Егоров Лабораторный практикум Физические основы модуляции лазерного излучения 2008

между скрещенным поляризатором и анализатором, получим модуляцию интенсивности

I = I0 sin2(2 0) sin2( /2),

где I0 – интенсивность падающего света с учетом пропускания поляроидов, 0- угол между осью поляризатора и начальной ориентацией молекул на подложках.

1

3

аб

Рис. 6.4. Переориентация в текстурах НЖК под действием электрического поля (переход Фредерикса).

Показаны изменения директора в пространстве и при наложении поля: 1 – поле отсутствует, вид вдоль поверхности подложек;

2 – поле отсутствует, вид в плане; 3 – поле включено, вид вдоль поверхности подложек;

а – планарная текстура (S), б – твист-текстура (T)

Для световой волны, ортогональной к плоскости подложек, S-текстура имеет наиболее сильно выраженное двулучепреломление; nmax = ne – no. Здесь ne и no обозначены соответственно показатели преломления для поляризации света, совпадающей с длинной осью молекулы, и для поляризации, ортогональной ей, т.е. показатели преломления для необыкновенной и обыкновенной волн. При достижении некоторого порогового напряжения VП на электродах (обычно единицы вольт), момент электростатических сил преодолевает момент сил упругости, удерживающих молекулы

висходном положении, и они начинают переориентацию: сначала

вцентре слоя, где взаимодействие с подложкой минимально, а затем и по всей толщине слоя. Этот процесс переориентации извес-

111

тен с 30-х годов под названием перехода Фредерикса. В этом процессе двулучепреломление ne – no уменьшается от максимума почти до нуля.

При напряжении V > VП направления осей молекул в слое характеризуются некоторыми углами к направлению первоначальной ориентации и становятся функциями координаты слоя по толщине. Соответственно уменьшается проекция длинных осей молекул на плоскость подложки и связанное с ней значение большего показателя преломления ne, тогда как значение no остается неизменным. В результате двулучепреломление ЖК ячейки определяется некоторой эффективной разностью показателей преломления nэфф, которая максимальна для недеформированного слоя ЖК и приближается к нулю (ячейка почти изотропна для проходящего света) при V > VП . Установив «скрещенные» поляризаторы, под углом 45 к направлению исходной ориентации молекул ЖК, преобразуем изменение двулучепреломления через модуляцию поляризации в модуляции интенсивности проходящего света. Зависимость интенсивности света за поляризатором от nэфф имеет вид

I ~ I0 sin2( L nэфф/ ).

Для многих ЖК nmax = 0.2 .. 0.4, поэтому изменение двулучепреломления в электрическом поле обеспечивает максимальную глубину модуляции интенсивности видимого света уже на толщине слоя L около 1 мкм. В более толстых ячейках можно получить до нескольких чередующихся пиков и минимумов пропускания света (рис. 6.5, а), а однозначное изменение интенсивности (в пределах изменения задержки по фазе от 0 до ) можно получить при незначительном изменении ориентации молекул в части слоя ЖК. Изменение разности фаз при S-эффекте может превышать 10 при толщине слоя ЖК до 10 .. 20 мкм. Поэтому S-текстуры наиболее критичны к управляющему напряжению, и применяют их чаще всего в специализированной аппаратуре. Возможность получить значительные фазовые сдвиги в толстой S-текстуре особенно ценна для адаптивных оптических систем.

Механический по сути характер переориентации молекул ЖК в вязкой среде ограничивает скорость оптического отклика на электрический сигнал, т.е. быстродействие ЖК ячейки. Для разных типов ЖК оно варьируется от секунд до микросекунд при напряжениях, соответствующих полуволновому (от десятков до долей

112

вольта). В настоящее время интенсивно исследуют эффекты кооперативного взаимодействия молекул в некоторых ЖК системах, где изменения ориентации происходят за сотые доли микросекунды; подобные системы отчасти похожи на сегнетоэлектрики. Кроме того, известны молекулы, в которых ориентационные эффекты связаны не с поворотом молекулы как целого, а с изгибом молекулы; на такие процессы слабее влияет вязкость.

пропускание, % пропускание, %

Рис. 6.5. Зависимость пропускания ЖК ячейки от управляющего напряжения:

а– толстая S-текстура, возможные варианты при различной толщине слоя ЖК;

б– T-текстура

Возврат молекул к исходной ориентации при выключении поля происходит по действием упругих сил, причем время этого процесса (время релаксации или время памяти) обычно на 1-2 порядка больше времени электрооптического отклика. (Ныне известны молекулы ЖК, которые электрическим полем существенно более высокой частоты можно ориентировать длинной осью поперек поля; при этом перестройка гомеотропной текстуры в исходную планарную происходит практически с той же скоростью, как и перестройка текстуры планарной в гомеотропную.)

6.3. Электрооптические модуляторы света на основе твист-текстур ЖК

В простейших электроооптических ЖК модуляторах, как и в индикаторах и дисплеях, используют изменение поляризации проходящего света при перестройке тектуры нематика под действием электрического поля. Исходной может быть либо планарная текстура, либо твист-текстура. В обоих случаях текстуры образуются за счет ориентирующего действия подложек. В обоих случаях под

113

действием электрического поля исходная текстура переходит в гомеотропную, не влияющую на поляризацию проходящего через нее излучения. В предыдущем разделе описано действие ЖК-ячейки с планарной текстурой.

Для практики более удобна ячейка с твист-текстурой. Получить ее не труднее, чем планарную, а применять ее в модуляторах различной конфигурации несравненно проще. В частности, гораздо легче получить монотонную зависимость пропускания ячейки от управляющего напряжения. Кроме того, при изменении ориентации лишь одного из двух поляризаторов ячейку с твист-текстурой можно перевести из режима затвора, отпираемого электрическим сигналом, в режим затвора, запираемого таким же сигналом. При использовании планарной текстуры этого добиться труднее. Причина состоит в том, что планарная текстура по оптическим свойствам эквивалентна двулучепреломляющей пластинке, и ориентировать ее ось по отношению к оси поляризатора следует под углом 45 , а по вносимой разности фаз она должна быть как можно ближе к пластинке ; только при этих условиях можно получить полное просветление при скрещенных поляризаторах (и гашение света при подаче управляющего напряжения), полное гашение при параллельных поляризаторах (и просветление при подаче управляющего напряжения). Отклонения от этих условий приводят к заметному уменьшению глубины модуляции, неполному гашению или просветлению ячейки (рис. 6.5, а). Такое снижение качества модулятора особенно неприятно в индикаторах и дисплеях, где желательно, чтобы контраст активного сегмента на общем фоне был максимален, а пассивный сегмент был бы просто невидимым.

Изменение директора твист-текстуры под действием поля называют Т-переходом (рис. 6.4, б). При Т-деформациях наблюдают

вращение плоскости поляризации. Твист-текстура, в отличие от планарной, без управляющего напряжения в идеале только поворачивает на 90 эллипс поляризации проходящего через нее света, не меняя степень эллиптичности, при произвольной ориентации осей этого эллипса. Обычно направление текстуры одной из подложек параллельно, а направление второй – ортогонально оси одного из поляризаторов; ось второго поляризатора либо параллельна (активный сегмент виден как просветленный в темном поле, как показывает зависимость пропускания от напряжения на рис. 6.5, б), либо ортогональна оси первого поляризатора (тогда активный сег-

114

мент виден как затемненный в светлом поле). При этом двулучепреломление малозаметно, так как оно появляется только при отклонениях ориентации подложек и поляризаторов от номинальных при сборке. Но даже и в этом случае небольшое остаточное двулучепреломление практически влияет не на контраст, а только на общее пропускание света в пассивной структуре. ЖК индикаторы массового применения изготавливают почти исключительно на основе нематических твист-текстур.

6.4. Модулятор света со структурой фотопроводник-ЖК

Исторически одним из первых ПМС класса "свет-свет" была структура фотопроводник-ЖК (ФП-ЖК) (рис. 6.6). В ней слой поликристаллического или аморфного ФП и слой ЖК помещены между прозрачными электродами, к которым прикладывают постоянное или переменное питающее напряжение. Считывающее излучение проходит через слой жидкого кристалла, отражается от диэлектрического зеркала и снова проходит через слой ЖК.

При освещении ФП его проводимость увеличивается, и поэтому напряжение на слое ФП падает, а на слое ЖК растет. Вызванный этим электрооптический эффект в слое ЖК создает пространствен- но-зависимую (пространственную) модуляцию считывающего отраженного излучения в соответствии с распределением освещенности фотопроводника. Изменение поля освещенности фотопроводника во времени вызывает пространственно-временную модуляцию излучения.

В подобных структурах следует добиваться минимального воздействия считывающего излучения на фотопроводник за счет высокого качества отражающего слоя, который может быть либо сплошным, либо дискретным (мозаика). В одном из наиболее технически совершенных приборов применено диэлектрическое зеркало из 12 чередующихся слоев сульфида цинка и фторида магния (криолита). Оно представляет собой по существу комбинацию из двух зеркал с максимумами отражения на длинах волн соответственно 488 и 632 нм, поэтому имеет коэффициент отражения не менее 90% в диапазоне 400 .. 700 нм.

Дополнительно надежную развязку каналов записи и считывания дает блокирующий (поглощающий) слой CdTe толщиной 2 мкм с поверхностным сопротивлением 10 Ом.кв. и поглощением более 105 на длине волны 525 нм. Этот слой образует гетеропере-

115

ход с ФП, в качестве которого обычно используют поликристаллический слой CdS толщиной 12...16 мкм.

Рис. 6.6. Структура ПВМС типа ФП-ЖК (толщина слоев показана условно, без соблюдения масштабов):

1 – считывающее излучение, 2 – просветляющее покрытие, 3 – стеклянные подложки, 4 – слой ЖК, 5 ориентирующие покрытия подложек,

6 – изолирующая прокладка, 7 – диэлектрическое зеркало, 8 – блокирующий поглощающий слой, 9 – фотопроводник, 10 – записывающее излучение, 11 – прозрачные электроды

Для питания структур ФП-ЖК с диэлектрическими слоями используют переменное напряжение. Это увеличивает срок службы прибора и улучшает его быстродействие, так как в этом случае исключены электролиз ЖК и накопление заряда на границе ФП-ЖК.

Чувствительность такой структуры при использовании эффекта динамического рассеяния в ЖК составляла 50..500 мкВт/см2 (в зависимости от выбранного режима работы), время включения около 10 мс, время выключения – 30 мс, пространственное разрешение не превышало 20 лин/мм.

Наилучшие показатели пространственной модуляции света в ПВМС типа ФП-ЖК удалось получить на основе ориентационных S и B-эффектов. При этом весьма важную роль играет диэлектрическая анизотропия ЖК – при ее уменьшении разрешение улучшается. Этот факт можно объяснить уменьшением объема ЖК, в котором упругие силы компенсируют энергию взаимодействия ЖК с неоднородным электрическим полем, а эта энергия пропорцио-

116

нальна диэлектрической анизотропии. Пространственное разрешение структур ФП-ЖК со слоем ЖК толщиной около 1 мкм при диэлектрической анизотропии 0.1 достигло 350 лин/мм.

В результате оптимизации таких структур путем согласования полных сопротивлений фоточувствительной и электроооптических частей удалось достигнуть чувствительности примерно до 2.106 Дж/см2. Для согласования полных сопротивлений обеих частей подбирают компромисс между толщиной ЖК и его проводимостью. Для увеличения динамического диапазона изменений полного сопротивления ФП следует выбирать ФП максимально доступной толщины и снижать частоту питающего напряжения. Однако, с другой стороны, при питании ЖК ячейки переменным напряжением скорость электрооптического отклика в пределах, полагаемых амплитудой поля и вязко-упругими параметрами ЖК, очевидно, растет с частотой питающего напряжения вплоть до частот, период которых достигает времени диэлектрической релаксации ЖК. Поэтому выбирают частоту, обеспечивающую нужное быстродействие и лежащую при этом в области максимальной чувствительности структуры.

6.5. Заключительные замечания

Жидкие кристаллы были, быть может, первым примером

самоорганизующихся наноструктур. ЖК среди подобных структур первыми нашли действительно широкое практическое применение. Физические механизмы действия ЖК приборов не связаны явно с квантовыми эффектами, но можно предположить, что результатом дальнейших исследований станут новые системы, где эффекты самоорганизации ЖК будут помогать упорядочиванию внедренных в них наноразмерных частиц, где квантовые эффекты играют заметную роль. В частности, некоторые смектические мезофазы могли бы выполнять функцию матриц, формирующих двумерные и трехмерные структуры с регулярным расположением нанокристаллов полупроводников или макромолекул с нужными оптическими свойствами (фотонные кристаллы). Такие подходы могут открыть новые возможности управления оптическим излучением в недорогой аппаратуре массового применения, – так же, как ныне широко применяют ЖК в видеотехнике, в дисплеях и индикаторах радиоэлектронной аппаратуры.

117

7.ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА

ВФОТОРЕФРАКТИВНЫХ КРИСТАЛЛАХ

7.1. Введение

Что такое обращение волнового фронта и что такое обращенная волна? Прежде, чем дать формальные определения, рассмотрим пример, где на практике могут принести пользу и свойства обращенной волны, и сам метод обращения волнового фронта.

Для сильного разогрева мишени размером менее миллиметра лазерным излучением его необходимо как можно лучше сфокусировать, чтобы весь свет попал на поверхность мишени. Для разогрева до порога термоядерных реакций нужную энергию излучения лазера невозможно получить без применения мощных усилителей. Но в усилителях волновой фронт излучения задающего генераторалазера искажается настолько, что эффективно сфокусировать его на заданной мишени невозможно. Причина искажений волнового фронта в усилителе – пространственные неоднородности накачки, усиления и температуры. Вдобавок эти неоднородности изменяются во времени. В результате пятно фокусировки вместо сотни микрон расплывается на миллиметры и более, а дополнительная оптика не помогает.

Альтернатива простейшей схеме показана на рис. 7.1, а. Лазерлокатор с небольшой энергией облучает мишень; рассеянное на ней излучение проходит через усилитель бегущей волны к устройству для обращения волнового фронта. Назначение этого устройства можно описать (пока примитивно и нестрого) как отражение каждого падающего на него светового луча точно назад на его же трассу. Тогда, вследствие обратимости световых волн во времени, отраженная (обращенная) волна на обратном пути, проходя по тем же самым участкам в объеме усиливающей среды, окажется сфокусированной на поверхности мишени; все неоднородные набеги фазы в обращенной волне будут скомпенсированы.

Теоретически так же можно фокусировать излучение не только на малой, но и на удаленной мишени, попавшей в луч лазералокатора; при этом, конечно, будут компенсироваться фазовые искажения волнового фронта и в усилителе, и в турбулентной атмосфере (рис. 7.1, б).

118

Рис. 7.2. Обращение волнового фронта при восстановлении голограммы in situ:

а- запись попутными волнами, б - восстановление встречной волной,

в- запись встречными волнами, г - восстановление попутной волной

Некоторые лазеры дают излучение с очень плохим качеством волнового фронта из-за специфических оптических свойств их активной среды. Чтобы выправить волновой фронт, применяют фазокорректирующие пластинки, сформированные излучением самого лазера методами голографии (рис. 7.2). Так как предметная и опорная волны принципиально равноправны, то восстановление голограммы, проявленной непосредственно на месте съемки, излучением лазера как опорной волной, даст предметную волну; ее же при съемке пространственной фильтрацией формируют как предметную волну с хорошей формой волнового фронта, близкой к плоской или сферической. Более того, если полученную при восстановлении "хорошую" волну обратить, то есть отразить при помощи плоского зеркала строго назад, то она, в соответствии со свойствами голограммы, будет частично рассеяна назад точно в лазер. Эта

120