Электрооптические свойства несимметричных жидкокристаллических микролинз

• Автор: Гвоздарев, Алексей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 147 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ДЕФОРМАЦИИ НЕМАТИКА В НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
В АДАПТИВНОЙ ОПТИКЕ
1.1. Электрооптические свойства нематика в неоднородном электрическом поле
1.1.1. Свободная энергия нематика в неоднородном поле
1.1.2. Расчет деформации нематика в слабых аксиальносимметричных полях
1.1.3. Результаты расчетов деформации нематика в неоднородном поле цилиндрической щелевой микролинзы
1.1.4. Метод Аэро для расчета деформации нематика
в неоднородном поле
1.2. Обзор литературы по перестраиваемой ЖК-оптикс
1.2.1. Перестраиваемые ЖК-линзы
1.2.2. Перестраиваемые ЖК-микролинзы
1.2.3. Симметричные ЖК-микролинзы
1.2.4. Применение ЖК-микролинз в оптических устройствах
1.3. Выводы
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
2.1. Методика эксперимента
2.1.1. ЖК-материалы и методы ориентации
2.1.2. Оптические измерения
2.2. Оптические свойства
ЖК-микролинз с гомеотропной ориентацией
2.3. Оптические свойства
ЖК-микролинз с планарной ориентацией
2.4. Оптические свойства
ЖК-микролинз с гомеопланарной ориентацией
2.5. Сравнение электрооптические свойств ЖК-микролинз с различными видами ориентации
2.6. Выводы к главе

3. РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИИ ДИРЕКТОРА НЕМАТИКА
В АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНОМ НЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ ЖК-МИКРОЛИНЗЫ
3.1. Предварительные замечания
3.2. Уравнения электростатики
3.3. Уравнения ориентационного равновесия директора
3.4. Постановка задачи в приближении однородной среды
3.5. Постановка задачи с учетом диэлектрической постоянной стекла
4. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖК-МИКРОЛИНЗ
4.1. Значимые параметры задачи
4.2. Модель идеальной ЖК-микролинзы
4.3. Анализ результатов экспериментов фокусирующих свойств ЖК-микролинз
4.4. Зависимость свойств ЖК-микролинзы от параметра приведенного поля (и/11о)/(Ь/(1)
4.5. Выводы к главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ
Современное состояние и актуальность темы исследований.
Одним из перспективных направлений развития оптики является создание оптических устройств с управляемыми параметрами. В последние годы были достигнуты значительные успехи в разработке перестраиваемых оптических элементов с параболическим фазовым профилем на основе нематических жидких кристаллов (НЖК): ЖК-линз [1, 2] и ЖК-микролинз [3, 4, 5, 6, 7]. В этих устройствах используется эффект переориентации молекул НЖК в неоднородном электрическом поле, создаваемом при помощи специальной геометрии электродов. Такие оптические элементы обеспечивают создание перестраиваемых устройств с малыми управляющими напряжениями и малой мощностью потребления, обладающих технологичностью изготовления и относительно малой стоимостью. Их использование позволяет избежать механического движения в оптических системах, а время срабатывания составляет от 10 мс до десятка секунд [8]. В частности, ЖК-микролинзы могут найти применение в волоконной оптике [8] и в качестве преобразователей поляризации света [9].
Японскими исследователями были предложены конструкции ЖК-микролинз и проведены исследования их электрооптических свойств. Основное внимание при этом было уделено ЖК-микролинзам с симметричной электродной структурой, в результате в настоящее время их свойства исследованы достаточно подробно [10, 11,6, 12]. Свойства несимметричных ЖК-микролинз были ими изучены фрагментарно.
Моделирование ЖК-микролинз потребовало развития методов расчета деформации директора нематика в неоднородных полях при больших углах деформации. Для случая декартовой симметрии такие расчеты были осуществлены немецкими исследователями [13], которые имеют качественное согласие с экспериментальными данными. Для случая аксиальной симметрии методы расчета деформации нематика были разработаны лишь для случая малых деформаций [14].
Цель и задачи исследований.
Целью диссертационной работы является изучение электрооптических свойств несимметричных ЖК-микролинз. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Экспериментально исследовать зависимости электрооптических свойств ЖК-микролинз от напряжения и геометрических параметров микролинзы;
2. Разработать метод теоретического расчета электрооптических свойств нематиков в аксиально-симметричных неоднородных электрических полях;

Таблица
Зависимость напряжения максимума числовой апертуры ит ЖК-микролинзы с двумя отверстиями (£1/7 = 3) от порогового напряжения Б-эффекта ЖК-материала
Нематик Ае Кц, 10-12 и8, в ит, В ит/и3
гЫ-3096 21.4 8.9 0.68 1
Е7 13.8 11.1 0.95 2
Е44 16.8 15.5 1.01 2
гЫ-2471 4.5 13.9 1.86 4
поперечного изгиба (см. рис. 1.76). Поэтому в случае астигматизма упругих свойств нематика деформация в этих плоскостях становится различной. Это различие порождает астигматизм микролинз. Было обнаружено, что астигматическая разность фокусных расстояний монотонно убывает с напряжением, принимая при некотором напряжении нулевое значение, а затем — отрицательные значения (см. рис. 1.7в). Исследования оптических свойств ЖК-микролинз на основе различных нематиков показали, что параметр астигматизма (разность констант второго порядка в разложении полиномов, аппроксимирующих фазовый профиль микролинзы в плоскостях вдоль и поперек направления натирания) линейно связан с соотношением упругих констант К/Кц (см. рис. 1.7г): чем больше анизотропия упругих свойств, тем сильнее проявлен астигматизм. В работе [12] показано, что в случае использования ЖК-микролинз с эллиптическими отверстиями в электродах астигматизм ”легко контролируется эллиптичностью электродов и прикладываемым напряжением”, то есть можно подобрать форму электродов так, чтобы избежать его при некотором напряжении.
Дальнейшее усовершенствование конструкции ЖК-микролинз было осуществлено в работах [47, 6], где предложена конструкция ЖК-микролинзы, способной к двумерному (трехмерному) перемещению точки фокусировки. Электроды этой ЖК-микролинзы не только имеют отверстия, но также поделены пополам узкими щелями на два (четыре) сектора, и на разные сектора подаются различные напряжения. Вследствие различия деформации нематика в различных секторах микролинзы возникает линейная добавка в фазовый профиль ЖК-микролинзы, вызывающая сдвиг пучка в поперечном направлении (как у призмы). Показано, что при небольшой разнице этих напряжений оптические свойства микролинзы остаются хорошими, зато достигается возможность управляемого смещения точки фокусировки в направлении, поперечном к оптической оси. Согласно данным, приведен-