ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
УДК 535.012.21; 535.016; 535.557
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
© 2014 г. И. Ф. Галин, аспирант; Е. А. Коншина, доктор физ.-мат. наук
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: ildar.f.galin@gmail.com
Исследована динамика оптического отклика нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией для splay-деформации слоя и влияние на нее формы колебаний напряжения электрического поля. Сравнивается эффективность действия синусоидального, биполярного и однополярного меандров c разной частотой и полярностью. Показано, что использование однополярного меандра способствует существенному ускорению оптического отклика жидкого кристалла при одновременном снижении напряжения электрического сигнала.
Ключевые слова: нематический жидкий кристалл, оптический отклик, быстродействие.
Коды OCIS: 230.3720, 130.4815, 160.3710.
Поступила в редакцию 08.11.2013.
Время оптического отклика жидкого кристалла (ЖК) является одной из важных характеристик устройств на их основе, включая дисплеи, различные фотонные устройства и оптические компоненты систем телекоммуникаций [1]. Оно зависит от свойств ЖК, таких как вязкость, коэффициент упругости, диэлектрическая анизотропия, толщина слоя ЖК, пороговое напряжение электрооптического эффекта Фредерикса, и от напряжения электрического поля, приложенного к слою. В то же время на динамику отклика ЖК влияют и другие факторы, связанные с условиями на границе раздела с ориентирующей поверхностью [2, 3], а также начальный угол наклона директора ЖК [4, 5] и характер приложенного электрического поля (постоянное или переменное) [6].
Основной целью этой работы было исследование динамики оптического отклика нематического ЖК и влияния на нее формы сигнала переменного электрического поля, от которого зависит эффективное напряжение, приложенное к слою.
Исследования проводились на жидкокристаллической ячейке, собранной из двух плоскопараллельных стеклянных подложек диаметром 35 мм, покрытых тонким прозрачным проводящим слоем на основе оксидов индия
и олова и ориентирующим слоем натертого полиимида. В качестве модулирующей среды использовался ЖК-1282 (НИОПИК, Москва) с положительной диэлектрической анизотропией и толщиной слоя 13 мкм.
При проведении экспериментов была использована классическая схема измерения. Ячейка с ЖК была помещена между двумя скрещенными поляризаторами, в качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазерный диод, излучающий на длине волны 0,65 мкм. Форма, амплитуда и частота напряжения электрического поля, приложенного к жидкокристаллической ячейке, варьировались с помощью специально разработанной программы [7].
Наиболее часто для управления переключением оптического сигнала в жидкокристаллических устройствах используют приложение к нему переменного электрического поля в форме прямоугольного двуполярного импульса разной частоты (меандра). При равных амплитудах напряжения, приложенного к слою ЖК, процесс переориентации молекул ускоряется по сравнению с приложением синусоидального сигнала, так как их эффективные значения напряжения отличаются. У двуполярного меандра эффективное напряжение соответствует амплитуде приложенного напряжения,
48 “Оптический журнал”, 81, 6, 2014
а у синусоидального сигнала оно составляет только 0,7 амплитуды приложенного напряжения [9].
На рис. 1 приведены осциллограммы оптического отклика ЖК при приложении к жидкокристаллической ячейке напряжения электрического поля амплитудой 30 В двуполярного меандра с частотой 2 кГц (кривая 1) и однополярного меандра с частотой 9 кГц (кривая 2). Под однополярным меандром понимается последовательность прямоугольных импульсов с определенной частотой их следования. В отличие от двуполярного меандра к ячейке прикладывается положительный либо отрицательный потенциал, т.е. знак потенциала на противоположных границах раздела слоя ЖК с поверхностью не изменяется. Использование однополярного меандра с более высокой частотой вызвано тем, что в моменты времени, когда напряжение равно нулю, начинается процесс релаксации ЖК, и в результате этого форма кривой оптического отклика искажается. Увеличение частоты сигнала от 2 до 9 кГц позволило улучшить качество осциллограммы. Уменьшение промежутков времени, в которые сигнал отсутствует, снижает вероятность изменения направления директора ЖК.
Несмотря на то, что эффективное значение напряжения в случае однополярного меандра соответствует эффективному напряжению синусоидального сигнала (0,7 амплитуды приложенного напряжения), его использование
позволило уменьшить время отклика ЖК в 1,8 раз по сравнению с двуполярным меандром. При изменении полярности на электродах ячейки в объеме ЖК происходят процессы, связанные с дрейфом ионов и их рекомбинацией, замедляющие отклик ЖК. Такое поведение ЖК в электрическом поле связывают с присутствием в нем носителей заряда обоих знаков, возникающих при диссоциации примесей или самого ЖК и инжекции с электродов при приложении к ним постоянного потенциала [8, 9]. В отсутствие электрического поля процесс диссоциации и рекомбинации ионов в объеме ЖК находится в равновесии, а плотность положительных и отрицательных ионов остается постоянной. Приложение к слою ЖК постоянного потенциала электрического поля вызывает их направленное движение, разделение зарядов и формирование пространственного заряда вблизи электродов, который может приводить к увеличению порового напряжения электрооптического эффекта и замедлению процесса релаксации ЖК [3]. Исследование процессов диффузии зарядов при приложении к слою ЖК разных типов сигнала электрического поля выходит за рамки проведенных экспериментов и требует дополнительных исследований.
Преимущество использования для управления оптическим откликом ЖК однополярного меандра перед синусоидальным сигналом иллюстрирует рис. 2. Время отклика в этом случае в 5 раз меньше времени отклика при
Интенсивность, произв. ед. Интенсивность, произв. ед.
7
1
6
5
2
4
3
2
1
24
6 8 10 12 14 16 Время, мс
Рис. 1. Осциллограмма электрооптического отклика ЖК при приложении к ячейке напря-
жения электрического поля с амплитудой 30 В в виде двуполярного меандра (1) с частотой 2 кГц и однополярного меандра (2) с частотой 9 кГц.
“Оптический журнал”, 81, 6, 2014
7
1
6
5
4
2
3
2
1
2 4 6 8 10 12 14 16 Время, мс
Рис. 2. Осциллограмма электрооптического отклика ЖК при приложении к ячейке напряжения переменного электрического поля амплитудой 30 В в виде однополярного меандра (1) и синусоиды (2).
49
Интенсивность, произв. ед.
1
5
2
4
Полученные результаты свидетельствует о возможности повышения быстродействия жидкокристаллических устройств путем использования для управления оптическим от-
кликом однополярного по сравнению с двупо3 лярным меандром. Несмотря на то, что эффек-
2 тивное значение напряжения однополярного меандра меньше, чем у двуполярного, его ис-
1 пользование способствует ускорению оптиче-
24
6 8 10 12 14 16 Время, мс
ского отклика при одновременном снижении напряжения, приложенного к слою ЖК. Этому способствует постоянный знак потенциала
Рис. 3. Осциллограмма электрооптического отклика ЖК при приложении к ячейке пере-
менного напряжения электрического поля, равного 30 В, в виде отрицательного (1) и положительного (2) однополярного меандра.
на электродах жидкокристаллической ячейки, что снижает вероятность диффузии ионов в объеме. В то же время приложение однополярного меандра не вызывает негативных эффектов, возникающих в ЖК в случае постоян-
ного напряжения, связанных с накоплением
использовании синусоидального сигнала при пространственного заряда вблизи электродов.
равных амплитудах напряжения. Сравнение Полученные результаты свидетельствуют о том,
знака напряжения электрического поля, при- что использование для управления оптическим
ложенного к ячейке в виде однополярного ме- откликом однополярного меандра позволяет
андра, показало, что он не влияет на время ускорить динамику переключения жидкокри-
оптического отклика. На рис. 3 приведены сталлических устройств и может иметь практи-
осциллограммы электрооптического отклика ческое применение при разработке оптических
при изменении напряжения от –30 В до 0 (кри- переключателей для телекоммуникационных
вая 1), и от +30 В до 0 (кривая 2).
систем.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Амосова Л.П., Васильев В.Н., Иванова Н.Л., Коншина Е.А. Пути повышения быстродействия электроуправляемых оптических устройств на основе нематических жидких кристаллов // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 2. C. 3–14.
2. Коншина Е.А., Федоров М.А. Влияние граничных условий на фазовую модуляцию света в случае S -эффекта нематика // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. В. 22. С. 15–21.
3. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гавриш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. В. 11. С. 33–38.
4. Галин И.Ф., Коншина Е.А. Влияние начального угла наклона директора двухчастотного жидкого кристалла на электрооптические характеристики ячеек // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 6. С. 71–74.
5. Galin I.F., Konshina E.A. Pretilt Angle Effect on Response Time of Dual Frequency Liquid Crystal // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2012. V. 553. № 1. P. 21–27.
6. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П., Исаев М.В., Костомаров Д.С. Динамика спада оптического пропускания в ячейках с двухчастотным нематическим жидким кристаллом // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. В. 9. С. 87–94.
7. Вакулин Д.А., Френкель Д.А. Свидетельство о Гос. регистрации программы ЭВМ № 2011615197 от 09.09.2011.
8. Barbero G., Zvezdin A.K., Evangelista L.R. Ionic Adsorption and Equilibrium Distribution of Charges in a Nematic Cell // Phys. Rev. E. 1999. V. 59. № 2. P. 1846–1849.
9. Barbero G., Figueiredo Neto A.M., Freire F.C.M., Le Digabel J. Relaxation Time for the Ionic Current in a Nematic Cell under a Large Electric Field // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. № 5. P. 52701–52704.
10. Бирюков С. Амплитудное, среднее, эффективное // Журнал радио. 1999. № 6. С. 58–59.
50 “Оптический журнал”, 81, 6, 2014
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ОПТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
© 2014 г. И. Ф. Галин, аспирант; Е. А. Коншина, доктор физ.-мат. наук
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики, Санкт-Петербург
Е-mail: ildar.f.galin@gmail.com
Исследована динамика оптического отклика нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией для splay-деформации слоя и влияние на нее формы колебаний напряжения электрического поля. Сравнивается эффективность действия синусоидального, биполярного и однополярного меандров c разной частотой и полярностью. Показано, что использование однополярного меандра способствует существенному ускорению оптического отклика жидкого кристалла при одновременном снижении напряжения электрического сигнала.
Ключевые слова: нематический жидкий кристалл, оптический отклик, быстродействие.
Коды OCIS: 230.3720, 130.4815, 160.3710.
Поступила в редакцию 08.11.2013.
Время оптического отклика жидкого кристалла (ЖК) является одной из важных характеристик устройств на их основе, включая дисплеи, различные фотонные устройства и оптические компоненты систем телекоммуникаций [1]. Оно зависит от свойств ЖК, таких как вязкость, коэффициент упругости, диэлектрическая анизотропия, толщина слоя ЖК, пороговое напряжение электрооптического эффекта Фредерикса, и от напряжения электрического поля, приложенного к слою. В то же время на динамику отклика ЖК влияют и другие факторы, связанные с условиями на границе раздела с ориентирующей поверхностью [2, 3], а также начальный угол наклона директора ЖК [4, 5] и характер приложенного электрического поля (постоянное или переменное) [6].
Основной целью этой работы было исследование динамики оптического отклика нематического ЖК и влияния на нее формы сигнала переменного электрического поля, от которого зависит эффективное напряжение, приложенное к слою.
Исследования проводились на жидкокристаллической ячейке, собранной из двух плоскопараллельных стеклянных подложек диаметром 35 мм, покрытых тонким прозрачным проводящим слоем на основе оксидов индия
и олова и ориентирующим слоем натертого полиимида. В качестве модулирующей среды использовался ЖК-1282 (НИОПИК, Москва) с положительной диэлектрической анизотропией и толщиной слоя 13 мкм.
При проведении экспериментов была использована классическая схема измерения. Ячейка с ЖК была помещена между двумя скрещенными поляризаторами, в качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазерный диод, излучающий на длине волны 0,65 мкм. Форма, амплитуда и частота напряжения электрического поля, приложенного к жидкокристаллической ячейке, варьировались с помощью специально разработанной программы [7].
Наиболее часто для управления переключением оптического сигнала в жидкокристаллических устройствах используют приложение к нему переменного электрического поля в форме прямоугольного двуполярного импульса разной частоты (меандра). При равных амплитудах напряжения, приложенного к слою ЖК, процесс переориентации молекул ускоряется по сравнению с приложением синусоидального сигнала, так как их эффективные значения напряжения отличаются. У двуполярного меандра эффективное напряжение соответствует амплитуде приложенного напряжения,
48 “Оптический журнал”, 81, 6, 2014
а у синусоидального сигнала оно составляет только 0,7 амплитуды приложенного напряжения [9].
На рис. 1 приведены осциллограммы оптического отклика ЖК при приложении к жидкокристаллической ячейке напряжения электрического поля амплитудой 30 В двуполярного меандра с частотой 2 кГц (кривая 1) и однополярного меандра с частотой 9 кГц (кривая 2). Под однополярным меандром понимается последовательность прямоугольных импульсов с определенной частотой их следования. В отличие от двуполярного меандра к ячейке прикладывается положительный либо отрицательный потенциал, т.е. знак потенциала на противоположных границах раздела слоя ЖК с поверхностью не изменяется. Использование однополярного меандра с более высокой частотой вызвано тем, что в моменты времени, когда напряжение равно нулю, начинается процесс релаксации ЖК, и в результате этого форма кривой оптического отклика искажается. Увеличение частоты сигнала от 2 до 9 кГц позволило улучшить качество осциллограммы. Уменьшение промежутков времени, в которые сигнал отсутствует, снижает вероятность изменения направления директора ЖК.
Несмотря на то, что эффективное значение напряжения в случае однополярного меандра соответствует эффективному напряжению синусоидального сигнала (0,7 амплитуды приложенного напряжения), его использование
позволило уменьшить время отклика ЖК в 1,8 раз по сравнению с двуполярным меандром. При изменении полярности на электродах ячейки в объеме ЖК происходят процессы, связанные с дрейфом ионов и их рекомбинацией, замедляющие отклик ЖК. Такое поведение ЖК в электрическом поле связывают с присутствием в нем носителей заряда обоих знаков, возникающих при диссоциации примесей или самого ЖК и инжекции с электродов при приложении к ним постоянного потенциала [8, 9]. В отсутствие электрического поля процесс диссоциации и рекомбинации ионов в объеме ЖК находится в равновесии, а плотность положительных и отрицательных ионов остается постоянной. Приложение к слою ЖК постоянного потенциала электрического поля вызывает их направленное движение, разделение зарядов и формирование пространственного заряда вблизи электродов, который может приводить к увеличению порового напряжения электрооптического эффекта и замедлению процесса релаксации ЖК [3]. Исследование процессов диффузии зарядов при приложении к слою ЖК разных типов сигнала электрического поля выходит за рамки проведенных экспериментов и требует дополнительных исследований.
Преимущество использования для управления оптическим откликом ЖК однополярного меандра перед синусоидальным сигналом иллюстрирует рис. 2. Время отклика в этом случае в 5 раз меньше времени отклика при
Интенсивность, произв. ед. Интенсивность, произв. ед.
7
1
6
5
2
4
3
2
1
24
6 8 10 12 14 16 Время, мс
Рис. 1. Осциллограмма электрооптического отклика ЖК при приложении к ячейке напря-
жения электрического поля с амплитудой 30 В в виде двуполярного меандра (1) с частотой 2 кГц и однополярного меандра (2) с частотой 9 кГц.
“Оптический журнал”, 81, 6, 2014
7
1
6
5
4
2
3
2
1
2 4 6 8 10 12 14 16 Время, мс
Рис. 2. Осциллограмма электрооптического отклика ЖК при приложении к ячейке напряжения переменного электрического поля амплитудой 30 В в виде однополярного меандра (1) и синусоиды (2).
49
Интенсивность, произв. ед.
1
5
2
4
Полученные результаты свидетельствует о возможности повышения быстродействия жидкокристаллических устройств путем использования для управления оптическим от-
кликом однополярного по сравнению с двупо3 лярным меандром. Несмотря на то, что эффек-
2 тивное значение напряжения однополярного меандра меньше, чем у двуполярного, его ис-
1 пользование способствует ускорению оптиче-
24
6 8 10 12 14 16 Время, мс
ского отклика при одновременном снижении напряжения, приложенного к слою ЖК. Этому способствует постоянный знак потенциала
Рис. 3. Осциллограмма электрооптического отклика ЖК при приложении к ячейке пере-
менного напряжения электрического поля, равного 30 В, в виде отрицательного (1) и положительного (2) однополярного меандра.
на электродах жидкокристаллической ячейки, что снижает вероятность диффузии ионов в объеме. В то же время приложение однополярного меандра не вызывает негативных эффектов, возникающих в ЖК в случае постоян-
ного напряжения, связанных с накоплением
использовании синусоидального сигнала при пространственного заряда вблизи электродов.
равных амплитудах напряжения. Сравнение Полученные результаты свидетельствуют о том,
знака напряжения электрического поля, при- что использование для управления оптическим
ложенного к ячейке в виде однополярного ме- откликом однополярного меандра позволяет
андра, показало, что он не влияет на время ускорить динамику переключения жидкокри-
оптического отклика. На рис. 3 приведены сталлических устройств и может иметь практи-
осциллограммы электрооптического отклика ческое применение при разработке оптических
при изменении напряжения от –30 В до 0 (кри- переключателей для телекоммуникационных
вая 1), и от +30 В до 0 (кривая 2).
систем.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Амосова Л.П., Васильев В.Н., Иванова Н.Л., Коншина Е.А. Пути повышения быстродействия электроуправляемых оптических устройств на основе нематических жидких кристаллов // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 2. C. 3–14.
2. Коншина Е.А., Федоров М.А. Влияние граничных условий на фазовую модуляцию света в случае S -эффекта нематика // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. В. 22. С. 15–21.
3. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гавриш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. В. 11. С. 33–38.
4. Галин И.Ф., Коншина Е.А. Влияние начального угла наклона директора двухчастотного жидкого кристалла на электрооптические характеристики ячеек // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 6. С. 71–74.
5. Galin I.F., Konshina E.A. Pretilt Angle Effect on Response Time of Dual Frequency Liquid Crystal // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2012. V. 553. № 1. P. 21–27.
6. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П., Исаев М.В., Костомаров Д.С. Динамика спада оптического пропускания в ячейках с двухчастотным нематическим жидким кристаллом // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. В. 9. С. 87–94.
7. Вакулин Д.А., Френкель Д.А. Свидетельство о Гос. регистрации программы ЭВМ № 2011615197 от 09.09.2011.
8. Barbero G., Zvezdin A.K., Evangelista L.R. Ionic Adsorption and Equilibrium Distribution of Charges in a Nematic Cell // Phys. Rev. E. 1999. V. 59. № 2. P. 1846–1849.
9. Barbero G., Figueiredo Neto A.M., Freire F.C.M., Le Digabel J. Relaxation Time for the Ionic Current in a Nematic Cell under a Large Electric Field // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. № 5. P. 52701–52704.
10. Бирюков С. Амплитудное, среднее, эффективное // Журнал радио. 1999. № 6. С. 58–59.
50 “Оптический журнал”, 81, 6, 2014