RU2366989C2 - Method for control of light polarisation and fast-acting controlled optical element with application of cholesteric liquid crystal (versions) - Google Patents
Method for control of light polarisation and fast-acting controlled optical element with application of cholesteric liquid crystal (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2366989C2 RU2366989C2 RU2007129670/28A RU2007129670A RU2366989C2 RU 2366989 C2 RU2366989 C2 RU 2366989C2 RU 2007129670/28 A RU2007129670/28 A RU 2007129670/28A RU 2007129670 A RU2007129670 A RU 2007129670A RU 2366989 C2 RU2366989 C2 RU 2366989C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid crystal
- element according
- cholesteric liquid
- layer
- cholesteric
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
- Liquid Crystal Substances (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электро- и магнитооптическим устройствам для управления свойствами светового потока, а также для отображения и обработки информации. В частности, оно может быть применено для создания модуляторов светового излучения и жидкокристаллических дисплеев. Изобретение включает основанный на холестерических жидких кристаллах способ управления поляризацией света с помощью электрического или магнитного поля, а также быстродействующие электро- и магнитооптические элементы с применением этого способа.The invention relates to electro-and magneto-optical devices for controlling the properties of the light flux, as well as for displaying and processing information. In particular, it can be used to create modulators of light radiation and liquid crystal displays. The invention includes a method for controlling light polarization based on cholesteric liquid crystals using an electric or magnetic field, as well as high-speed electro-and magneto-optical elements using this method.
Ориентационные эффекты в жидких кристаллах, благодаря присущей жидким кристаллам диэлектрической, магнитной и оптической анизотропии, могут применяться для управления состоянием поляризации света с помощью электрического или магнитного поля [L.M.Blinov, V.G.Chigrinov. Electrooptic Effects in Liquid Crystals Materials, Springer-Verlag, New York Inc., 1994]. На основе этих эффектов могут быть созданы как модуляторы фазы, так и модуляторы интенсивности электромагнитных и, в частности, световых волн. Жидкокристаллические дисплеи, а также различного типа модуляторы интенсивности света, устройства для управления фазовой задержкой электромагнитных волн основаны на электрооптических элементах, которые, в большинстве случаев, состоят из двух подложек с электродами для создания электрического поля в жидком кристалле, между которыми имеется фиксированный зазор, заполняемый жидким кристаллом. Кроме того, на электроды наносятся тонкие дополнительные покрытия (пленки), предназначенные для задания определенной ориентации молекул в жидкокристаллическом слое. В таких конструкциях электрическое поле направлено перпендикулярно к слою жидкого кристалла. Оно приводит к модификации пространственно-ориентационного распределения молекул в объеме жидкого кристалла и, как следствие, к изменению состояния поляризации прошедшего через жидкий кристалл света. Изменения состояния поляризации могут быть трансформированы в соответствующую модуляцию интенсивности света, используя внешние поляризационные элементы и, таким образом, визуализированы.Orientational effects in liquid crystals, due to the dielectric, magnetic, and optical anisotropy inherent in liquid crystals, can be used to control the state of polarization of light using an electric or magnetic field [L. M. Blinov, V. G. Chigrinov. Electrooptic Effects in Liquid Crystals Materials, Springer-Verlag, New York Inc., 1994]. Based on these effects, both phase modulators and modulators of the intensity of electromagnetic and, in particular, light waves can be created. Liquid crystal displays, as well as various types of light intensity modulators, devices for controlling the phase delay of electromagnetic waves, are based on electro-optical elements, which, in most cases, consist of two substrates with electrodes to create an electric field in the liquid crystal, between which there is a fixed gap filled liquid crystal. In addition, thin additional coatings (films) are applied to the electrodes, which are intended to specify a specific orientation of the molecules in the liquid crystal layer. In such constructions, the electric field is directed perpendicular to the liquid crystal layer. It leads to a modification of the spatial-orientational distribution of molecules in the bulk of the liquid crystal and, as a consequence, to a change in the polarization state of the light transmitted through the liquid crystal. Changes in the polarization state can be transformed into the corresponding modulation of the light intensity using external polarization elements and, thus, visualized.
Известен большой круг электрооптических элементов на нематических жидких кристаллах. Они являются основой современных дисплейных технологий и ряда других оптоэлектронных устройств [Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2001]. Это, например, дисплеи на основе твист- (TN-LCD) и супер-твист (STN-LCD) эффектов, на основе смешанной твист-нематической моды (MTN-LCD), вертикально ориентированной моды (VA-LCD), на основе так называемых π-ячеек и др. В каждом из этих случаев используются ориентированные слои нематических жидких кристаллов, характеризующиеся различным начальным (в отсутствие электрического поля) пространственно-ориентационным распределением принципиальных осей молекул. Направление преимущественной локальной ориентации длинных осей молекул удобно описывать единичным вектором, называемым директором. В случае оптически одноосных жидких кристаллов направления локальной оптической оси и директора совпадают. Например, TN-LCD в отсутствие электрического поля директор составляет незначительный угол с поверхностями ориентирующих подложек, но при этом проекции директора взаимно ортогональны на противоположных плоскостях подложек. Поэтому пространственно-ориентационное распределение директора по толщине слоя характеризуется плавной закруткой (твистом) директора на 90°. В STN-LCD угол закрутки директора по толщине слоя жидкого кристалла в разных конструктивных вариантах изменяется в диапазоне от 180 до 360°. В VA-LCD свойства ориентирующих подложек таковы, что директор в отсутствие поля ориентирован почти нормально к подложкам, а π-ячейках начальное распределение директора по толщине характеризуется деформацией типа изгиба ("bend"). При подаче на ориентированный слой жидкого кристалла электрического напряжения происходит деформация начального распределения поля директора. В проходящей сквозь слой жидкого кристалла поляризованной световой волне возникает изменение фазовой задержки между ее обыкновенной и необыкновенной компонентами. С помощью поляроида, установленного на выходе из слоя жидкого кристалла, эти изменения превращаются в модуляцию интенсивности света. Недостатком подобных фазовых и амплитудных модуляционных устройств на нематических жидких кристаллах является относительно медленные времена релаксации индуцированного пространственно-ориентационного распределения поля директора. Время релаксации определяется как коэффициентами упругости и вязкости самого жидкого кристалла, так и толщиной жидкокристаллического слоя. При этом, что особенно важно, время релаксации прямо пропорционально квадрату толщины слоя, которая, несмотря на присущую нематическим жидким кристаллам большую величину двулучепреломления, должна составлять несколько микрон для реализации заметной фазовой задержки или глубины амплитудной модуляции света. Поэтому даже для нематических жидкокристаллических материалов с оптимальными вязкоупругими свойствами характерные времена релаксации составляют десятки миллисекунд.A large circle of electro-optical elements on nematic liquid crystals is known. They are the basis of modern display technologies and a number of other optoelectronic devices [Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2001]. These are, for example, displays based on twist (TN-LCD) and super-twist (STN-LCD) effects, based on a mixed twist-nematic mode (MTN-LCD), a vertically oriented mode (VA-LCD), based on called π-cells, etc. In each of these cases, oriented layers of nematic liquid crystals are used, characterized by different initial (in the absence of an electric field) spatial-orientational distribution of the principal axes of the molecules. The direction of the preferred local orientation of the long axes of the molecules is conveniently described by a unit vector called the director. In the case of optically uniaxial liquid crystals, the directions of the local optical axis and director coincide. For example, a TN-LCD in the absence of an electric field, the director makes an insignificant angle with the surfaces of the orienting substrates, but the director's projections are mutually orthogonal on opposite planes of the substrates. Therefore, the spatial-orientational distribution of the director over the thickness of the layer is characterized by a smooth twist (twist) of the director by 90 °. In STN-LCD, the director’s twist angle across the thickness of the liquid crystal layer in different design variants varies from 180 to 360 °. In VA-LCD, the properties of the orienting substrates are such that the director in the absence of a field is oriented almost normal to the substrates, and the π-cells of the director have an initial thickness distribution characterized by a bend type deformation. When electric voltage is applied to an oriented layer of a liquid crystal, the initial distribution of the director field is deformed. In a polarized light wave passing through a layer of a liquid crystal, a change in the phase delay occurs between its ordinary and extraordinary components. With the help of a polaroid installed at the exit of the liquid crystal layer, these changes are converted into light intensity modulation. The disadvantage of such phase and amplitude modulation devices on nematic liquid crystals is the relatively slow relaxation times of the induced spatial-orientational distribution of the director field. The relaxation time is determined by both the elasticity and viscosity coefficients of the liquid crystal itself and the thickness of the liquid crystal layer. Moreover, which is especially important, the relaxation time is directly proportional to the square of the layer thickness, which, despite the large birefringence inherent in nematic liquid crystals, should be several microns to realize a noticeable phase delay or depth of amplitude modulation of light. Therefore, even for nematic liquid crystal materials with optimal viscoelastic properties, characteristic relaxation times are tens of milliseconds.
Известны электрооптические элементы с управлением ориентацией директора электрическим полем, направленным параллельно слою нематического жидкого кристалла [US Pat. №3834794 (сентябрь 1974)]. В этом случае электроды выполнены в виде встречно-штыревой структуры, распложенной на внутренней поверхности только одной из ограничивающих жидкий кристалл подложек. Жидкокристаллические слои имеют планарную, гомеотропную или закрученную на 90° ориентацию [Soref R.F., J. Appl. Phys. v.45, №12, 5466 (1974)]. В последующем электрооптические элементы подобной конструкции успешно были применены для расширения углов обзора дисплейных устройств [US Pat. №5576867 (ноябрь 1996); US Pat. №5841498, ноябрь 1998; Kiefer R., Weber В., Windscheid F. and Baur G., Japan Display'92, 547 (1992); G.Baur, R.Kiefer, H.Klausmann, F.Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol.5, №3, 13 (1995)]. Электрооптические эффекты, основанные на данном режиме управления, относятся к так называемой IPS-моде. Недостатком электрооптических элементов с использованием IPS-моды в нематических жидких кристаллах также является медленное время релаксации оптического отклика при выключении электрического поля.Known electro-optical elements with director orientation control by an electric field directed parallel to the nematic liquid crystal layer [US Pat. No. 3834794 (September 1974)]. In this case, the electrodes are made in the form of an interdigital structure located on the inner surface of only one of the substrates bounding the liquid crystal. The liquid crystal layers have a planar, homeotropic or 90 ° swirl [Soref R.F., J. Appl. Phys. v. 45, No. 12, 5466 (1974)]. Subsequently, electro-optical elements of a similar design were successfully used to expand the viewing angles of display devices [US Pat. No. 5576867 (November 1996); US Pat. No. 5841498, November 1998; Kiefer R., Weber B., Windscheid F. and Baur G., Japan Display'92, 547 (1992); G. Baur, R. Kiefer, H. Klausmann, F. Windscheid, Liquid Crystals Today, Vol. 5, No. 3, 13 (1995)]. Electro-optical effects based on this control mode belong to the so-called IPS mode. The disadvantage of electro-optical elements using the IPS mode in nematic liquid crystals is also the slow relaxation time of the optical response when the electric field is turned off.
Известен электрооптический элемент, в котором используется хиральный сегнетоэлектрический жидкий кристалл, управляемый электрическим полем, направленным перпендикулярно оси холестерической спирали [Swiss Patent Application №3722/87; B.I.Ostrovski, A.Z.Rabinovich, V.G.Chigrinov, Advances in Liquid Crystals Research and Applications, Edited by Lajos Bata, Pergamon Press, Oxford-Akademiai Kiado, Budapest]. Сегнетоэлектрический жидкий кристалл имеет слоистую структуру с постоянным наклоном молекул по отношению к нормали к слою. Благодаря хиральности молекул, в смежных слоях молекулы жидкого кристалла при неизменном полярном угле (угол наклона молекул в слое) повернуты на некоторый угол по азимуту и надмолекулярная структура приобретает геликоидальный характер. Каждый слой характеризуется спонтанной поляризацией, вектор которой направлен перпендикулярно к плоскости наклона молекул. При шаге спирали много меньше расстояния между ограничивающими подложками и планарных граничных условиях на подложках, в принципе, можно реализовать однородную ориентацию оси спирали в плоскости жидкокристаллического слоя. В описываемом устройстве электрическое поле прикладывают к электродам на обеих внутренних поверхностях подложек и оно направлено перпендикулярно к оси спирали. Модуляция света, длина волны которого меньше шага спирали, осуществляется за счет малой обратимой деформации спирали в знакопеременном поле, взаимодействующем со спонтанной поляризацией. Электрооптический элемент характеризуется короткими временами переключения оптических состояний. Однако на практике качественная текстура сегнетоэлектрического жидкого кристалла с ориентированной в одном направлении осью геликоида не реализуется, вследствие чего оптические характеристики устройства низкие.Known electro-optical element, which uses a chiral ferroelectric liquid crystal controlled by an electric field directed perpendicular to the axis of the cholesteric spiral [Swiss Patent Application No. 3722/87; B.I. Ostrovski, A.Z. Rabinovich, V. G. Chigrinov, Advances in Liquid Crystals Research and Applications, Edited by Lajos Bata, Pergamon Press, Oxford-Akademiai Kiado, Budapest]. A ferroelectric liquid crystal has a layered structure with a constant slope of the molecules with respect to the normal to the layer. Due to the chirality of the molecules, in adjacent layers, the molecules of the liquid crystal at a constant polar angle (the angle of inclination of the molecules in the layer) are rotated by a certain angle in azimuth and the supramolecular structure becomes helicoidal in nature. Each layer is characterized by spontaneous polarization, the vector of which is directed perpendicular to the plane of inclination of the molecules. When the spiral pitch is much smaller than the distance between the bounding substrates and the planar boundary conditions on the substrates, in principle, it is possible to realize a uniform orientation of the axis of the spiral in the plane of the liquid crystal layer. In the described device, an electric field is applied to the electrodes on both inner surfaces of the substrates and it is directed perpendicular to the axis of the spiral. Light, whose wavelength is less than the helix pitch, is modulated due to the small reversible deformation of the helix in an alternating field interacting with spontaneous polarization. The electro-optical element is characterized by short switching times of optical states. However, in practice, the qualitative texture of a ferroelectric liquid crystal with the helicoid axis oriented in one direction is not realized, as a result of which the optical characteristics of the device are low.
Известен электрооптический элемент на сегнетоэлектрическом жидком кристалле, управляемый электрическим полем, направленным в плоскости слоя жидкого кристалла, которое генерируется встречно-штыревой электродной структурой, сформированной на одной из подложек [International Application Number PCT/KR99/00700; M.I.Barnik, S.P.Palto, Ferroelectric 310, 11-23 (2004)]. На обеих внутренних поверхностях подложек, ограничивающих слой жидкого кристалла, создаются условия для гомеотропной ориентации молекул. В этом случае смектические слои жидкого кристалла расположены параллельно подложкам. Ось спирали (геликоида) такой структуры направлена нормально к ориентирующим подложкам. В скрещенных поляроидах в отсутствие электрического поля электрооптический элемент непрозрачен. В электрическом поле, направленном перпендикулярно оси спирали и взаимодействующем со спонтанной поляризацией, происходит поворот молекул жидкого кристалла по конусу вокруг нормали к слоям с сохранением угла наклона. При достаточно высоких полях достигается полная раскрутка спирали. В этом состоянии молекулы жидкого кристалла приобретают согласованный в одну и ту же сторону наклон, и слой становится эквивалентным одноосной оптической пластинке. Плоскость наклона оптической оси перпендикулярна направлению электрического поля. При углах между волновым вектором встречно-штыревой структуры и осями скрещенных поляроидов, не кратных 90° и не равных нулю, жидкокристаллический электрооптический элемент становится прозрачным. Электрооптический элемент отличается высоким быстродействием и обеспечивает возможность плавного изменения амплитуды и фазы световой волны. Недостатком данного устройства является малая фазовая задержка из-за наклона молекул и низкий контраст между включенным и выключенным состояниями.A known electro-optical element on a ferroelectric liquid crystal, controlled by an electric field directed in the plane of the liquid crystal layer, which is generated by an interdigital electrode structure formed on one of the substrates [International Application Number PCT / KR99 / 00700; M.I. Barnik, S.P. Palto, Ferroelectric 310, 11-23 (2004)]. On both inner surfaces of the substrates bounding the liquid crystal layer, conditions are created for the homeotropic orientation of the molecules. In this case, the smectic layers of the liquid crystal are parallel to the substrates. The axis of the spiral (helicoid) of such a structure is directed normally to the orienting substrates. In crossed polaroids, in the absence of an electric field, the electro-optical element is opaque. In an electric field directed perpendicular to the axis of the spiral and interacting with spontaneous polarization, the liquid crystal molecules rotate in a cone around the normal to the layers while maintaining the angle of inclination. At sufficiently high fields, the complete unwinding of the spiral is achieved. In this state, the molecules of the liquid crystal acquire a slope consistent in the same direction, and the layer becomes equivalent to a uniaxial optical plate. The plane of inclination of the optical axis is perpendicular to the direction of the electric field. At angles between the wave vector of the interdigital structure and the axes of the crossed polaroids not multiple of 90 ° and not equal to zero, the liquid crystal electro-optical element becomes transparent. The electro-optical element is characterized by high speed and provides the ability to smoothly change the amplitude and phase of the light wave. The disadvantage of this device is the small phase delay due to the tilt of the molecules and low contrast between the on and off states.
По технической сущности наиболее близкими к настоящему изобретению являются электрооптические элементы на обладающих спиральной структурой холестерических жидких кристаллах. Холестерические жидкие кристаллы характеризуются тем, что направление длинных осей параллельно ориентированных молекул в каждом последующем мономолекулярном слое жидкого кристалла составляет некоторый угол с направлением молекул в предыдущем слое, в результате чего образуется макроскопическая спираль. Известны, например, электрооптические элементы [Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2001; US Pat. №3652148, март 1972], электрическое поле в которых приложено перпендикулярно к слою холестерического жидкого кристалла. Под действием электрического поля в них могут быть реализованы переходы между оптически различимыми планарной, рассеивающей свет неупорядоченной и раскрученной гомеотропной надмолекулярными текстурами. Известен электрооптический элемент [US Pat. №3854751 (декабрь 1974)], в котором для управления пространственно-ориентационным распределением молекул в слое холестерического жидкого кристалла используются два поочередно прикладываемые к нему электрических поля. Одно электрическое поле направлено перпендикулярно слою жидкого кристалла, а другое электрическое поле параллельно слою, что достигается применением сплошного электрода на одной подложке и встречно-штыревой структуры электродов на другой из подложек, ограничивающих жидкокристаллический слой. В выключенном состоянии (без какого-либо из электрических полей) слой холестерического жидкого кристалла рассеивает свет. При приложении электрического поля вдоль нормали к слою происходит переключение из рассеивающего состояния в состояние с однородной гомеотропной ориентацией директора, которое является прозрачным. В дальнейшем переключение между ортогональными направлениями электрического поля приводит к быстрому переключению между однородно ориентированными состояниями с планарной и гомеотропной ориентацией директора. При этом в скрещенных поляроидах, ориентированных осями пропускания под углом 45° к волновому вектору встречно-штыревой структуры электродов, реализуются прозрачное и непрозрачное состояния. Так как переход в оба состояния происходит в электрическом поле, то электрооптический элемент данного типа показывает высокое быстродействие. Существенным недостатком является то, что требуются очень высокие управляющие напряжения. Кроме того, данный электрооптический элемент не позволяет плавно управлять величиной пропускания и фазовой задержки проходящего света.By technical nature, the closest to the present invention are electro-optical elements with a spiral structure of cholesteric liquid crystals. Cholesteric liquid crystals are characterized by the fact that the direction of the long axes of parallel oriented molecules in each subsequent monomolecular layer of the liquid crystal makes a certain angle with the direction of the molecules in the previous layer, resulting in the formation of a macroscopic spiral. For example, electro-optical elements are known [Ernst Lueder, Liquid Crystal Displays, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, 2001; US Pat. No. 3652148, March 1972], in which an electric field is applied perpendicular to the cholesteric liquid crystal layer. Under the influence of an electric field, transitions between optically distinguishable planar, light-scattering disordered and untwisted homeotropic supramolecular textures can be realized in them. Known electro-optical element [US Pat. No. 3854751 (December 1974)], in which two alternatingly applied electric fields are used to control the spatial-orientational distribution of the molecules in the cholesteric liquid crystal layer. One electric field is directed perpendicular to the liquid crystal layer, and the other electric field is parallel to the layer, which is achieved by using a continuous electrode on one substrate and interdigital electrode structure on another of the substrates bounding the liquid crystal layer. In the off state (without any of the electric fields), a layer of cholesteric liquid crystal scatters light. When an electric field is applied along the normal to the layer, it switches from a scattering state to a state with a homogeneous homeotropic director orientation, which is transparent. Subsequently, switching between the orthogonal directions of the electric field leads to a quick switching between uniformly oriented states with a planar and homeotropic orientation of the director. Moreover, in crossed polaroids oriented by transmission axes at an angle of 45 ° to the wave vector of the interdigital structure of the electrodes, transparent and opaque states are realized. Since the transition to both states occurs in an electric field, an electro-optical element of this type shows high speed. A significant drawback is that very high control voltages are required. In addition, this electro-optical element does not allow smoothly controlling the amount of transmission and phase delay of transmitted light.
В US Patent 4114990 предлагается устройство оптического элемента для контролируемого электрическим полем вращения плоскости поляризации света. Слой холестерического жидкого кристалла помещается между подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями, обеспечивающими гомеотропную ориентацию на одной подложке и планарную на другой. При шаге спирали больше толщины слоя ориентация молекул холестерического жидкого кристалла плавно меняется от гомеотропной к планарной ориентации с одновременной закруткой директора. Линейно поляризованный свет, проходя сквозь такой слой, испытывает поворот плоскости поляризации. При приложении увеличивающегося по амплитуде электрического поля холестерическая спираль раскручивается и угол поворота плоскости поляризации изменяется. В конечном итоге холестерик приобретает структуру нематика с гомеотропной ориентацией. Данный элемент может быть использован и как модулятор интенсивности света, если он помещен между поляроидами. Однако скорости переключения состояний поляризации и интенсивности света в устройствах данного типа относительно низкие и мало отличаются от таковых для устройств на нематических жидких кристаллах.US Patent 4,114,990 proposes an optical element device for controlling the rotation of a plane of polarization of light controlled by an electric field. A layer of cholesteric liquid crystal is placed between substrates with transparent electrodes and orienting coatings that provide homeotropic orientation on one substrate and planar on another. When the spiral pitch is greater than the layer thickness, the orientation of the cholesteric liquid crystal molecules smoothly changes from homeotropic to planar orientation with simultaneous twist of the director. Linearly polarized light passing through such a layer experiences a rotation of the plane of polarization. When an electric field increases in amplitude, the cholesteric spiral unwinds and the angle of rotation of the plane of polarization changes. Ultimately, the cholesteric acquires a nematic structure with a homeotropic orientation. This element can also be used as a modulator of light intensity, if it is placed between polaroids. However, the switching rates of polarization states and light intensities in devices of this type are relatively low and differ little from those for devices based on nematic liquid crystals.
Известен также способ управления поляризацией света, основанный на наведении двулучепреломления при флексоэлектрической деформации электрическим полем спирали холестерического жидкого кристалла. Если длина волны света много меньше шага холестерической спирали, то при отсутствии электрического поля оптическая ось и ось холестерической спирали совпадают. Электрооптический эффект проявляется в результате поворота оптической оси при наложении электрического поля без изменения направления оси самой спирали. В отсутствие электрического поля ось спирали может быть ориентирована либо вдоль [J.S.Patel, S.-D.Lee, J. Appl. Phys. v.66, 1879 (1989)], либо перпендикулярно [B.J.Broughton, M.J.Clarke, A.E.Blatch, H.J.Coles, J. Appl. Phys. v.98, 034109 (2005)] плоскости ячейки. В первом случае для управления электрооптическим элементом используются прозрачные однородные электроды на обеих подложках, во втором - электроды в виде расположенных между подложками двух параллельных электродных полос. Для реализации электрооптического устройства требуются специальные холестерические жидкие кристаллы с коротким шагом спирали (0,3-0,7 мкм), большими флексоэлектрическими коэффициентами и нулевой диэлектрической анизотропией. Недостатками электрооптического устройства данного типа являются высокие управляющие напряжения, малая величина индуцированного двулучепреломления и, как следствие, низкий контраст.There is also a known method of controlling the polarization of light, based on inducing birefringence during flexoelectric deformation by an electric field of a spiral of a cholesteric liquid crystal. If the wavelength of light is much less than the step of the cholesteric spiral, then in the absence of an electric field, the optical axis and the axis of the cholesteric spiral coincide. The electro-optical effect is manifested as a result of rotation of the optical axis when an electric field is applied without changing the direction of the axis of the spiral itself. In the absence of an electric field, the axis of the spiral can be oriented either along [J.S. Patel, S.-D. Lee, J. Appl. Phys. v. 66, 1879 (1989)] or perpendicularly [B.J. Broughton, M.J. Clarke, A.E. Blatch, H.J. Coles, J. Appl. Phys. v.98, 034109 (2005)] the plane of the cell. In the first case, transparent homogeneous electrodes on both substrates are used to control the electro-optical element, in the second case, electrodes in the form of two parallel electrode strips located between the substrates. To implement an electro-optical device, special cholesteric liquid crystals with a short helix pitch (0.3-0.7 μm), large flexoelectric coefficients and zero dielectric anisotropy are required. The disadvantages of this type of electro-optical device are high control voltages, a small magnitude of induced birefringence and, as a result, low contrast.
Настоящее изобретение направлено на создание жидкокристаллических электро- или магнитооптических элементов, которые обеспечат улучшенные характеристики дисплеев, модуляторов света и других функциональных устройств оптоэлектроники. Особенность изобретения - это возможность существенного уменьшения времен переключения при сохранении высокого контраста и широкого диапазона изменения поляризационных характеристик света в условиях низких управляющих полей. Предлагаемый способ и устройства на его основе позволяют плавно изменять характеристики света на выходе, варьируя амплитуду управляющего электрического поля. Сущность изобретения заключается в том, что применяется слой холестерического жидкого кристалла, а изменение характеристик прошедшей через слой световой волны достигается за счет наведения ангармоничности в спиральном распределении директора с помощью электрического или магнитного поля, направленного перпендикулярно оси спирали. Упомянутые особенности изобретения обусловлены тем, что даже малая степень ангармоничности приводит к сильным изменениям состояния поляризации света, прошедшего через слой с жидким кристаллом. Быстрое время переключения оптических характеристик достигается благодаря тому, что время релаксации директора после выключения поля определяется не толщиной слоя жидкого кристалла, как это имеет место в известных устройствах, а четвертью длины шага холестерической спирали. Так как времена вязкоупругой релаксации определяются квадратом характерной длины, определяемой в данном случае четвертью шага спирали, а шаг спирали может быть значительно меньше толщины слоя жидкого кристалла, то характерные времена релаксации директора существенно сокращаются. Необходимые оптические характеристики достигаются оптимальным выбором как характеристик жидкокристаллического слоя (толщина, граничные условия, параметры жидкого кристалла), так и свойствами внешних элементов (устройством для создания поля, ориентацией поляризационных элементов и др.).The present invention is directed to the creation of liquid crystal electro- or magneto-optical elements, which will provide improved characteristics of displays, light modulators and other functional devices of optoelectronics. A feature of the invention is the ability to significantly reduce switching times while maintaining high contrast and a wide range of changes in the polarization characteristics of light in low control fields. The proposed method and devices based on it allow you to smoothly change the characteristics of the light at the output, varying the amplitude of the control electric field. The essence of the invention lies in the fact that a layer of cholesteric liquid crystal is used, and the change in the characteristics of the light wave transmitted through the layer is achieved by inducing anharmonicity in the director’s spiral distribution using an electric or magnetic field directed perpendicular to the axis of the spiral. The mentioned features of the invention are due to the fact that even a small degree of anharmonicity leads to strong changes in the state of polarization of light transmitted through a layer with a liquid crystal. The fast switching time of the optical characteristics is achieved due to the fact that the director relaxation time after turning off the field is determined not by the thickness of the liquid crystal layer, as is the case in known devices, but by a quarter of the step length of the cholesteric spiral. Since the viscoelastic relaxation times are determined by the square of the characteristic length determined in this case by the quarter of the spiral pitch, and the spiral pitch can be significantly less than the thickness of the liquid crystal layer, the characteristic director relaxation times are significantly reduced. The necessary optical characteristics are achieved by the optimal choice of both the characteristics of the liquid crystal layer (thickness, boundary conditions, parameters of the liquid crystal) and the properties of external elements (a device for creating a field, orientation of polarizing elements, etc.).
Сущность данного изобретения поясняется на фиг.1-12 и иллюстрируется примерами.The essence of the present invention is illustrated in figures 1-12 and is illustrated by examples.
Фиг.1 поясняет способ управления поляризацией света согласно настоящему изобретению по п.1 и показывает пример пространственно-ориентационного распределения поля директора холестерического жидкого кристалла в слое и фурье-образ этого распределения при выключенном электрическом поле.Figure 1 illustrates a method for controlling the polarization of light according to the present invention according to
Фиг.2 поясняет способ управления поляризацией света по п.1 и показывает фурье-образы распределения поля директора при выключенном (Е=0) и включенном (Е=2 В/мкм) электрическом поле, а также зависимость состояния поляризации на единичной сфере Пуанкаре при изменении электрического поля от нуля до Е=2 В/мкм с шагом 0,05 В/мкм.Figure 2 explains the method of controlling the polarization of light according to
Фиг.3 поясняет способ управления поляризацией света по п.1 и показывает динамику изменения у-компоненты директора в центре слоя при включении электрического поля различной напряженности, направленного перпендикулярно оси спирали.Figure 3 illustrates the method of controlling the polarization of light according to
Фиг.4 поясняет способ управления поляризацией света по п.1 и показывает динамику изменения у-компоненты директора в центре слоя при выключении электрического поля различной напряженности.Figure 4 explains the method of controlling the polarization of light according to
Фиг.5 - способ управления поляризацией света по п.1 и показывает динамику изменения у-компоненты директора в центре слоя и зависимость времен включения и выключения от шага холестерической спирали при включении и выключении электрического поля напряженностью 1 В/мкм.Figure 5 - the method of controlling the polarization of light according to
Фиг.6 показывает основные составляющие конструкции и поясняет принцип работы электрооптического элемента согласно п.2 настоящего изобретения.6 shows the main structural components and explains the principle of operation of the electro-optical element according to
Фиг.7 показывает конструкцию конкретной реализации электрооптического элемента согласно п.2 настоящего изобретения.7 shows a design of a specific implementation of an electro-optical element according to
Фиг.8 показывает осциллограммы оптического отклика электрооптического элемента в зависимости от напряжения.Fig. 8 shows waveforms of the optical response of the electro-optical element as a function of voltage.
Фиг.9 показывает зависимость контрастного отношения от напряжения.Fig.9 shows the dependence of the contrast ratio on the voltage.
Фиг.10а и 10б показывают зависимость спектров пропускания и контрастного отношения от напряжения.Figures 10a and 10b show the dependence of the transmission spectra and the contrast ratio on voltage.
Фиг.11 показывает зависимость электрооптических времен включения и выключения от напряжения.11 shows the voltage dependence of the electro-optical on and off times.
Фиг.12 показывает спектры контрастного отношения при различных ориентациях осей поляроидов относительно волнового вектора встречно-штыревой электродной структуры.12 shows the contrast ratio spectra for different orientations of the polaroid axes relative to the wave vector of the interdigital electrode structure.
Сущность способа управления поляризацией светового потока с применением холестерических жидких кристаллов поясняется на Фиг.1-Фиг.5. В слое холестерического жидкого кристалла с граничными условиями, индуцирующими планарную ориентацию, оси молекул испытывают постоянный поворот вокруг направления, перпендикулярного к слою. В результате образуется спираль, описываемая шагом, которому соответствует длина, на которой происходит поворот молекул на угол 2π. Если ось спирали направлена перпендикулярно к слою вдоль оси z прямоугольной системы координат xyz, то пространственно-ориентационное распределение директора 
где Р - шаг спирали, а φ0 - угол ориентации директора на одной из границ слоя при z=0.where P is the spiral pitch, and φ 0 is the director orientation angle at one of the layer boundaries at z = 0.
В качестве примера, иллюстрирующего способ, рассмотрим слой холестерического жидкого кристалла толщиной 8 микрон и шагом спирали Р=1,2 мкм. Пространственное распределение поля директора nx(z) и ny(z) имеет вид, показанный на Фиг.1. В фурье-образе Fnx(z-1) х-компоненты директора можно видеть лишь одну основную гармонику, что соответствует синусоидальному (гармоническому) распределению директора, Фиг.1. Пусть диэлектрическая и магнитная анизотропия жидкого кристалла отличны от нуля. Если в таком слое создать электрическое или магнитное поле перпендикулярно оси спирали с величиной меньше некоторого порога раскрутки спирали, то спираль сохранится, но распределение поля директора будет деформировано. Распределение х- и у-компонент директора более не будет описываться синусоидальным законом и будет содержать дополнительные гармоники:As an example illustrating the method, we consider a layer of cholesteric liquid crystal with a thickness of 8 microns and a helix pitch of P = 1.2 μm. The spatial distribution of the director field n x (z) and n y (z) has the form shown in FIG. 1. In the Fourier transform F nx (z -1 ) of the director’s x-components, only one fundamental harmonic can be seen, which corresponds to the sinusoidal (harmonic) distribution of the director, FIG. 1. Let the dielectric and magnetic anisotropy of a liquid crystal be nonzero. If an electric or magnetic field is created in such a layer perpendicular to the axis of the spiral with a magnitude less than a certain threshold of spiral unwinding, then the spiral will be preserved, but the distribution of the director’s field will be deformed. The distribution of the x- and y-components of the director will no longer be described by a sinusoidal law and will contain additional harmonics:
В соответствующих фурье-спектрах от пространственного распределения директора появятся дополнительные гармоники. В силу синусоидальности начального распределения директора и квадратичного характера взаимодействия с полем это будут, главным образом, нечетные гармоники (m=2k+1, где k - натуральные числа), амплитуды которых характеризуют степень индуцированной ангармоничности. Важным и отражающим суть способа настоящего изобретения является то, что даже малая степень индуцированной ангармоничности спирали может приводить к существенным изменениям состояния поляризации прошедшего через жидкокристаллический слой света. На Фиг.2 показаны фурье-образы пространственного распределения х-компоненты директора при выключенном (Е=0) и включенном (Е=2 В/мкм) электрическом поле, а также на единичной сфере Пуанкаре изображена эволюция состояний поляризации света на выходе слоя при изменении поля от нуля до 2 В/мкм с шагом 0,05 В/мкм. Как видно, в поле 2 В/мкм индуцированная ангармоничность проявляется в виде лишь третьей гармоники. Степень этой ангармоничности, определенная как отношение амплитуд третьей и первой гармоник, составляет около 7%. Однако даже при столь малой степени ангармоничности состояние поляризации на выходе слоя меняется почти на ортогональное.Additional harmonics will appear in the corresponding Fourier spectra from the spatial distribution of the director. Due to the sinusoidality of the initial distribution of the director and the quadratic nature of the interaction with the field, these will mainly be odd harmonics (m = 2k + 1, where k are natural numbers) whose amplitudes characterize the degree of induced anharmonicity. An important and reflective essence of the method of the present invention is that even a small degree of induced anharmonicity of the spiral can lead to significant changes in the polarization state of the light transmitted through the liquid crystal layer. Figure 2 shows the Fourier images of the spatial distribution of the x-component of the director with the electric field turned off (E = 0) and turned on (E = 2 V / μm), and also the evolution of the states of polarization of light at the output of the layer is shown on a single Poincare sphere when changing fields from zero to 2 V / μm in increments of 0.05 V / μm. As can be seen, in the field of 2 V / μm, the induced anharmonicity manifests itself in the form of only the third harmonic. The degree of this anharmonicity, defined as the ratio of the amplitudes of the third and first harmonics, is about 7%. However, even with such a small degree of anharmonicity, the state of polarization at the output of the layer changes almost to orthogonal.
Отметим, что приведенные данные получены для типичного жидкокристаллического материала, который характеризуется коэффициентом упругой деформации типа кручения К2=5 пН, диэлектрической анизотропией Δε=15 и оптической анизотропией Δn=0,2. Состояния поляризации света на выходе слоя рассчитаны в результате решения уравнений Максвелла для нормально падающей линейно-поляризованной монохроматической волны на входе слоя (угол направления колебаний вектора электрического поля е с осью х составлял -60°, длина волны λ=550 нм). Варьируя свойства жидкокристаллического материала и параметры слоя (толщину и условия ориентации директора на границах жидкокристаллического слоя), можно получить различные траектории изменения состояния поляризации света на сфере Пуанкаре, удовлетворяющие конкретным реализациям электрооптических приборов. В данном примере, на Фиг.2, можно видеть, что если поле равно нулю, то свет на выходе слоя линейно поляризован (вектор Стокса (S0, S1, S2, S3)=(1,1,0,0), соответствует направлению колебаний электрического вектора е параллельно оси х и может быть полностью заблокирован с помощью поляроида, ориентированного осью поглощения вдоль направления х. По мере увеличения поля компонента, поляризованная вдоль направления у, плавно увеличивается. В поле 2 В/мкм точка, отражающая состояние поляризации, перемещается на противоположную сторону сферы Пуанкаре, где (S0, S1, S2, S3)=(1, -0,9, 0,16, 0,4), что соответствует почти ортогональному состоянию поляризации по отношению к первоначальному в отсутствие поля. Таким образом, с увеличением поля на выходе упомянутого поляроида интенсивность света тоже будет плавно увеличиваться, достигая максимума в поле примерно 2 В/мкм.Note that the above data were obtained for a typical liquid crystal material, which is characterized by a torsion type elastic deformation coefficient of K 2 = 5 pN, dielectric anisotropy Δε = 15, and optical anisotropy Δn = 0.2. The states of polarization of light at the output of the layer were calculated as a result of solving the Maxwell equations for a normally incident linearly polarized monochromatic wave at the input of the layer (the angle of the oscillation direction of the electric field vector e with the x axis was -60 °, wavelength λ = 550 nm). By varying the properties of the liquid crystal material and the parameters of the layer (the thickness and director orientation conditions at the boundaries of the liquid crystal layer), one can obtain various trajectories of the change in the state of polarization of light on the Poincare sphere that satisfy specific implementations of electro-optical devices. In this example, in FIG. 2, it can be seen that if the field is zero, then the light at the output of the layer is linearly polarized (Stokes vector (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) = (1,1,0,0 ), corresponds to the direction of oscillation of the electric vector e parallel to the x axis and can be completely blocked by a polaroid oriented by the absorption axis along the x direction. As the field increases, the component polarized along the y direction gradually increases. In the field of 2 V / μm, the point reflecting polarization state, moves to the opposite side of the Poincare sphere, where (S 0 , S 1 , S 2 , S 3 ) = (1, -0.9, 0.16, 0.4), which corresponds to an almost orthogonal state of polarization with respect to the initial one in the absence of a field. Thus, with an increase field at the output of the said polaroid, the light intensity will also gradually increase, reaching a maximum in the field of about 2 V / μm.
Особенностью данного способа управления является возможность получения коротких времен переключения состояний директора и, следовательно, времен изменения состояния поляризации света. Временные характеристики иллюстрируются на Фиг.3-5. На Фиг.3 и Фиг.4 показаны соответственно динамика изменения у-компоненты директора в центре слоя (z=4 мкм) при включении электрического поля в момент времени t≅2 мс и выключении в момент t≅4 мс. Как и выше, в данном случае шаг спирали равен 1,2 мкм, К2=5 пН, а вращательная вязкость жидкого кристалла - γ=0,1 Па·с. Время включения τОn, определяемое интервалом от момента включения поля до достижения директором уровня 0,9 от величины его максимального изменения, практически постоянно при напряженностях поля менее 1 В/мкм и составляет величину около 400 мкс. Однако при больших полях время включения уменьшается. В поле 2 В/мкм характерное время включения составляет около 320 мкс. Время релаксации τOff (при выключении поля, Фиг.4) слабо зависит от степени деформации директора и в данном случае составляет величину около 400 мкс. Следует отметить, что данное время релаксации более чем на порядок меньше характерных времен, наблюдаемых в известных устройствах на нематических жидких кристаллах. Причина такого значительного увеличения быстродействия в том, что в данном случае время релаксации определяется не толщиной жидкокристаллического слоя, а четвертью от длины шага спирали, которая существенно меньше толщины слоя. На Фиг.5 показана динамика изменения состояния ориентации директора в центре слоя, а также времена включения τОn и выключения τОff в зависимости от шага спирали при включении и выключении поля напряженностью 1 В/мкм. Можно видеть, что зависимость времен включения и выключения от шага спирали близка к квадратичной. Для шага спирали 0.6 мкм времена включения и выключения практически совпадают и составляют около 100 микросекунд.A feature of this control method is the ability to obtain short switching times of director states and, therefore, times of a change in the state of polarization of light. Temporal characteristics are illustrated in FIGS. 3-5. Figure 3 and Figure 4 respectively show the dynamics of changes in the director y-component in the center of the layer (z = 4 μm) when the electric field is turned on at time t≅2 ms and turned off at time t≅4 ms. As above, in this case, the spiral pitch is 1.2 μm, K 2 = 5 pN, and the rotational viscosity of the liquid crystal is γ = 0.1 Pa · s. The turn-on time τ On , determined by the interval from the moment the field is turned on until the director reaches the level of 0.9 of the value of its maximum change, is almost constant at field intensities of less than 1 V / μm and amounts to about 400 μs. However, with large fields, the turn-on time decreases. In a field of 2 V / μm, the characteristic switching time is about 320 μs. The relaxation time τ Off (when turning off the field, Fig. 4) weakly depends on the degree of deformation of the director and in this case is about 400 μs. It should be noted that this relaxation time is more than an order of magnitude less than the characteristic times observed in known devices on nematic liquid crystals. The reason for this significant increase in speed is that in this case, the relaxation time is determined not by the thickness of the liquid crystal layer, but by a quarter of the spiral pitch, which is significantly less than the layer thickness. Figure 5 shows the dynamics of the change in the director orientation state in the center of the layer, as well as the times of turning on О Оn and turning off τ Оff depending on the helix pitch when switching on and off a field with a voltage of 1 V / μm. It can be seen that the dependence of the on and off times on the spiral pitch is close to quadratic. For a spiral pitch of 0.6 μm, the on and off times almost coincide and amount to about 100 microseconds.
Вместо электрического поля для наведения ангармоничности спирали с тем же успехом можно использовать магнитное поле, так как наряду с анизотропией диэлектрической проницаемости жидкие кристаллы характеризуются и анизотропией магнитной проницаемости Δµ. Напряженность магнитного поля, которая приведет к степени ангармоничности, эквивалентной той, которая достигается в электрическом поле Е, определяется следующим выражением:Instead of an electric field, to induce the anharmonicity of the spiral, it is equally possible to use a magnetic field, since along with the anisotropy of the dielectric constant, liquid crystals are also characterized by the anisotropy of the magnetic constant Δµ. The magnetic field strength, which will lead to a degree of anharmonicity equivalent to that achieved in the electric field E, is determined by the following expression:
Устройство и принцип работы электрооптического элемента по п.2 формулы изобретения для модуляции интенсивности светового потока демонстрирует Фиг.6. Электрооптический элемент содержит слой с холестерическим жидким кристаллом 1, элементы для формирования слоя с жидким кристаллом 2-4, устройство для создания электрического поля 5, подложки 6, 7, а также элементы устройства 8 и 9 для изменения состояния поляризации. Слой с холестерическим жидким кристаллом может быть выполнен как в виде твердой пленки (например, в виде полимерной пленки с введенным (капсулированным) жидким кристаллом), так и в виде жидкого слоя, заполняющего зазор между подложками. В последнем случае элементами для формирования слоя являются прокладки 2, обеспечивающие калиброванную величину зазора между подложками, а также дополнительные пленки 3 и 4, обеспечивающие требуемую ориентацию директора на границах слоя и оси холестерической спирали в жидкокристаллическом слое. Устройство 5 для создания электрического поля, представляющее собой электроды или, при необходимости, другие микроэлектронные элементы для генерации напряжения U, может быть сформировано, по меньшей мере, на поверхности одной из подложек. При этом, в случае необходимости, одна из тонких ориентирующих пленок 3 наносится непосредственно на поверхность подложки с электродами. В простейшем случае устройствами для изменения состояния поляризации света являются пленочные поляроиды, выполняющие функции поляризатора 8 и анализатора 9. Принцип работы элемента рассмотрим на примере неполяризованного светового пучка, падающего со стороны поляризатора 8. На выходе поляризатора 8 свет является линейно-поляризованным вдоль направления, определяемого углом φ1 ориентации оси пропускания 10 поляризатора 8. После дальнейшего прохождения светом слоя с холестерическим жидким кристаллом состояние поляризации света меняется и в общем случае при произвольной ориентации оси поляроида является эллиптическим. Однако при определенных параметрах жидкокристаллического слоя и угле φ1 можно обеспечить условия, когда свет заданного спектрального состава на выходе слоя останется линейно-поляризованным, и таким образом может быть полностью заблокирован при соответствующей ориентации под некоторым углом φ2 оси пропускания анализатора 11 (направление колебаний электрического вектора световой волны на входе анализатора происходит под углом φ2+90°). В этом случае имеет место "темное" состояние электрооптического элемента. При приложении поля к жидкокристаллическому слою в спиральном распределении директора будет индуцироваться ангармоничность, состояние поляризации света будет меняться, и он начнет проходить через анализатор, обеспечивая уровень яркости, регулируемый электрическим полем.The device and principle of operation of the electro-optical element according to
Оптические характеристики электрооптического элемента зависят как от параметров слоя с холестерическим жидким кристаллом, так и от конструктивных особенностей остальных составляющих всего элемента. Холестерический жидкий кристалл может представлять собой отдельное холестерическое вещество или являться смесью различных холестерических веществ. Холестерические жидкие кристаллы образуются благодаря хиральности молекул (отсутствует плоскость зеркальной симметрии). Спиральная холестерическая структура может быть индуцирована также в нематическом жидком кристалле, легируя его оптически активными добавками, которые могут быть как жидкокристаллическими, так и изотропными веществами. В свою очередь, нематический жидкий кристалл также может быть смесью веществ, по меньшей мере, одно из которых образует нематическую фазу. Смесевые холестерические жидкокристаллические материалы на основе нематиков обладают значительными преимуществами по сравнению с однокомпонентными холестерическими жидкими кристаллами или их смесями. Подбирая нематические жидкие кристаллы как основу, удается в широких пределах управлять физико-химическими параметрами холестерического жидкого кристалла: коэффициентами упругости, вязкостью, оптическими и диэлектрическими константами, температурами фазовых переходов, стабильностью относительно внешних воздействий и т.д. С другой стороны, выбирая оптически активную легирующую добавку и ее концентрацию, можно плавно и в широком диапазоне изменять величину шага холестерической спирали. Холестерический жидкий кристалл может быть легирован красителями как с положительным, так и с отрицательным дихроизмом, что позволяет дополнительно управлять оптическими свойствами электрооптического элемента.The optical characteristics of the electro-optical element depend both on the parameters of the cholesteric liquid crystal layer and on the structural features of the remaining components of the entire element. The cholesteric liquid crystal may be a single cholesteric substance or a mixture of various cholesteric substances. Cholesteric liquid crystals are formed due to the chirality of molecules (there is no plane of mirror symmetry). A spiral cholesteric structure can also be induced in a nematic liquid crystal, doping it with optically active additives, which can be either liquid crystal or isotropic substances. In turn, the nematic liquid crystal can also be a mixture of substances, at least one of which forms a nematic phase. Mixed cholesteric liquid crystal materials based on nematics have significant advantages compared to single-component cholesteric liquid crystals or mixtures thereof. Selecting nematic liquid crystals as the basis, it is possible to control the physicochemical parameters of the cholesteric liquid crystal over a wide range: elastic coefficients, viscosity, optical and dielectric constants, phase transition temperatures, stability with respect to external influences, etc. On the other hand, choosing an optically active dopant and its concentration, one can smoothly and in a wide range change the step size of the cholesteric helix. The cholesteric liquid crystal can be doped with dyes with both positive and negative dichroism, which allows you to further control the optical properties of the electro-optical element.
В предлагаемом способе управления поляризацией света и электрооптических элементах на его основе важно исключить раскрутку холестерической спирали, сопровождающуюся изменением количества полувитков спирали на толщине слоя. Это обеспечивается конструктивными особенностями устройства создания электрического поля и диапазоном изменения напряженности электрического поля. Переключение между оптически различимыми состояниями осуществляется импульсами или импульсными пакетами электрического напряжения, приложенного к электродам. Электроды должны быть выполнены так, чтобы обеспечить максимально возможную компоненту электрического поля перпендикулярно оси холестерической спирали. Например, в случае, когда ось холестерической спирали перпендикулярна слою с жидким кристаллом, для генерации электрического поля можно использовать встречно-штыревую систему электродов, которая создается на одной из внутренних поверхностей подложек. Направление ориентации директора на подложках как с электродами, так и без электродов, формируется либо обработкой поверхности подложек (например, используя механическое натирание или химическое травление), либо нанесением на них тонких ориентирующих пленок 3, 4. В последнем случае могут быть использованы пленки из полимерных или других диэлектрических материалов, нанесенные на поверхность и, при необходимости, натертые в выбранных направлениях или обработанные другими методами (травление, фотоориентация и др.) для создания легких осей ориентирования.In the proposed method for controlling the polarization of light and electro-optical elements based on it, it is important to exclude the promotion of a cholesteric spiral, accompanied by a change in the number of half-turns of the spiral on the layer thickness. This is ensured by the design features of the device for creating an electric field and the range of variation of the electric field strength. Switching between optically distinguishable states is carried out by pulses or pulsed packets of electrical voltage applied to the electrodes. The electrodes should be designed to provide the maximum possible component of the electric field perpendicular to the axis of the cholesteric spiral. For example, in the case where the axis of the cholesteric helix is perpendicular to the liquid crystal layer, an interdigital electrode system that is created on one of the inner surfaces of the substrates can be used to generate an electric field. The direction of director’s orientation on substrates with or without electrodes is formed either by treating the surface of the substrates (for example, using mechanical rubbing or chemical etching), or by applying
ПримерExample
Пример устройства электрооптического элемента по п.2 показан на Фиг.7. Слой холестерического жидкого кристалла 1 помещен между двумя стеклянными подложками 6 и 7. На поверхность подложки 6, обращенную к слою жидкого кристалла, нанесены непрозрачные встречно-штыревые электроды 5 из хрома (Сr). Электроды включают 96 полос длиной 5 мм. Расстояние между двумя ближайшими электродными полосами и ширина полос составляют 20 мкм. Толщина слоя холестерического жидкого кристалла, равная 7,9 мкм, задавалась тефлоновыми прокладками 2. В качестве ориентирующих пленок 3 и 4 использовались натертые слои полиимида, полученные термической имидизацией полипиромеллитамидовой кислоты АД-91-03 (НПО "ПЛАСТИК", Россия). Направления натирания полиимидных пленок, определяющие легкие оси ориентирования молекул жидкого кристалла на обеих подложках, параллельны и противоположны. Легкие оси ориентирования на пленках 3 и 4 составляют с волновым вектором электродной решетки 12 углы 45°. Углы наклона легких осей ориентирования по отношению к поверхности пленок имеют одинаковый знак и составляют 3°. При данных условиях получается слой холестерического жидкого кристалла с осью спирали, направленной перпендикулярно подложкам.An example of the device of the electro-optical element according to
В составе электрооптического элемента использован нематический жидкий кристалл ЖКМ-1277, легированный оптически активным (хиральным) соединением ХДН-1 (оба производства ГНЦ НИОПИК, Россия). ХДН-1 индуцирует левостороннюю холестерическую спираль. Концентрация легирующей примеси составляла 4 вес.%, а индуцированный естественный шаг спирали был равен 1,2 мкм. ЖКМ-1277 имеет следующие физические параметры: диэлектрическая анизотропия Δε=12,1 (на частоте электрического поля 1 кГц), оптическая анизотропия Δn=0,19 (на длине волны света λ=589 нм), коэффициенты упругости K1≅9,9 пН и К3=12,9 пН, вязкость η=42 мм2с-1, вращательная вязкость γ≅0,2 Па·с (все параметры даны для температуры Т=25°С).As part of the electro-optical element, a nematic liquid crystal ZhKM-1277 doped with the optically active (chiral) compound HDN-1 (both manufactured by SSC NIOPIK, Russia) was used. CDN-1 induces a left-sided cholesteric helix. The concentration of the dopant was 4 wt.%, And the induced natural pitch of the helix was 1.2 μm. ZhKM-1277 has the following physical parameters: dielectric anisotropy Δε = 12.1 (at an electric field frequency of 1 kHz), optical anisotropy Δn = 0.19 (at a light wavelength λ = 589 nm), elastic coefficients K 1 ≅9.9 pN and K 3 = 12.9 pN, viscosity η = 42 mm 2 s -1 , rotational viscosity γ≅0.2 Pa · s (all parameters are given for temperature Т = 25 ° С).
На Фиг.8 приведены осциллограммы оптического отклика электрооптического элемента данной конструкции в зависимости от амплитуды импульсов напряжения частотой 1 кГц, заполняющих пакеты длительностью и интервалом следования 20 мс. В качестве источника света использован He-Ne лазер с длиной волны излучения 633 нм. Свет распространялся вдоль нормали к слою жидкого кристалла и соответственно вдоль оси холестерической спирали. Кривые соответствуют напряжениям 0, 11, 16, 20, 24 и 30В. Измерения проведены при температуре 23°С. При совмещении волнового вектора решетки встречно-штыревых электродов 12 с направлением оси х максимальный контраст на длине волны 633 нм, определенный как отношение интенсивности света в электрическом поле и без поля на выходе поляроида 9, достигается при углах φ1=39° и φ2=-10°.Figure 8 shows the waveforms of the optical response of an electro-optical element of this design, depending on the amplitude of voltage pulses with a frequency of 1 kHz, filling packets with a duration and a repetition interval of 20 ms. A He-Ne laser with a radiation wavelength of 633 nm was used as a light source. Light propagated along the normal to the layer of the liquid crystal and, accordingly, along the axis of the cholesteric spiral. The curves correspond to
Фиг.9 показывает зависимость контраста от амплитуды напряжения U. Максимальный контраст 140:1 достигается при напряжении 20 В. Данное напряжение является предельным, до которого шаг спирали не меняется и ангармоничная структура при выключении напряжения возвращается в исходную равновесную структуру. Выше этой величины напряжения наблюдается частичная (в отдельных областях ячейки) скачкообразная раскрутка холестерической спирали, следствием чего является понижение контраста. Раскрутка происходит с образованием линий дисклинаций. Соответственно, после выключения поля, раскрученная структура через дисклинации медленно релаксирует к равновесной структуре с исходным шагом холестерической спирали.Figure 9 shows the dependence of the contrast on the amplitude of the voltage U. The maximum contrast of 140: 1 is achieved at a voltage of 20 V. This voltage is the limit to which the spiral pitch does not change and the anharmonic structure when the voltage is turned off returns to the original equilibrium structure. Above this voltage value, a partial (in certain areas of the cell) jumpwise spin of the cholesteric spiral is observed, which results in a decrease in contrast. Promotion occurs with the formation of disclinations lines. Accordingly, after the field is turned off, the untwisted structure through disclinations slowly relaxes to the equilibrium structure with the initial step of the cholesteric spiral.
На Фиг.10а показаны спектры пропускания электрооптического элемента при напряжениях на нем 0, 7, 9, 11, 14 и 16 В. В длинноволновой области от 600 до 640 нм при отсутствии напряжения пропускание света близко к нулю. При подаче напряжения пропускание электрооптического элемента увеличивается практически во всей видимой области спектра. Однако максимальный контраст достигается примерно на длине волны 630 нм. Спектральная зависимость контраста при разных напряжениях показана на Фиг.10б.Figure 10a shows the transmission spectra of an electro-optical element at voltages of 0, 7, 9, 11, 14, and 16 V. In the long-wave region from 600 to 640 nm, in the absence of voltage, the light transmission is close to zero. When voltage is applied, the transmission of the electro-optical element increases in almost the entire visible region of the spectrum. However, maximum contrast is achieved at about a wavelength of 630 nm. The spectral dependence of contrast at different voltages is shown in Fig.10b.
Фиг.11 демонстрирует экспериментально измеренные зависимости времен включения τOn и выключения τOff оптического отклика от величины напряжения. Время включения определялось от момента включения напряжения до достижения уровня 0.9 от максимальной величины сигнала оптического пропускания. Время выключения определялось от момента выключения напряжения до достижения 0.1 от максимальной величины сигнала оптического пропускания. В диапазоне управляющих напряжений, не вызывающих раскрутки спирали (U≈24 B), сумма времен включения и выключения примерно равна 2,7 мс (τОn=1,8 мс, τOff=0,9 мс). Выше ~24 В с ростом напряжения время включения уменьшается, а время выключения увеличивается. Время отклика может быть еще больше сокращено при уменьшении шага спирали и понижении вязкости жидкого кристалла. Так, при шаге спирали 0.6 µm и вращательной вязкости жидкого кристалла 0,1 Па·с времена включения и выключения будут примерно равны 100 мкс, Фиг.5.11 shows the experimentally measured dependence of the on time τ On and off τ Off of the optical response on the voltage value. The turn-on time was determined from the moment the voltage was turned on until the level of 0.9 of the maximum value of the optical transmission signal was reached. The turn-off time was determined from the moment the voltage was turned off until 0.1 of the maximum value of the optical transmission signal was reached. In the range of control voltages that do not cause the spiral to spiral (U≈24 B), the sum of the on and off times is approximately 2.7 ms (τ On = 1.8 ms, τ Off = 0.9 ms). Above ~ 24 V, with increasing voltage, the on-time decreases, and the off-time increases. The response time can be further reduced by decreasing the helix pitch and lowering the viscosity of the liquid crystal. So, with a helix pitch of 0.6 μm and a rotational viscosity of the liquid crystal of 0.1 Pa · s, the on and off times will be approximately 100 μs, Fig. 5.
Электрооптический элемент может быть использован как модулятор света на любой длине волны. Варьировать спектральную характеристику пропускания можно изменением взаимной ориентации поляроидов (углы φ1 и φ2). Это демонстрируется на Фиг.12, на которой показаны спектры контрастного отношения для описанного в данном примере электрооптического элемента при различных углах φ1 и φ2, выбранных так, чтобы получить максимум на длинах волн, близких к 450 нм, 550 нм и 650 нм.The electro-optical element can be used as a modulator of light at any wavelength. The spectral transmission characteristic can be varied by changing the mutual orientation of the polaroids (angles φ 1 and φ 2 ). This is demonstrated in Fig. 12, which shows the contrast ratio spectra for the electro-optical element described in this example at various angles φ 1 and φ 2 , chosen so as to obtain a maximum at wavelengths close to 450 nm, 550 nm and 650 nm.
Claims (40)
а) по меньшей мере, один слой, включающий холестерический жидкий кристалл;
б) элементы для формирования слоя с холестерическим жидким кристаллом;
в) устройства для создания электрического поля в холестерическом жидком кристалле;
г) устройства для изменения состояния поляризации света,
и отличающийся тем, что устройства для создания электрического поля и свойства слоя с холестерическим жидким кристаллом обеспечивают управляемую величину ангармоничности холестерической спирали.2. A high-speed optical element controlled by an electric field and containing:
a) at least one layer comprising a cholesteric liquid crystal;
b) elements for forming a layer with a cholesteric liquid crystal;
c) devices for creating an electric field in a cholesteric liquid crystal;
g) devices for changing the state of polarization of light,
and characterized in that the device for creating an electric field and the properties of the layer with a cholesteric liquid crystal provide a controlled value of the anharmonicity of the cholesteric spiral.
а) по меньшей мере, один слой, включающий холестерический жидкий кристалл;
б) элементы для формирования слоя с холестерическим жидким кристаллом;
в) устройства для создания магнитного поля в холестерическом жидком кристалле;
г) устройства для изменения состояния поляризации света, и отличающийся тем, что устройства для создания магнитного поля и свойства слоя с холестерическим жидким кристаллом обеспечивают управляемую величину ангармоничности холестерической спирали.3. High-speed optical element controlled by a magnetic field and containing:
a) at least one layer comprising a cholesteric liquid crystal;
b) elements for forming a layer with a cholesteric liquid crystal;
c) devices for creating a magnetic field in a cholesteric liquid crystal;
g) a device for changing the state of polarization of light, and characterized in that the device for creating a magnetic field and the properties of the layer with a cholesteric liquid crystal provide a controlled amount of anharmonicity of the cholesteric spiral.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007129670/28A RU2366989C2 (en) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Method for control of light polarisation and fast-acting controlled optical element with application of cholesteric liquid crystal (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007129670/28A RU2366989C2 (en) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Method for control of light polarisation and fast-acting controlled optical element with application of cholesteric liquid crystal (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007129670A RU2007129670A (en) | 2009-02-10 |
| RU2366989C2 true RU2366989C2 (en) | 2009-09-10 |
Family
ID=40546410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007129670/28A RU2366989C2 (en) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Method for control of light polarisation and fast-acting controlled optical element with application of cholesteric liquid crystal (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2366989C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2443992C1 (en) * | 2010-07-30 | 2012-02-27 | Станислав Георгиевич Денисов | Method of recording changes in state of physical fields and apparatus for realising said method |
| WO2012103559A1 (en) * | 2011-01-31 | 2012-08-09 | "Yerevan State University" State Not Commercial Organization | Method and device for controlling of switching and phase modulation of a liquid crystal cell |
| RU2522768C2 (en) * | 2012-07-12 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, (ИК РАН) | Method for dispersion compensation of light polarisation states and high-speed electrooptical modulator based on chiral liquid crystals |
| RU2770167C1 (en) * | 2021-07-28 | 2022-04-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» | Electrically controlled liquid crystal polarization rotator for monochromatic light |
| RU2826877C1 (en) * | 2024-03-21 | 2024-09-17 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Liquid crystal element for controlling light polarization parameters |
-
2007
- 2007-08-02 RU RU2007129670/28A patent/RU2366989C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2443992C1 (en) * | 2010-07-30 | 2012-02-27 | Станислав Георгиевич Денисов | Method of recording changes in state of physical fields and apparatus for realising said method |
| WO2012103559A1 (en) * | 2011-01-31 | 2012-08-09 | "Yerevan State University" State Not Commercial Organization | Method and device for controlling of switching and phase modulation of a liquid crystal cell |
| RU2522768C2 (en) * | 2012-07-12 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук, (ИК РАН) | Method for dispersion compensation of light polarisation states and high-speed electrooptical modulator based on chiral liquid crystals |
| RU2770167C1 (en) * | 2021-07-28 | 2022-04-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» | Electrically controlled liquid crystal polarization rotator for monochromatic light |
| RU2826877C1 (en) * | 2024-03-21 | 2024-09-17 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Liquid crystal element for controlling light polarization parameters |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007129670A (en) | 2009-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xiang et al. | Electrooptic response of chiral nematic liquid crystals with oblique helicoidal director | |
| JP5190262B2 (en) | Device having controlled polarization state of output light, method of driving device, method of using cell in device, optical router, method of controlling or changing polarization state of light, and display device | |
| EP0091661B1 (en) | Liquid crystal optical modulation element | |
| Tondiglia et al. | Electrically induced bandwidth broadening in polymer stabilized cholesteric liquid crystals | |
| Subacius et al. | Switchable diffractive cholesteric gratings | |
| US9690161B2 (en) | Field induced heliconical structure of cholesteric liquid crystal | |
| US7652731B2 (en) | Polymer enhanced cholesteric electro-optical devices | |
| US7499125B2 (en) | Method of fabricating electro-optical devices with polymer-stabilized liquid crystal molecules | |
| Abdulhalim et al. | Electrically and optically controlled light modulation and color switching using helix distortion of ferroelectric liquid crystals | |
| Cui et al. | Alignment layers with variable anchoring strengths from Polyvinyl Alcohol | |
| Petrov et al. | Investigation of flexoelectric properties of a palladium-containing nematic liquid crystal, Azpac, and its mixtures with MBBA | |
| RU2366989C2 (en) | Method for control of light polarisation and fast-acting controlled optical element with application of cholesteric liquid crystal (versions) | |
| Outram et al. | Frequency-dependent dielectric contribution of flexoelectricity allowing control of state switching in helicoidal liquid crystals | |
| Pozhidaev et al. | Electro-optics of ferroelectric and antiferroelectric liquid crystal helical nanostructures | |
| Guo et al. | Voltage sensor with wide frequency range using deformed helix ferroelectric liquid crystal | |
| Joshi et al. | P‐151: Fast Flexoelectro‐optic Response of Bimesogen‐doped Polymer Stabilized Cholesteric Liquid Crystals in Vertical Standing Helix Mode | |
| Yang | Polymer-stabilized liquid crystal displays | |
| Li et al. | Microsecond electro-optic switching of nematic liquid crystals with giant dielectric anisotropy | |
| US7463228B2 (en) | Fast switching dual-frequency liquid crystal cells and method for driving the same | |
| Coles et al. | 40.1: Invited Paper: Ultrafast high optical contrast flexoelectric displays for video frame rates | |
| Yan et al. | Emerging polymer-stabilized blue phase liquid crystal display | |
| Haridas et al. | Anisotropic surface anchoring conditions for gray-scale capability in high-tilt-angle ferroelectric liquid crystal | |
| Wu et al. | A simple method to achieve a 30 μs response time nematic liquid crystal modulator | |
| RU2522768C2 (en) | Method for dispersion compensation of light polarisation states and high-speed electrooptical modulator based on chiral liquid crystals | |
| Himel et al. | Electrically Tunable Chiral Ferroelectric Nematic Liquid Crystal Reflectors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120803 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150827 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180803 |