RU2164704C2

RU2164704C2 - Linear polarizer built around nematic liquid crystal

Info

Publication number: RU2164704C2
Application number: RU97100956/28A
Authority: RU
Inventors: А.А. Каретников; А.П. Ковшик; Е.И. Рюмцев
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный университет
Priority date: 1997-01-09
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 2001-03-27

Abstract

FIELD: optical devices. SUBSTANCE: polarizer has two optical elements of transparent isotropic material and uniformly oriented liquid-crystal layer placed between their inner effective surfaces, refractive index of its ordinary beam being lower than that of each of optical elements. Uniformly oriented liquid-crystal layer is placed directly between inner effective surfaces of optical elements and is composed of liquid crystals based on 1-n-alkyloxy-4- cinnamic acids and 4-(trans-4-n-alkyl-cyclohexyl) benzonitriles. EFFECT: enhanced degree of polarization. 1 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим устройствам, предназначенным для поляризации света, в частности к линейным поляризаторам, изготовленным из поляризующих материалов, и может быть использовано для получения линейно-поляризованного света в широком спектральном диапазоне, и может найти применение в оптическом приборостроении, в деятельности, связанной с производством и использованием лазерной техники, проекционном телевидении, а также в научных исследованиях. The invention relates to optical devices for polarizing light, in particular to linear polarizers made of polarizing materials, and can be used to obtain linearly polarized light in a wide spectral range, and can be used in optical instrumentation, in activities related to production and use of laser technology, projection television, as well as in scientific research.

Известен линейный поляризатор на кристаллической пластинке [1], основанный на явлении полного внутреннего отражения, содержащий две призмы, изготовленные из оптического стекла и плоскопараллельную пластинку исландского шпата, вырезанную определенным образом относительно кристаллографической оси и заклеенную между призм с помощью специального клея. При наклонном падении света на границу раздела клей-кристалл происходит разделение поляризаций: необыкновенный луч проходит границу раздела без изменения направления, а обыкновенный испытывает полное внутреннее отражение и выводится наружу через боковую грань. Данное устройство позволяет производить поляризацию в широком спектральном диапазоне, но имеет значительные потери света за счет поглощения и рассеяния в объеме кристаллического материала и на всех границах раздела, сложно в обработке природных кристаллов исландского шпата, имеет ограниченность линейной апертуры до значений 20-30 мм, что связано с невозможностью вырезать однородную пластинку большого размера из заготовок, практически добываемых при разработке месторождений исландского шпата. Known linear polarizer on a crystalline plate [1], based on the phenomenon of total internal reflection, containing two prisms made of optical glass and a plane-parallel plate of Icelandic spar, cut in a certain way relative to the crystallographic axis and glued between the prisms using special glue. In the case of oblique incidence of light at the glue-crystal interface, polarization separation occurs: an extraordinary ray passes the interface without changing direction, and an ordinary ray undergoes total internal reflection and is brought out through the side face. This device allows polarization in a wide spectral range, but has significant light losses due to absorption and scattering in the bulk of the crystalline material and at all interfaces, it is difficult to process natural crystals of Icelandic spar, and the linear aperture is limited to 20-30 mm, which due to the inability to cut a homogeneous large-sized plate from billets, practically extracted during the development of deposits of Icelandic spar.

Известен линейный поляризатор [2], который по своей сущности и достигаемым показателям является ближайшим аналогом (прототипом) настоящего изобретения и содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, конкретно в виде двух призм, внутренние рабочие грани которых параллельны, два ориентирующих слоя, нанесенные на эти внутренние рабочие грани призм и размещенный между ориентирующими слоями слой жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов. Поляризатор позволяет производить поляризацию оптического излучения в широком спектральном диапазоне, в таком поляризаторе потери света за счет поглощения и при отражениях от всех границ раздела (стекло-ориентирующий слой, ориентирующий слой-жидкий кристалл) существенно меньше, чем в призме [1]. При изготовлении такого жидкокристаллического поляризатора отсутствует проблема получения однородных пластин исландского шпата (т.к. вместо этих пластин используются слои анизотропной жидкости). Размеры поляризатора определяются только размерами призм из оптического стекла (или другого прозрачного оптического материала) и можно вырезать призму практически любого размера (например, с линейной апертурой до 100 мм). Однако необходимость присутствия ориентирующих слоев, создающих однородную ориентацию жидкого кристалла, существенно усложняет процесс изготовления поляризатора и увеличивает рассеяние света при прохождении им ориентирующих слоев, что особенно характерно как раз для поляризаторов большого размера. Known linear polarizer [2], which in essence and achievable performance is the closest analogue (prototype) of the present invention and contains two optical elements of a transparent isotropic material, specifically in the form of two prisms, the internal working faces of which are parallel, two orienting layers applied to these internal working faces of the prisms and a layer of liquid crystal placed between the alignment layers with an ordinary beam refractive index lower than the refractive index of each of the optically x items. The polarizer allows polarization of optical radiation in a wide spectral range; in such a polarizer, the light loss due to absorption and reflections from all interfaces (glass-orienting layer, orienting layer-liquid crystal) is significantly less than in the prism [1]. In the manufacture of such a liquid crystal polarizer, there is no problem of obtaining uniform plates of Icelandic spar (since instead of these plates layers of anisotropic liquid are used). The size of the polarizer is determined only by the size of the prisms from optical glass (or other transparent optical material) and you can cut a prism of almost any size (for example, with a linear aperture of up to 100 mm). However, the need for the presence of orientation layers, creating a uniform orientation of the liquid crystal, significantly complicates the manufacturing process of the polarizer and increases the scattering of light when passing the orientation layers, which is especially typical of large polarizers.

Решаемой технической задачей является получение поляризатора, который одновременно имел бы более высокий коэффициент пропускания, более высокую степень поляризации света и большую простоту в изготовлении. The technical problem to be solved is to obtain a polarizer that would simultaneously have a higher transmittance, a higher degree of polarization of light, and greater ease of manufacture.

Поставленная цель достигается тем, что линейный жидкокристаллический поляризатор на нематическом жидком кристалле, содержащий два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, и размещенный непосредственно между их внутренними рабочими поверхностями спонтанно однородно ориентированный слой жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов, отличается от вышеописанного тем, что слой нематического жидкого кристалла непосредственно прилегает (без ориентирующих слоев) к внутренним рабочим поверхностям призм и выполнен из смеси 1-н-алкил-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
1-н-алкилокси-4-коричных кислот - 3-85
4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
При этом разделение исходного неполяризованного пучка на две ортогонально поляризованные компоненты вследствие полного внутреннего отражения одной из них происходит со значительно меньшим рассеянием, т.е. с более высокой степенью поляризации, и более высоким пропусканием, поскольку слой жидкого кристалла непосредственно прилегает к прозрачному изотропному материалу оптических элементов.This goal is achieved in that a linear liquid crystal polarizer on a nematic liquid crystal, containing two optical elements of a transparent isotropic material, and placed directly between their internal working surfaces, a spontaneously uniformly oriented layer of liquid crystal with a refractive index of an ordinary beam less than the refractive index of each of the optical elements, differs from the above in that the nematic liquid crystal layer immediately adjacent flushes (without orienting layers) to the inner working surfaces of the prisms and made of a mixture of 1-n-alkyl-4-cinnamic acid and 4- (trans-4-n-alkylcyclohexyl) benzonitriles the following component ratio, wt.%:
1-n-alkyloxy-4-cinnamic acids - 3-85
4- (trans-4-n-alkylcyclohexyl) benzonitriles - the rest
In this case, the separation of the initial unpolarized beam into two orthogonally polarized components due to the total internal reflection of one of them occurs with much less scattering, i.e. with a higher degree of polarization, and higher transmittance, since the liquid crystal layer is directly adjacent to the transparent isotropic material of the optical elements.

На чертеже показан в упрощенном виде один из возможных вариантов линейного поляризатора. Поляризатор содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала - две одинаковые стеклянные трапецеидальные призмы (1) и непосредственно размещенный между их внутренними рабочими поверхностями спонтанно однородно ориентированный слой жидкого кристалла (2) с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления стеклянных призм и таким, что угол падения света на слой НЖК φ_пад удовлетворяет соотношению

где n_о - обыкновенный показатель преломления слоя нематического жидкого кристалла;
n_п - показатель преломления изотропного материала призм;

нормаль к плоскости слоя жидкого кристалла)
во всем рабочем спектральном диапазоне. Слой выполнен из жидких кристаллов на основе 1-н-алкилокси-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
1-н-алкилокси-4-коричныхых кислот - 3-85
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
Толщина слоя жидкого кристалла составляет 1-100 мкм.The drawing shows in a simplified form one of the possible options for a linear polarizer. The polarizer contains two optical elements made of a transparent isotropic material - two identical glass trapezoidal prisms (1) and a spontaneously uniformly oriented layer of liquid crystal (2) directly placed between their internal working surfaces with an ordinary ray refractive index lower than the refractive index of glass prisms and such that the angle of incidence of light on the NLC layer φ _pad satisfies the relation

where n _o is the ordinary refractive index of a layer of a nematic liquid crystal;
n _p is the refractive index of the isotropic material of the prisms;

normal to the plane of the liquid crystal layer)
in the entire working spectral range. The layer is made of liquid crystals based on 1-n-alkyloxy-4-cinnamic acids and 4- (trans-4-n-alkylcyclohexyl) benzonitriles in the following ratio, wt.%:
1-n-alkyloxy-4-cinnamic acids - 3-85
4- (trans-4-alkylcyclohexyl) benzonitriles - the rest
The thickness of the liquid crystal layer is 1-100 microns.

Поляризатор работает следующим образом. Неполяризованный пучок света АО падает на входную поверхность устройства и затем попадает под углом φ_пад на границу раздела изотропный материал - анизотропный спонтанно однородно ориентированный нематический жидкий кристалл, где и происходит разделение поляризаций за счет полного внутреннего отражения обыкновенного луча практически без рассеяния света за счет того, что слой жидкого кристалла непосредственно прилегает к внутренним поверхностям прозрачных стеклянных призм и выполнен из жидких кристаллов на основе 1-н-алкилокси-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
1-н-алкилокси-4-карбоновых кислот - 3-85
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
Необыкновенный луч далее распространяется в направлении 0В, а обыкновенный в направлении ОС.The polarizer works as follows. Non-polarized light beam AB is incident on the entrance surface of the device and then enters at the angle φ _pad on the interface between isotropic material - anisotropic spontaneously homogeneously oriented nematic liquid crystal, where separation occurs polarization due to total internal reflection ordinary ray virtually no scattering of light due to the fact that the liquid crystal layer is directly adjacent to the inner surfaces of the transparent glass prisms and is made of liquid crystals based on 1-n-alkyloxy-4-measles acids and 4- (trans-4-n-alkylcyclohexyl) benzonitriles in the following ratio, wt.%:
1-n-alkyloxy-4-carboxylic acids - 3-85
4- (trans-4-alkylcyclohexyl) benzonitriles - the rest
The extraordinary beam then spreads in the direction 0B, and the ordinary in the direction of the OS.

Т.о. линейный поляризатор с непосредственным прилеганием спонтанно однородно ориентированного слоя жидкого кристалла, выполненного из жидких кристаллов на основе 4-н-алкил-трансциклогексанкарбоновых кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
1-н-алкилокси-4-коричных кислот - 3-85
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
к прозрачному изотропному материалу оптических элементов позволяет получать линейно поляризованный свет с более высоким пропусканием, более высокой степенью поляризации, большей однородностью степени поляризации по линейной апертуре, большей простотой изготовления.T.O. a linear polarizer with a direct fit of a spontaneously uniformly oriented liquid crystal layer made of liquid crystals based on 4-n-alkyl-transcyclohexanecarboxylic acids and 4- (trans-4-n-alkylcyclohexyl) benzonitriles in the following ratio of components, wt. %:
1-n-alkyloxy-4-cinnamic acids - 3-85
4- (trans-4-alkylcyclohexyl) benzonitriles - the rest
to a transparent isotropic material of optical elements allows to obtain linearly polarized light with higher transmittance, higher degree of polarization, greater uniformity of the degree of polarization along the linear aperture, and greater ease of manufacture.

Источники информации
[1] K.Feussner. Zeitsohrift Instrumentenkunde, 1884, v.4, p. 41-50.Sources of information
[1] K. Feussner. Zeitsohrift Instrumentenkunde, 1884, v. 4, p. 41-50.

[2] А. А. Каретников. Оптика и спектроскопия, 1989, т. 67, вып. 2, с. 324-326. [2] A. A. Karetnikov. Optics and Spectroscopy, 1989, v. 67, no. 2, p. 324-326.

Claims

A linear polarizer on a nematic liquid crystal, containing two optical elements made of a transparent isotropic material and placed between their inner working surfaces spontaneously uniformly oriented layer of liquid crystal with a refractive index of an ordinary beam less than the refractive index of each of the optical elements, characterized in that the uniformly oriented layer liquid crystal is directly placed between the internal working surfaces of the optical elements and is made of dkih crystals on the basis of 1-n-alkyloxy-4-cinnamic acid and 4- (trans-4-n-alkylcyclohexyl) benzonitriles the following component ratio, wt.%:
1-n-alkyloxy-4-cinnamic acids - 3 - 85%
4- (trans-4-alkylcyclohexyl) benzonitriles - Else