ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................4
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ СВЕТОИНДЩИРОВАННОЙ
ПЕРЕОРИЕНТАЦИЙ ДИРЕКТОРА В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).................................9
ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРИЕНТАЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ
В МЕЗОФАЗЕ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ.ВЕС-
ПОРОГОВ/Л ПЕРЕОРИЕНТАЦИЯ...........................25
§1. Исследование нелинейного вращения эллипса поляризации световой волны в нематическом
жидком кристалле...................................26
§2. Ориентационная нелинейность мезофазы нематического жидкого кристалла вблизи порога перехода Фредерикса..........................................39
§3, Ориентационная нелинейность в поле коротких
лазерных импульсов..................................47
§4. Упорядочение структуры и увеличение прозрачности НЖК под действием лазерного излучения. . . .52 ГЛАВА III.ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОГОВОЙ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ ДИРЕКТОРА НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ.ПЕРЕХОД ФРЕДЕРИКСА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНЫХ ПОЛЕЙ............................58
§1. Схемы экспериментов в гомеотропных слоях
нематиков.Методика измерений........................59
§2. Исследование перехода Фредерикса в нематических жидких кристаллах под действием лазерных полей.
Результаты экспериментов............................63
§3. Переориентация директора нематика в поле волны,
локализованной у поверхности........................77
- 3 -
ГЛАВА 1У. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СЛАБЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМИ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЯЧЕЙКАМ. .87 §1. Принцип работы оптически управляемых жидкокристаллических ячеек с полупроводниковым фотослоем и возможность осуществления обращения волнового
фронта излучения........................................89
§2. Эксперимент по восстановлению волнового фронта слабых лазерных пучков при помощи оптически управляемой жидкокристаллической ячейки с фото-
полупроводниковым слоем................................92
§3. Оптически управляемый интерференционно-поляризационный фильтр на основе жидкого кристалла.................98
ГЛАВА У. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СТРУКТУРУ ОРИЕНТИРОВАННОГО
ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА......................................102
§1. Влияние локального нагрева нематика на проявление
ориентационной нелинейности............................103
§2. Экспериментальное исследование теплового
воздействия лазерного излучения на ориентированный слой холестерика.Тепловая нелинейная
оптическая активность..................................106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................117
ЛИТЕРАТУРА.......................................................119
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Оптические исследования жидких кристаллов (ШК),(преимущественно термотропных) (см. [1-5] ), за последнее время приобрели значительный размах. Использование лазерных источников света значительно расширило область возможных экспериментов,позволяющих изучить разнообразные свойства этих удивительных сред.Основным свойством жидкокристаллических сред,отличающим их от изотропных жидкостей, является наличие ориентационной степени свободы длинных осей молекул,что характеризует их пространственную упорядоченность в жидком анизотропном веществе.Этим обуславливается^ частности,высокая чувствительность структуры Ж к внешним механическим,электрическим, магнитным и термическим воздействиям,что позволяет легко управлять их свойствами.Благодаря этому,жидкие кристаллы в последнее время нашли практическое применение в самых современных областях науки и техники [4-б] .
Структурные превращения в жидких кристаллах приводят к радикальным изменениям их свойств.При этом наиболее ярко проявляются изменения оптических свойств тонких слоев Ж,чем обусловлен большой интерес к их оптическим исследованиям таких слоев.
В общем ряду оптических методов измерений характеристик вещества особое место занимают нелинейно-оптические методы исследования [7-8] .Получаемая здесь информация является наиболее полной. Эти методы,делая возможным получение информации об отдельных атомах и молекулах и об их взаимодействии,позволяют решать целый ряд принципиальных задач науки и техники.Однако,переложение задач нелинейной оптики на жидкие кристаллы имеет ряд особенностей в связи со специфическим строением этих сред.Результаты исследований жидких кристаллов методами нелинейной оптики [9,10] содержат новую информацию о структуре и симметрии этих сред [ II ] .Нелинейные эффекты разных порядков позволяют в области фазовых переходов,
- 6 -
дах и их эффективное управление.Эти эффекты наиболее интересны в области фазовых переходов,где сильно меняются характеристики среды.
Способность ЖК реагировать на слабые световые поля сделала актуальными исследования возможностей их использования в качестве сред для осуществления ОВФ [20-22] .Появилась возможность восстановления волновых фронтов световых пучков достаточно низких интенсивностей, что особенно важно для осуществления компенсации искажений волновых пучков при передаче информации с помощью света через атмосферу,при оптической локации и самонаведении и т.п.
Для всестороннего и глубокого понимания физических свойств жидких кристаллов стало необходимым и актуальным исследование явлений происходящих на механизмах светоиндуцированных нелинейных изменений структур жидких кристаллов,экспериментальное обнаружение и изучение специфических особенностей этих явлений с целью отыскания возможностей их практического применения.
Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию нелинейно-оптических ориентационных явлений в жидких кристаллах при воздействии световых волн, обнаружению и выявлению специфических особенностей нелинейных светоиндуцированных пороговых и беспороговых переориентаций директора Ж,а также исследованию эффектов,возникающих из-за теплового воздействия лазерного излучения на НШ [23-35] .
В первой главе проведен анализ опубликованных по настоящее время работ посвященных исследованиям светоиндуцированных нелинейных явлений в жидких кристаллах.
Во второй главе диссертации исследованы явления изменения ориентации эллипса поляризации проходящего через НЖ света на механизме ориентационной оптической нелинейности и поведение этой нелинейности вблизи неоптического перехода Фредерикса в НШ.Пред-
7
ставлены результаты экспериментального наблюдения переориентации директора НЖ в полях коротких лазерных импульсов и упорядочения структуры НЖ при воздействии непрерывного лазерного излучения [ 23-26 ] .
Третья глава посвящена исследованиям светоиндуцированных пороговых переориентаций директора в жидких кристаллах.Обсуждается методика определения порогового значения интенсивности по динамике процесса.Приводятся результаты исследований светоиндуцированного перехода Фредерикса (СПФ) в НЖ при воздействий непрерывного и импульсного излучения.Обнаружены и исследованы пороговая и беспороговая переориентации директора НЖ в поле поверхностной световой волны, получаемой при полном внутреннем отражении света на границе стекло-НЖ [ 27-31 ] .
В четвертой главе изучено взаимодействие световых волн с оптически управляемыми жидкокристаллическими ячейками.Представлены результаты экспериментального восстановления волновых фронтов слабых (несколько микроватт) световых сигналов с помощью ячейки с фотополупроводниковым слоем [32-33] .Обсуждается работа нового оптически управляемого поляризационно-интерференционного фильтра на основе жидкого кристалла [ 34 ] .
В главе У исследуется влияние нагрева Ж среды при воздействии лазерного излучения на процесс переориентации директора. Исследовано явление тепловой нелинейной оптической активности ХЖ [26,27,35] .
В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации.
На защиту выносятся:
1.В мезофазе НЖ происходит нелинейное вращение эллипса поляризации наклонно падающего светового пучка на механизме ориентационной нелинейности мезофазы.
- 8 -
2.Вблизи порога перехода Фредерикса в квазистатическом электрическом поле происходит увеличение ориентационной нелинейности по закону типа закона Кюри-Вейсса.
3.В поле локализованной у поверхности световой волны,получаемой при полном внутреннем отражении от границы стекло-планарно ориентированный НЖ,при условии малости энергии сцепления НЖ с поверхностью стекла,может иметь место светоиндуцированный переход Фредерикса.Существует временное запаздывание реакции НЖ на световое воздействие при СПФ в гомеотропных слоях нематиков.
4.В оптически управляемых жидкокристаллических ячейках с фотополупроводниковым слоем реализуется обращение волнового фронта световых сигналов микроваттных интенсивностей.
5.Локальное термическое воздействие лазерного излучения на спиральную структуру холестерического жидкого кристалла приводит к появлению нелинейного вращения плоскости поляризации излучения.
Все результаты,изложенные в диссертационной работе,получены соискателем лично.В работах,выполненных в соавторстве,соискателю принадлежит сборка экспериментальных установок,разработка методик измерений и реализация экспериментов.Автор принимал непосредственное участие в интерпретации результатов изложенных в диссертационной работе.
- 9 -
ГЛАВА I •ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ СВЕТОИНДУЩРОВАННОЙ
ПЕРЕОРИЕНТАЦИЙ ДИРЕКТОРА В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).
До недавнего времени исследования жидких кристаллов методами нелинейной оптики велись,главным образом,в изотропной фазе. Можно отметить работы по самофокусировке света [36-38] , по четырехфотонным процессам [39,40] , по вынужденному рассеянию света [41-43] ,в которых благодаря сравнительно большим временам релаксаций подробно исследовалась динамика эффектов, а также изменение величины нелинейности в зависимости от близости температуры вещества к температуре фазового перехода.При этом удалось получить величину нелинейной константы самофокусировки порядка 62 ^ Ю“9см3/эрг.
Исследованию мезофазы жидких кристаллов посвящалось относительно небольшое число работ.Из них отметим работы по генерации второй и третьей гармоник в НЖК [45-51] и тепловой самофокусировке излучения в НЖК [ 52] .Отметим также работу [ 53 ] ,в которой был рассмотрен процесс переориентации директора НЖК парой интерферирующих волн, причем с помощью внешнего магнитного поля ячейка предполагалась приведенной в состояние неустойчивости.Здесь уже рассматривался процесс усиления слабой волны за счет самодифракции сильной волны.Результаты этой работы экспериментально подтвердились в [ 54 ] .
В работах [12-18,53] были предсказаны и обнаружены экспериментально весьма сильные эффекты самовоздействия монохроматических световых полей,а именно,гигантские кубичные оптические нелинейности нематических [14] »холестерических [15] и смектических [1б] жидких кристаллов.Эти нелинейности оказались на несколько порядков больше,чем нелинейности в "обычных” нелинейных средах и
- 10 -
вызвали большой интерес исследователей к мезофазам жидких крис -таллов.
В работе [14] была теоретически исследована нелинейность, обусловленная локальной переориентацией директора НЖК.
На основе этой "гигантской11 нелинейности (нелинейная кон -станта Ю“*см3/эрг,что в 10^ раз больше нелинейности се-
роуглерода) были обсуждены эффекты самофокусировки света и обращения волнового фронта при соответствующей геометрии эксперимента в мезофазе НШ.
Последующие работы [15,1б] касались подобных исследований в холестерических и смектических жидких кристаллах.Однако,отличие структур этих сред приводило к специфическим эффектам.Так, в [15] оказалось,что в планарно ориентированных холестериках наиболее сильно может проявляться эффект изменения хода директора по спирали под влиянием ориентирующего светового поля при сохранения периода спирали.Рассчитанная величина нелинейной константы была
^ 8 • 10”^см3/эрг. Для смектических жидких кристаллов "С" получились сильные эффекты обусловленные поворотом С-директора без деформации слоев, а для смектиков "А"-поворот директора с деформацией слоев, в результате чего нелинейный отклик среды становился нелокальным.Вычисленные константы оптической нелинейности получились для самофокусировки света в СШК порядка 0,2см3/эрг.
Эти работы, фактически,дали импульс к развитию нового направления в физике жидких кристаллов - исследованию ориентационной оптической нелинейности мезофазы Ж.Приведем кратко основы теории явления переориентации директора НЖ в поле световой волны (см. [ 14,17,19,54 ].
Рассмотрим ячейку с планарно ориентированным жидким кристаллом толщиной Ь .Пусть ось 2 декартовой системы координат совпадает с направлением нормали к стенкам ячейки,а ось X направ-
- II -
лена параллельно директору НЖ т.е. п° = е* .Примем,что ориентация в ячейке задается стенками и поддерживается жестко И,(2=0,Х,у) = К1(2=|_*Х,у). Если в такой
ячейке распространяется плоская монохроматическая волна необык-новенного типа с волновш вектором К и комплексной амплитудой Е =^Е , где 6=6 - единичный вектор, то она в общем
случае приводит к возмущению директора, которое в линейном по |Е|2 приближении описывается уравнениями (подробнее см. [14]):
^-^--Ь^Й + еГе,)' ®
= ^(е.е*. + е:е,)-
где У -вязкость (пуаз); К1 » Кг ~ константы упругости;
6а = £>и - 61 -анизотропия диэлектрической проницаемости.Решение этих уравнений,при условии независимости "Е от сечения пучка, методом разделения переменных имеет вид:
И
ОО
Згупг
,,г (2,Е) _ ^ Аг,у(1) вси.—
I
т-1
где
а“=;
13)
г С=Л,(тТ!
ГУУЬ Т
(сек ) - характеризует скорость установления соответствующей синусоидальной моды.Отличный от нуля только при нечетных значениях И1 множитель иг1[1-(-1)т] соответствует разложению постоянной функции в ряд Фурье по синусам в интервале (0, ).
Изменение фазы поля с учетом наиболее сильной моды с игг =1
- Київ+380960830922