1.2 Оптические свойства жидких кристаллов

Нематические и холестерические жидкие кристаллы очень чувствительны к внешним полям. Первые эффекты, обусловленные влиянием магнитного поля, были давно найдены группами советских ученых под руководством В. К. Фредерикса и В. Н. Цветкова. Но эффекты, обусловленные электрическим полем, более сложны, поскольку на них влияют примесные носители заряда и электрохимические эвления, однако они очень ярко проявляются и важны для приложений, в частности для систем дисплеев. Жидкокристаллические пленки недороги, работают при низком напряжении и малой мощности. Они часто могут действовать при солнечном свете, поскольку модулируют отраженный свет, включая и солнечный, и таким образом обеспечивают хороший контраст.

Своеобразная структура жидких кристаллов приводит к тому, что одним из основных явлений, их характеризующих, является двойное лучепреломление. Поток электромагнитного излучения, проходя через слои ЖК, распадается на два луча, называемые обыкновенным и необыкновенным. Направление поляризации обыкновенного луча перпендикулярно оптической оси ЖК, тогда как направление поляризации необыкновенного совпадает с ним. Кристалл считается оптически положительным, если коэффициент преломления необыкновенного луча больше, чем коэффициент преломления обыкновенного; в противном случае кристалл считают оптически отрицательным.

Первые два вида ЖК – нематики и смектики – оптически положительны, оптическая ось параллельна длинным осям молекул. Холестерические ЖК оптически отрицательны, что связано со спиралевидной структурой.

Ориентированные слои молекул холестериков, нематиков и некоторых смектиков оптически одноосны, т. е. в них существует только одно направление, в котором свет проходит с одинаковой скоростью, вне зависимости от состояния поляризации. В остальных смектиках, а также в деформированных холестериках и нематиках имеются два таких направления - они двуосны.

Двулучепреломление нематиков монотонно убывает с ростом температуры и резко падает до нуля в точке фазового перехода в изотропную жидкость. Коэффициент преломления для необыкновенного луча п_е резко уменьшается с ростом температуры, а коэффициент преломления обыкновенного луча n₀ медленно растет.

Показано, что термическая зависимость двулучепреломления нематиков определяется дисперсионными силами и силами отталкивания. Замечательными оптическими свойствами обладают системы типа "закрученный нематик". Такую систему получают следующим образом: жидкий кристалл помещают между двумя стеклянными пластинами, поверхности которых обработаны таким образом, чтобы слой нематика ориентировался планарно, и пластины закручивают относительно друг друга на 90°. В результате поворота пластин оптическая ось нематика деформируется (как показано на рисунке). Слой закрученного нематика в параллельных поляроидах дает темное поле зрения, поскольку направление поляризации света, проходящего через слой кристалла, поворачивается на п/2. Более тщательный эксперимент Гука и Тарри показал, что свет, проходящий через слой закрученного нематика, поляризован по эллипсу — поле зрения затемнено не полностью.

Поскольку слой закрученного нематика подобен слою холестерина с относительно большим шагом, Гук и Тарри использовали метод Аззама и Башара и получили следующее выражение для интенсивности I света, прошедшего через закрученный нематик:

где I₀ — интенсивность падающего света; d — толщина образца; — длина волны. Анализ полученных данных показывает, что полное гашение характерно только для некоторых длин волн. Для больших значений х эллиптичностью света можно пренебречь и считать, что направление поляризации света повернуто на 90° независимо от длины волны. Смектические жидкие кристаллы типа А, молекулы в которых выстроены перпендикулярно смектическим плоскостям, оптически одноосны. Кристаллы смектические типа С, для которых характерна ориентация молекул наклонно к плоскости слоев, оптически двуосны, По мнению некоторых авторов, оптическая двуосность смектиков типа С вызвана анизотропией параметра порядка и их "елочной" структурой. Наиболее интересные оптические свойства имеют холестеричеекие жидкие кристаллы. Холестерики, в отличие от нематиков и смектиков, оптически отрицательны (п_е—n₀<0). Они одноосны. Их замечательными оптическими свойствами, которые характерны для твердых кристаллов в диапазоне рентгеновского излучения, являются очень сильная (большая, чем для всех известных веществ) способность вращать плоскость поляризации, и селективное отражение света. Эти исключительные_ свойства жидких кристаллов холестерического типа - следствие их спиральной структуры и того, что длина шага холестерической спирали сравнима с длиной волны видимого света. Распространение света в холестерических жидких кристаллов изучалось многими авторами как теоретически, так и экспериментально. Теория Озеена и де Ври хорошо обьясняет оптические свойства холестериков для случая, когда направление света перпендикулярно ориентированным слоям.