный фотопроводник, халькогенидный стеклообразный фотопроводник.
Коды OCIS: 230.3720, 160.3710.
Поступила в редакцию 04.03.2011.
Введение
Многие экспериментаторы, работающие с оптически управляемыми жидкокристаллическими пространственными модуляторами света (ОУ ЖК ПМС) с чисто фазовой модуляцией, сталкивались с ситуацией, когда полный возможный фазовый набег, который определяется оптической толщиной слоя нематического жидкого кристалла (ЖК), не может быть получен посредством только светового управления при фиксированном напряжении смещения. Тем не менее, практический интерес представляет величина именно фотоиндуцированного, а не электрически индуцированного фазового набега, который можно легко получить, взяв достаточно большую оптическую толщину (dΔn) ЖК и подав на него соответствующее напряжение. Фотоиндуцированный фазовый набег – это разница между фазовым набегом на освещенных и темных участках рабочего поля модулятора в параллельно ориентированных структурах.
Принципы работы ОУ ЖК ПМС подробно описаны в ранних публикациях по этой тематике [1, 2]. Собственно на молекулы ЖК в любом случае воздействует электрическое поле. Управление светом заключается в перераспределении внешнего управляющего напряжения между слоями фотопроводника (ФП) и ЖК, так
1 В англоязычной научно-технической литературе и спользуется термин optical addressed.
как сопротивление ФП при освещении падает на 2–3 порядка по сравнению с темновым. М ожет вносить свой вклад и фотоэдс, возникающая при засветке ФП на межфазной границе ФП–ЖК. Оптимальный режим питания зависит от свойств каждой конкретной структуры, однако управляющие напряжения существенно ниже, чем для электроуправляемых ячеек. При подаче на ОУ ЖК ПМС напряжения в несколько десятков вольт молекулы ЖК под действием управляющего электрического поля будут поворачиваться одновременно на светлых и на темных участках рабочего поля и структура будет работать как электроуправляемая.
Поскольку параллельно ориентированные (фазовые) ОУ ЖК ПМС изготавливались главным образом для записи на них динамических голограмм, исследование их оптических характеристик проводилось по голографической методике. Основной модуляционной характеристикой ОУ ЖК ПМС является сенситометрическая кривая, представляющая собой зависимость модулируемого параметра от интенсивности или энергии экспозиции записывающего света [1]. Аналогом этой характеристики при голографическом исследовании является зависимость дифракционной эффективности записываемой синусоидальной решетки от мощности одного из двух интерферирующих записывающих пучков.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
69
Однако в общем случае сенситометрическая
кривая для модуляторов с достаточно боль-
шой оптической толщиной представляет собой
лишь кусочек полной модуляционной кривой,
снятый при каком-то фиксированном напря-
жении питания. Чтобы получить полную кар-
тину, приходилось изменять одновременно два
параметра – интенсивность записывающего
света и напряжение, т. е. снимать семейство
сенситометрических кривых (или зависимо-
стей дифракционной эффективности от мощ-
ности записи), каждая из которых соответство-
вала определенному напряжению. При этом
изменение дифракционной эффективности на
каждой конкретной кривой соответствовало
фазовому набегу не более 3π на длине волны
счит ывания 814 нм [3, 4]. Увеличение толщи-
ны ЖК только усиливало разрыв между фото
индуцированным фазовым набегом и набегом,
создаваемым в этих же структурах внешним
напряжением. Была поставлена задача изго
товления структуры, в которой весь возмож-
ный фазовый набег мог бы быть реализован по-
средством светового управления.
Хорошо известен вид зависимости пропуска-
ния от напряжения, приложенного к структуре
при фиксированной мощности записывающе-
го излучения, представляющей собой осцил-
лирующую функцию (рис. 1). При изменении
мощности записывающего излучения от вызы-
вающей фототок насыщения в ФП и выше вид
зависимости не меняется. С уменьшением мощ-
ности записывающего излучения ниже уровня
насыщения фототока в ФП экстремумы будут
сдвигаться в сторону бо′льших напряжений,
не меняя своей амплитуды вплоть до мощно-
сти записи, соответствующей чувствительно-
сти структуры по максимальному контрасту.
Эквивалентная электрическая схема ОУ ЖК
ПМС в первом приближении может быть пред-
ставлена последовательно соединенными со
противлениями ФП и ЖК, зашунтированными
соответствующими емкостями [1, 5]. В наибо-
лее простом случае, при питании ОУ ЖК ПМС
постоянным напряжением, эту схему можно
свести к двум последовательным сопротивле
ниям. Тогда напряжение на слое ЖК в стацио-
нарном режиме можно записать следующим
образом [6]:
UÆÊ
=
1+
U
dÔÏ σÆÊ dÆÊσÔÏ
,
(1)
где dФП и dЖК – толщины слоев ФП и ЖК, а
σФП и σЖК – их проводимости. Изменение про-
водимости ФП под действием записывающего излучения обычно описывается степенной зависимостью [7]
σÔÏ = σÔÏ, òåìí + aIα,
(2)
где σÔÏ, òåìí – темновая проводимость ФП, I – интенсивность записывающего излучения, а, α – параметры ФП.
В соответствии с (1) и (2) напряжение на слое ЖК будет зависеть от интенсивности записы вающего излучения следующим образом:
UÆÊ (I) =
1+
p
U
σÆÊ σÔÏ, òåìí + aIα
,
(3)
где p = dФП/dЖК. Чтобы сенситометрическая кривая структу-
ры (зависимость пропускания от мощности записывающего излучения при фиксированном напряжении, соответствующем последнему экстремуму на кривой пропускания на рис. 1) по форме повторяла зависимость пропускания
I, отн. ед.
(а)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 1 2 3 4 U, В
I, отн. ед.
(б)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 1 2 3 U, В
Рис. 1. Зависимость пропускания считывающего излучения от прикладываемого напряжения для модуляторов с толщиной слоя ЖК 13 (а) и 23 мкм (б). Мощность записывающего излучения 80 мкВт/см2.
70 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
от напряжения, необходимо, чтобы при уменьшении освещенности все “лишнее” напряжение падало на ФП, а при полном выключении засветки на слой ЖК приходилось лишь напряжение, не превышающее порог Фредерикса. Если слои ФП рыхлые и непрочные, ориентировать ЖК можно только косым напылением окисла, что в любом случае обеспечивает достаточно большой начальный угол наклона директора ЖК. Тогда порог Фредерикса отсутствует – ориентация молекул начинает меняться при любом отличном от нуля значении напряжения. В этом случае “порог чувствительности” фактически является порогом чувствительности измерительного прибора. “Чувствительность по максимальному контрасту” соответствует мощности записи, при которой достигается первый максимум сенситометрической кривой. При более низкой мощности ухудшается контрастное отношение записыв аемого изображения (отношение минимального пропускания к максимальному). Отсюда вытекают основные требования к ФП: очень высокое темновое сопротивление и высокая чувствительность к записывающему излучению (отношение темнового тока к фототоку насыщения должно составлять не менее трех порядков). С другой стороны, слой ЖК должен обладать высокой чувствительностью по напряжению, т. е. его полная переориентация должна наступать при сравнительно небольших напряжениях, при которых сохраняются малый темновой ток и, соответственно, высокая чувствительность ФП. В данной работе мы попытались количественно оценить параметры слоев модуляторов, отвечающих выдвинутым требованиям, и изготовить такие структуры.
Результаты и обсуждения
Для исследования были изготовлены ОУ ЖК ПМС просветного типа с фотослоем из халькогенидного стеклообразного фотопроводника системы мышьяк – селен As10Se90, имеющим максимум спектральной чувствительности на длине волны 460 нм [7]. Данный фотопроводник обладает очень высоким удельным сопротивлением, достигающим 1014 Ом см, что сочетается с рекордно высокой чувствительностью к излучению записи. Высокой чувствительности модуляторов способствует отсутствие емкостных токов при постоянном питании. В этом случае фототок используется с максимальной эффективностью и вызывает максимальное
приращение напряжения на слое ЖК. Толщина слоя ФП составляла 1 мкм. При этом чувствительность к красному свету у данного ФП на два порядка ниже, чем к синему. Это позволяет все измерения проводить в видимом диапазоне спектра при условии, что мощность считывающего излучения существенно ниже мощности записи. В нашем случае мощность красного считывающего света не превосходила 10 мкВт/см2. В принципе, небольшое превышение порога чувствительности ФП считывающим излучением не приводит к существенной погрешности. Эта мощность просто будет суммироваться с мощностью записывающего света с поправочным коэффициентом, отражающим спектральную чувствительность ФП. Таким образом, все наши кривые, сохраняя свою форму, будут незначительно сдвигаться по оси абсцисс влево: на рис. 1 – в сторону меньших питающих напряжений, на рис. 2 – в сторону меньших мощностей излучения записи.
Для измерения модуляционных характеристик ОУ ЖК ПМС проекционным методом использовалась стандартная оптическая схема, включающая в себя источники и приемники записывающего и считывающего излучения, селективное полупрозрачное диэлектрическое зеркало для разделения записывающего и считывающего лучей, поляризаторы, источник питания модулятора. Модуляторы с халькогенидными фотослоями питались по стоянным напряжением, что упрощало процедуру измерения, позволяя использовать для контроля слабого прошедшего сигнала селективное усиление. Для этого считывающий сиг нал модулировался механическим прерывателем с заданной частотой и регистрировался фотоэлектронным умножителем, на выходе которого стоял селективный вольт метр, нас троенный на данную частоту. В качестве источника записывающего излучения использовалась лампа накаливания, снабженная конденсором и синим фильтром СС-8. Накал лампы в процессе измерений изменялся, а мощность записывающего излучения контролировалась. Диаметр пятна записывающего излучения составлял 2 см. Считывание проводилось полупроводниковым красным лазером (λ = 0,65 мкм, диаметр пятна 2 мм), излучение которого ослаблялось до нужного уровня нейтральными фильтрами. Стенд находился в темной комнате, а исследуемый модулятор дополнительно помещался в светозащитный кожух.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
71
Были изготовлены и исследованы модуляторы с толщиной ЖК-слоя 13 и 23 мкм. Исполь зовался ЖК 1282, обладающий сравнительно небольшим коэффициентом двулучепреломления (Δn = 1,7), но надежно ориентирующийся методом косого напыления окислов. Начальные углы наклона директора оценивались методом, описанным в [8], и составляли около 40°. Несмотря на большие начальные углы наклона директора, чувствительность м одуляторов по напряжению была довольно высокой из-за слабого сцепления ЖК с ориентирующим слоем. Последнее в нашем случае очень важно, поскольку не существует таких ФП, в которых увеличение напряжения не приводило бы к росту темнового тока ФП и, соответственно, к потере чувствительности. Желательно, чтобы полная переориентация ЖК наступала при как можно более низких напряжениях. При этом падение напряжения на слое ЖК при полной засветке должно составлять не менее 90% от полного напряжения, прикладываемого к структуре. Для халькогенидов это условие выполняется, если учесть, что толщина слоя ЖК в 10–20 раз превышает толщину ФП, а удельное сопротивление используемого нами ЖК находится в пределах 1010–1011 Ом см.
На рис. 1 представлены зависимости относительного пропускания модуляторами счи тывающего света от напряжения при фиксированной мощности записывающего излучения, заведомо обеспечивающей фототок насыщения в ФП. В этом случае большая часть прикладываемого напряжения падает на слое ЖК и модулятор ведет себя как электроуправляемая ячейка. Интенсивность света I, прошедшего через модулятор, расположенный между поляризатором и скрещенным с ним анализатором, зависит от фазовой задержки ∆Φ и угла β между вектором поляризации падающего луча и исходным направлением директора ЖК [9] и может быть выражена как
I = I0sin22βsin2(∆Φ/2),
(4)
где I0 – интенсивность падающего излучения. Максимальное пропускание излучения, падающего нормально к плоскости ЖК-ячейки, можно получить, когда угол между вектором поляризации падающего луча и исходным направлением директора ЖК согласно формуле (4) соответствует β = 45°. При подаче на электроды ЖК-ячейки напряжения происходит переориентация молекулярных диполей в
электрическом поле. Угол наклона директора θ(U, z) относительно нормали к поверхности подложки уменьшается с ростом напряжения. Это приводит к изменению двулучепреломления от максимального значения для S-эффекта в отсутствие электрического поля до минимума в результате переориентации молекул нормально относительно поверхности подложек. Зависимости пропускания от напряжения для ЖК-ячеек представляют собой осциллирующие кривые с постоянной амплитудой колебания, где разность фаз между соседними максимумом и минимумом составляет π.
Разность фаз ∆Φ для монохроматического света с длиной волны λ связана с изменением показателя преломления соотношением [9]
∆Φ = 2pd∆n/λ.
(5)
В (5) текущее значение разности показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей Δn = n(z) – n0 зависит от напряжения через изменение угла наклона директора. С увеличением напряжения наблюдается замедленное уменьшение эффективного значения коэффициента n(z), в пределе стремя щегося к n0. Последние осцилляции пропускания сильно растянуты вдоль оси напряжений, поскольку силы сцепления молекул ЖК с ориентирующим слоем превосходят силы их сцепления друг с другом. Кроме того, при повороте диполей рычаг воздействия электрического поля уменьшается. Поэтому условно принято считать положением последнего максимума н апряжение, при котором пропускание достигает 90% максимального значения.
Представленные на рис. 1 зависимости снимались при положительной полярности напряжения питания на ФП. При перемене полярности сразу начинается рост пропускания, т. е. начальный участок зависимости отсутствует и график начинается с третьей точки. Реально минимум пропускания наблюдается в отсутствие засветки и напряжения (вторая точка – это фактический ноль на ЖК, соответствующий минимуму пропускания). Первый минимум пропускания может наблюдаться или не наблюдаться в зависимости от полярности прикладываемого напряжения. Таким образом, можно оценить величину фотоэдс – она составляет около 0,1 В. Тот факт, что фотоэдс возникает на границе раздела ФП – ЖК и приложена только к слою ЖК, а внешнее напря жение прикладывается ко всей структуре в целом, не вносит значительной погрешности,
72 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
I, отн. ед.
(а)
0,8 0,6
0,4
0,2
0 0 100 200 300
I, отн. ед.
(б)
0,8 0,6
0,4 0,2
0
0 100 200 300
P, мкВт/см2
Рис. 2. Зависимость пропускания считывающего излучения от мощности записывающего излучения для модуляторов. а – толщина ЖК 13 мкм, U = 4,5 В; б – толщина ЖК 23 мкм, U = 3,5 В.
потому что при полной засветке свыше 95% напряжения падает на слое ЖК. Данное утверждение следует из анализа сенситомет рических кривых, изображенных на рис. 2.
Напряжения питания, при которых снимались кривые, изображенные на рис. 2, близки к последним экстремумам пропускания на кривых на рис. 1 и составляют 3,5 и 4,5 В для толщин ЖК 23 и 13 мкм соответственно. То, что в отсутствие засветки не всегда наблюдается минимум пропускания, связано с падением части напряжения на ЖК: темновое сопротивление ФП не бесконечно. По начальному пропусканию в отсутствие засветки можно оценить отношение сопротивлений слоев ЖК и неосвещенного ФП. Для ЖК-слоя толщиной 23 мкм начальное пропускание 13% от максимального наблюдается, когда на ЖК приходится напряжение порядка 0,11 В, что в 30 раз меньше всего напряжения, приложенного к структуре (3,5 В). С учетом разницы толщин слоев ЖК и ФП отношение их удельных сопро-
тивлений будет около 1:700 (3). Что касается тонкого модулятора, то пропускание в отсутствие засветки имеет минимум. Это значит, что приходящаяся на ЖК доля внешнего приложенного напряжения (4,5 В) приблизительно равна фотоэдс, т. е. чуть менее 0,1 В. Таким о бразом, напряжения на ФП и ЖК различаются примерно в 50 раз, что с учетом толщины слоев опять дает отношение удельных прово димостей, близкое к 1:700.
По предварительным оценкам с исполь зованием пленочных поляризаторов исследованные структуры обладали контрастом не хуже, чем 100:1, что является вполне удовлетворительным результатом для параллельно ориентированных оптически управляемых модуляторов. Контрастное отношение было одинаковым для сенситометрической зависимости и для зависимости пропускания от напряжения.
Что касается зависимости параметров модуляторов от толщины слоев ЖК, то, помимо прямой пропорциональности фазового набега геометрической толщине (5), следует отметить следующие особенности:
1) положения первых минимумов на зависимостях пропускания от напряжения (рис. 1) для структур с одинаковыми ФП совпадают, так как величина фотоэдс не зависит от толщины слоя ЖК;
2) при подаче близкого по значению напряжения в отсутствие засветки структуры с более тонкими слоями ЖК демонстрируют меньшее пропускание, поскольку на них приходится меньшая доля внешнего напряжения (рис. 2);
3) напряжения, при которых в исследованных структурах достигается последний экстремум, не зависят от толщины ЖК-слоя, при этом положения экстремумов более низких порядков для тонких ячеек сдвинуты в сторону бо′льших напряжений (рис. 1) либо мощностей записывающего излучения (рис. 2) и кривые пропускания оказываются растянутыми вдоль оси абсцисс.
Кривые зависимости фазового набега от напряжения и засветки (рис. 3 и 4) для модуляторов с различной толщиной слоя ЖК наглядно демонстрируют зависимость чувствительности структур от толщины. Чем толще слой, тем на меньший угол нужно повернуть молекулы ЖК, чтобы получить тот же самый фазовый набег, тем меньшее электрическое поле или засветка для этого требуются. Таким образом, чувствительность по максимальному контрасту, соответствующая фиксированному фазовому набе-
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
73
8
DF/p
6
1
42
2
0
0 1 2 3 4 U, В Рис. 3. Зависимость фазового набега от напряжения питания модуляторов при интенсивности засветки, вызывающей ток насыщения. 1 – толщина ЖК 23 мкм; 2 – толщина ЖК 13 мкм.
8
DF/p
6
4
1 2
2
0
0
100 200
300 400
P, мкВт/см2
Рис. 4. Зависимость фазового набега от мощности записывающего излучения. 1 – толщина ЖК 23 мкм, U = 3,5 В; 2 – толщина ЖК 13 мкм, U = 4,5 В.
гу π, у толстых ячеек выше, чем у тонких: она составляет 6,6 и 13,2 мкВт/см2 для структур
стью и бо′льшим быстродействием, позволяющим работать на переменном напряжении. По-
с толщиной слоя ЖК, равной 23 и 13 мкм соот- скольку под переменным напряжением здесь
ветственно.
подразумевается низкочастотный меандр, то
Что касается пороговой чувствительности емкостное сопротивление структур с таки-
к записывающему излучению, она определя- ми фотослоями должно оставаться достаточ-
ется главным образом свойствами ФП-слоя и но большим. Что касается чувствительности,
межфазной границы ФП–ЖК и от толщины аморфные полупроводники IV группы облада-
ЖК практически не зависит. Пороговая чув- ют еще и тем преимуществом перед халькоге-
ствительность обеих структур составляла около нидами, что имеют достаточно чистую запре-
1 мкВт/см2.
щенную зону, допускающую легирование и, со-
ответственно, создание фотодиодных структур,
Заключение
чувствительность которых всегда выше по сравнению с чувствительностью фотосопротивления.
Проведенные исследования доказывают прин-
Кроме того, на практике обычно не ставит-
ципиальную возможность изготовления ОУ ся задача реализации непременно всего потен
ЖК ПМС с фотоиндуцированным фазовым на- циала какой-то конкретной структуры. Если
бегом 7π и более. Вопрос заключается в под- требуется получить с помощью светового управ-
боре фотопроводника с достаточными темно- ления фазовый сдвиг 7π, вполне возможно из-
вым сопротивлением и чувствительностью к готовить структуру с максимальным ΔΦ = 9π
записывающему излучению. Изготовленные и выбрать рабочую точку таким образом, что-
нами модуляторы имели фоточувствительные бы отбросить два последних экстремума. Это
слои из селенида мышьяка. Свойства этого даст существенный выигрыш и по чувстви
материала делают его удобным для лаборатор- тельности, и по рабочему напряжению. Чтобы
ных исследований, но в силу малой механиче- избежать сильного увеличения инерционности
ской прочности и высокой инерционности он при увеличении геометрической толщины слоя
не получил практического применения. С дру- ЖК, можно увеличить ΔΦ за счет использова-
гой стороны, существуют технологии, по- ния кристалла с бо′льшим Δn и ориентирующе-
зволяющие получать не только низкоомный го слоя, обеспечивающего малый начальный
аморфный гидрогенизированный кремний, угол наклона директора. Это может явиться
широко используемый для солнечных батарей, предметом дальнейших исследований после
но и очень высокоомные (вплоть до 1015 Ом см) того, как будет решена основная задача выбора
аморфные гидрогенизированные кремний и параметров ФП-слоя будущего модулятора.
карбид кремния, выгодно отличающиеся от
Работа выполнена при финансовой поддерж-
халькогенидов большей механической прочно- ке РПН 2.1.1/2166.
*****
74 “Оптический журнал”, 78, 9, 2011
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987. 320 с.
2. Владимиров Ф.Л., Моричев И.Е., Плетнева Н.И. Влияние параметров элементов на основные характеристики оптически управляемых транспарантов типа фотопроводник–жидкий кристалл // ОМП. 1985. № 5. С. 1–3.
3. Berenberg V.A., Venediktov V.Yu., Ivanova N.L., Isaev M.V., Konshina E.A., Onokhov A.P., Fedorov M.A., Chaika A.N., Feoktistov N.A. Large-aperture optically addressed spatial light modulator development // Proc. SPIE. 2005. V. 5777. P. 711–715.
4. Амосова Л.П., Чайка А.Н. Оптически управляемая структура As10Se90–жидкий кристалл с высокой чувствительностью к излучению гелий-неонового лазара // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. В. 6. С. 56–62.
5. Каманина Н.В. Применение операционного метода Лапласа к оценке быстродействия пространственновременных модуляторов света // ЖТФ. 1994. Т.64. № 1. С. 146–151.
6. Владимиров Ф.Л., Чайка А.Н., Моричев И.Е., Плетнева Н.И., Наумов А.Ф., Локтев М.Ю. Исследование модуляционных характеристик оптически управляемых транспарантов на основе структуры фотопроводник–жидкий кристалл // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 8. С. 14–19.
7. Владимиров Ф.Л., Моричев И.Е., Плетнева Н.И., Решетникова Т.О. Фотоэлектрические характеристи ки халькогенидного стеклообразного полупроводника As10Se90 // ОМП. 1985. № 6. С. 6–7.
8. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки х арактеристик жидкокристаллических ячеек оптическими методами // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 12. С. 9–13.
9. Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic effects in liquid crystal materials. New York: Springer, 1994. 464 p.
“Оптический журнал”, 78, 9, 2011
75