Исследование оптических свойств композитов и фотоннокристаллических структур, организованных на основе нематического жидкого кристалла

• Автор: Шабанов, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 92 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР.
1.1. Фотонные кристаллы.
1.2. Классификация жидких кристаллов.
1.3. Континуальная теория ориентации ЖК.
1.4. Капсулированные полимером жидкие кристаллы.
1.5. Эффект Фредерикса в КПНЖК.
1.6. Постановка задачи.
ГЛАВА 2. Объемные и поверхностные электромагнитные волны в одномерном фотонном кристалле.
ГЛАВА 3. Локализованные электромагнитные моды и спектр пропускания одномерного фотонного кристалла с дефектами решётки.
3.1. Спектр собственных возбуждений одномерного ФК с дефектом решётки.
3.2. Спектр пропускания конечной сверхрешётки.
3.3. Результаты расчётов и их обсуждение.
ГЛАВА 4. Капсулированный полимером нематический жидкий кристалл.
4.1. Расчет поля директора капсулированного полимером нематического
жидкого кристалла.
4.2. Методы приготовления КПНЖК пленок.
4.3. Выбор материалов и их характеристики.
4.4. Поведение образца КПНЖК под полем.
4.5. Интерференционные эффекты в КПНЖК.
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Введение.
Актуальность темы.
В последнее время внимание исследователей привлекают так называемые фотонные кристаллы (ФК) [1], представляющие собой новый тип искусственных структурно-организованных сред, диэлектрические свойства которых изменяются периодически в одном, двух или трех измерениях с характерным пространственным масштабом периодичности порядка оптической длины волны. К настоящему времени сформировалась новая область науки по изучению свойств фотонных кристаллов и устройств, базирующихся на их основе. Ценность концепции фотонных структур заключается в исследовании физических явлений с новой точки зрения, основанной на традиционных идеях физики твердого тела и электромагнетизма. Благодаря наличию, вследствие периодичности, фотонных запрещенных зон (ФЗЗ) (спектральных областей, в которых электромагнитные волны не могут распространяться, испытывая отражения от структуры) фотонные кристаллы позволяют реализовать ряд интересных режимов распространения электромагнитных волн.
Новые физические явления, которые возникают при введении дефектов в кристаллическую решетку ФК структур, обусловлены, в первую очередь, дефектными модами, появляющимися в фотонной запрещенной зоне. Важным свойством подобных структур является локализация электромагнитного поля в дефектных модах. Кроме того, интерес к исследованию свойств периодических структур оптического диапазона обусловлен возможностью управления спонтанным излучением в фотонных кристаллах. Об актуальности практических приложений ФЗЗ-структур свидетельствует прогресс в реализации брэгговских отражателей [2], создание ФК-волноводов [3-5], сверхбыстрых оптических переключателей [6], детекторов [7] и т.п.
Следует отметить, что для многих практических приложений полезно уметь использовать электрооптические эффекты для управления спектром фотоннокристаллических структур. Представляется перспективным создание фотонных кристаллов, где одна из подрешеток сформирована нематическим жидким

кристаллом (НЖК), обладающим сильной анизотропией и высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Трехмерные ФК-структуры, сформированные с включениями нематического жидкого кристалла изучались в [8].
Сверхрешетка, состоящая из чередующихся слоя НЖК и слоя алюминия, рассмотрена в [9]. Экспериментально наблюдался ряд резонансных частот пропускания для волн, падающих на такую структуру, при изменении ориентации директора нематика. В работе [10] исследовались свойства ФК-структуры, организованной на основе кремниевой матрицы, в порах которой помещались дискотический или сегнетоэлектрический смектический жидкие кристаллы.
Для создания двух- и трёхмерных ФК с электроуправляемыми характеристиками весьма перспективны плёнки капсулированных полимером жидких кристаллов (КПЖК), в которых монодисперсный ансамбль капель ЖК имеет как ориентационное, так и трансляционное упорядочение. При описании их свойств необходимо учитывать особенности ориентационных переходов в каплях нематика [11].
Из экспериментальных и теоретических исследований [12-14] эффекта переориентации биполярных капель нематического жидкого кристалла (ЖК) под действием электрического поля, направленного перпендикулярно оси симметрии, следует, что данный процесс является пороговым и проходит в три стадии. При малом напряжении изменение ориентационной структуры капли не наблюдалось. После достижения порогового поля полюса капли начинали передвигаться, и биполярная конфигурация директора поворачивалась так, что ось симметрии ориентировалась вдоль по полю, если анизотропия диэлектрической проницаемости ЖК положительна. Дальнейшее увеличение напряжения приводило к вытягиванию линий директора во всем объеме капли вдоль поля [12, 14]. Принципиально иной тип переориентации, предсказанный ранее в [12] и характеризующийся отсутствием дрейфа обоих полюсов под действием внешнего поля, был обнаружен экспериментально [15] в ансамбле биполярных капель нематического ЖК 5ЦБ, диспергированных в поливинилбутирале, что определило необходимость адекватного теоретического описания данного процесса и его проявлений в макроскопических оптических свойствах одноосно упорядоченных КПНЖК плёнок.

имеют вид
£» = О,
Ну{2)

(3.3)
где с - скорость света в вакууме.
Уравнения для полей £-типа получаются из (3.3) заменой Ех(г)~-Еу(г) , Ну(г)~Нх(г) и ехх~£уу=£1. Уравнения Максвелла в изотропных слоях рассматриваемой слоистой структуры получаются из (3.3) заменой ехх~еа, либо £^~£ь-
Размещение начало координат в центре дефектного слоя позволяет адаптировать для наших целей метод исследования локализованных акустических фононных мод в сверхрешетке с изотропным дефектным слоем. Решение уравнений Максвелла для электрического поля, локализованного в дефектной Ь моде, может быть записано как
где Еф) = Еф) - напряженность электрического поля для локализованной Ь моды и а>і - частота локализованной моды. Для СР-структуры с дефектом напряженность электрического поля в различных слоях может быть представлена, с учетом общего решения уравнения Максвелла для поля в слое (3.3), в виде
в т-ом (т = 1,2,3,...) периоде слева и справа полубесконечных СР; кім задается посредством
Ех{2,1) = Еф)е~^',
(3.4)
(3.5)
где функция/(^,Д^г)определяется посредством /(А,В,к,г) = Ае‘1а +Ве-'к
(3.6)
координата центра дефектного слоя, г1тр 2щ - координаты центров /-го /=<з, Ъ) слоя