RU2770167C1 - Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света - Google Patents
Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света Download PDFInfo
- Publication number
- RU2770167C1 RU2770167C1 RU2021122443A RU2021122443A RU2770167C1 RU 2770167 C1 RU2770167 C1 RU 2770167C1 RU 2021122443 A RU2021122443 A RU 2021122443A RU 2021122443 A RU2021122443 A RU 2021122443A RU 2770167 C1 RU2770167 C1 RU 2770167C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cholesteric
- liquid crystal
- director
- electrically controlled
- polarization
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
- G02F1/13718—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on a change of the texture state of a cholesteric liquid crystal
Abstract
Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам, основанным на жидких кристаллах и предназначенным для управления поляризацией проходящего света с использованием электрического поля. Электроуправляемый вращатель поляризации света состоит из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического жидкого кристалла. Электрод одной из подложек обработан так, чтобы обеспечить тангенциальное поверхностное сцепление для используемого холестерика. Электрод на второй подложке обработан таким образом, что для используемого холестерика обеспечивается коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали, в результате чего в слое холестерика образуется закрученная конфигурация директора с тангенциально-коническим поверхностным сцеплением, в которой при воздействии электрического поля различной величины происходит плавное изменение угла закрутки директора. Техническим результатом является создание электроуправляемого жидкокристаллического вращателя, обеспечение низкого управляющего напряжения и увеличение изменения угла поворота поляризации света. 4 ил.
Description
Изобретение относится к оптоэлектронной технике, в частности к устройствам, основанным на жидких кристаллах (ЖК) и предназначенным для управления поляризацией проходящего света с использованием электрического поля.
Известен жидкокристаллический вращатель поляризации света [Schadt M., Helfrich W. Voltage-dependent optical activity of a twisted nematic liquid crystal // Appl. Phys. Lett. – 1971. – Vol. 18, Iss. 4. P. 127–128], состоящий из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами, на которые нанесены ориентирующие покрытия, и слоя нематического жидкого кристалла (нематика) с положительной диэлектрической анизотропией между ними. Ориентирующие покрытия задают для ЖК тангенциальные (планарные) условия сцепления (палочкообразные молекулы ЖК при этом ориентируются параллельно поверхности подложки) и обработаны так, чтобы ориентация директора (преимущественное направление ориентации палочкообразных молекул ЖК) на противоположных подложках была взаимно перпендикулярной. В результате в объеме слоя нематика формируется закрученная на 90° конфигурация директора. В исходном состоянии нормально падающий свет с линейной поляризацией параллельной (перпендикулярной) директору на входной подложке после прохождения ЖК ячейки изменяет направление поляризации на 90° если длина волны падающего света λ удовлетворяет условию λ << 4dΔn (d – толщина слоя ЖК, Δn – оптическая анизотропия ЖК). Приложение электрического поля перпендикулярно слою ЖК приводит к переключению устройства в состояние, в котором отсутствует вращение плоскости поляризации проходящего света, вследствие ориентации директора вдоль электрического поля (вдоль направления распространения света).
Недостатком вышеописанного устройства является то, что переключение электрическим полем направления плоскости поляризации света происходит только между двумя состояниями: 90° и 0°.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является жидкокристаллическое устройство для непрерывного вращения поляризации монохроматического света [Simoni F., Bartolino R., Guarracino N., Scaramuzza N., Barbero G., Catalano A. Liquid crystal device for continuous rotation of selective polarization of monochromatic light // United States Patent No. 4579422. 01.04.1986], содержащее две стеклянные подложки с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического ЖК (холестерика) с положительной диэлектрической анизотропией. Прозрачные электроды были обработаны таким образом, чтобы задавать тангенциальное (планарное) поверхностное сцепление для холестерика на обеих подложках. В исходном состоянии линейная поляризация нормально падающего монохроматического света после прохождения ЖК устройства поворачивается на определенный угол β0 вследствие того, что холестерик имеет геликоидальное упорядочение директора. Приложение электрического поля различной величины перпендикулярно слою ЖК приводило к плавному изменению угла поворота поляризации света β. Так в диапазоне приложенных напряжений от 3 до 6 В было получено плавное изменение угла поворота поляризации монохроматического света β-β0 от 0° до 45°.
Недостатками известного устройства являются достаточно большое управляющее напряжение и малый диапазон изменения угла поворота поляризации света.
Техническим результатом изобретения является создание электроуправляемого жидкокристаллического вращателя поляризации монохроматического света на основе слоя холестерика с тангенциально-коническим поверхностным сцеплением, обладающего низким управляющим напряжением и относительно большим изменением угла поворота поляризации света.
Указанный технический результат достигается тем, что в электроуправляемом жидкокристаллическом вращателе поляризации монохроматического света, состоящем из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерика, прозрачные электроды обработаны таким образом, чтобы обеспечить для ЖК тангенциальное поверхностное сцепление на одной подложке и коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали на второй подложке, в результате чего в ячейке образуется закрученная конфигурация директора, в которой при воздействии электрического поля различной величины на слой ЖК происходит плавное изменение угла закрутки директора. В данном случае коническое поверхностное сцепление означает, что директор ЖК на границе раздела составляет определенный полярный угол с нормалью к поверхности, не изменяющийся при воздействии электрического поля используемой величины. В то же время азимутальная ориентация директора вырождена, то есть, директор может свободно поворачиваться по конусу вокруг нормали к поверхности так, что любые его положения равнозначны по величине энергии поверхностного сцепления. Полярный угол можно варьировать в интервале от 30° до 50°, применяя на этапе изготовления устройств полимерные пленки разного состава, используемые в качестве ориентирующего покрытия.
Отличия заявляемого электроуправляемого жидкокристаллического вращателя поляризации монохроматического света от прототипа заключаются в том, что прозрачный электрод на одной из подложек обработан таким образом, что обеспечивается коническое поверхностное сцепление для холестерического ЖК с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали, в результате чего в ячейке образуется закрученная конфигурация директора, для которой достаточно воздействия электрического поля меньшей величины для обеспечения плавного изменения угла закрутки директора на больший угол.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображено поперечное сечение заявляемого электроуправляемого жидкокристаллического вращателя поляризации монохроматического света (фиг. 1).
Заявляемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света содержит две стеклянные пластины 1 с прозрачными электродами 2 на внутренних сторонах, покрытых различными полимерными пленками-ориентантами 3 и 4. Между подложками располагается слой холестерического ЖК 5, толщина которого задается спейсерами 6. Полимерная пленка 3, покрывающая подложку, на которую падает линейно-поляризованный монохроматический свет (обозначен стрелкой на фиг. 1), однонаправленно натирается. В качестве холестерического ЖК использована нематическая смесь ЛН-396 [Krakhalev M.N., Prishchepa O.O., Sutormin V.S., Zyryanov V.Ya. Director configurations in nematic droplets with tilted surface anchoring // Liq. Cryst. – 2017. – Vol. 47, No. 2. P. 355–363], допированная холестерилацетатом. В качестве полимерной пленки 3 использован поливиниловый спирт (ПВС) (www.sigmaaldrich.com), который для выбранного жидкого кристалла задает тангенциальное поверхностное сцепление. В качестве полимерной пленки 4 использован полиизобутилметакрилат (ПиБМА) (www.sigmaaldrich.com), который для выбранного жидкого кристалла задает коническое поверхностное сцепление с полярным углом наклона директора 40° к нормали на границе раздела полимер-ЖК.
Заявляемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света функционирует следующим образом. В отсутствие внешнего электрического поля направление поляризации линейно-поляризованного света после прохождения ЖК слоя поворачивается на угол β0 вследствие того, что в слое ЖК реализована закрученная конфигурация директора. При этом поляризация падающего света должна быть параллельна или перпендикулярна направлению натирки полимерной пленки 3 на входной подложке 1, а длина волны падающего света λ должна удовлетворять условию λ << pΔn, где p – шаг холестерической спирали (расстояние на котором директор поворачивается на 360°). При подаче на электроды 2 электрического сигнала происходит изменение угла закрутки директора в ЖК слое 5, сопровождаемое азимутальным поворотом директора на полимерной пленке 4 с коническим поверхностным сцеплением. В результате поляризация падающего линейно-поляризованного света после прохождения ЖК слоя поворачивается на угол β, отличный от исходного β0. При этом варьирование величины приложенного электрического поля позволяет плавно управлять величиной изменения угла поворота поляризации света β0-β.
Примеры:
В качестве 1-го примера был изготовлен электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света с применением следующий операций:
1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена пленка ПВС методом центрифугирования.
2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.
3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки была нанесена пленка ПиБМА методом центрифугирования.
4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 1, в которой величина зазора для ЖК составляла 13.9 мкм.
5. Ячейка заполнялась нематической смесью ЛН-396, допированной холестерилацетатом в соотношении 1 : 0.0063 по весу. В результате формировался электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, схематическое изображение которого показано на фиг. 1.
Используемый холестерик имел шаг спирали p равный 22.9 мкм. Отношение толщины слоя холестерика d к шагу холестерической спирали p составляло 0.61. В качестве источника излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны λ = 632.8 нм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.18 В позволяло варьировать величину изменения угла поворота поляризации света β0-β от 0 до 60° (фиг. 2а). Причем величина β0-β равная 45° (максимальное значение, полученное у прототипа) достигалась при напряжении 1.11 В.
В качестве 2-го примера был изготовлен электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света с применением следующий операций:
1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена пленка ПВС методом центрифугирования.
2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.
3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки была нанесена пленка ПиБМА методом центрифугирования.
4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 1, в которой величина зазора для ЖК составляла 21.6 мкм.
5. Ячейка заполнялась нематической смесью ЛН-396, допированной холестерилацетатом в соотношении 1 : 0.0041 по весу. В результате формировался электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, схематическое изображение которого показано на фиг. 1.
Используемый холестерик имел шаг спирали p равный 35.6 мкм. Отношение толщины слоя холестерика d к шагу холестерической спирали p составляло 0.61. В качестве источника излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны λ = 632.8 нм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.40 В позволяло варьировать величину изменения угла поворота поляризации света β0-β от 0 до 65° (фиг. 2б). Причем величина β0-β равная 45° (максимальное значение, полученное у прототипа) достигалась при напряжении 1.07 В.
В качестве 3-го примера был изготовлен электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света с применением следующий операций:
1. На прозрачный электрод одной стеклянной подложки была нанесена пленка ПВС методом центрифугирования.
2. Полимерная пленка ПВС была однонаправленно натерта.
3. На прозрачный электрод второй стеклянной подложки была нанесена пленка ПиБМА методом центрифугирования.
4. Используя подготовленные подложки и спейсеры, была собрана ячейка-сэндвич согласно фиг. 1, в которой величина зазора для ЖК составляла 35.3 мкм.
5. Ячейка заполнялась нематической смесью ЛН-396, допированной холестерилацетатом в соотношении 1 : 0.0025 по весу. В результате формировался электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, схематическое изображение которого показано на фиг. 1.
Используемый холестерик имел шаг спирали p равный 57.6 мкм. Отношение толщины слоя холестерика d к шагу холестерической спирали p составляло 0.61. В качестве источника излучения был выбран He-Ne лазер с длиной волны λ = 632.8 нм. Приложение напряжения к ЖК ячейке в диапазоне от 0.30 до 1.43 В позволяло варьировать величину изменения угла поворота поляризации света β0-β от 0 до 76° (фиг. 2в). Причем величина β0-β равная 45° (максимальное значение, полученное у прототипа) достигалась при напряжении 1.02 В.
Исследования полученных экспериментальных образцов показали, что заявляемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света по совокупности физико-технических характеристик не уступает прототипу. В то же время были получены более высокие значения изменения угла поворота поляризации света β0-β при использовании более низких значений управляющего напряжения. Так, для устройства, описанного в Примере 3, где толщина слоя холестерика составляла 35.3 мкм, управляющее напряжение, необходимое для достижения величины β0-β = 45°, было уменьшено в 5.8 раза, а предельное изменение угла поворота поляризации света было увеличено в 1.7 раза в сравнении с прототипом.
Предлагаемый электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света может использоваться в оптоэлектронных приборах и устройствах, где необходимо иметь компактный, дешевый, простой в изготовлении и надежный в эксплуатации элемент с низковольтным управлением поляризацией проходящего оптического излучения.
Claims (1)
- Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света, состоящий из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, между которыми расположен слой холестерического жидкого кристалла, при этом электрод одной из подложек обработан так, чтобы обеспечить тангенциальное поверхностное сцепление для используемого холестерика, отличающийся тем, что электрод на второй подложке обработан таким образом, что для используемого холестерика обеспечивается коническое поверхностное сцепление с углом наклона директора в интервале от 30° до 50° к нормали, в результате чего в слое холестерика образуется закрученная конфигурация директора с тангенциально-коническим поверхностным сцеплением.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021122443A RU2770167C1 (ru) | 2021-07-28 | 2021-07-28 | Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021122443A RU2770167C1 (ru) | 2021-07-28 | 2021-07-28 | Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2770167C1 true RU2770167C1 (ru) | 2022-04-14 |
Family
ID=81212719
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021122443A RU2770167C1 (ru) | 2021-07-28 | 2021-07-28 | Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2770167C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4114990A (en) * | 1976-05-04 | 1978-09-19 | International Standard Electric Corporation | Liquid crystal rotator |
| DE4004206A1 (de) * | 1990-02-12 | 1991-08-14 | Max Planck Gesellschaft | Fluessigkristall-element |
| WO2003027756A1 (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-03 | 3M Innovative Properties Company | Polarization rotators, articles containing polarization rotators, and methods for making and using the same |
| RU2366989C2 (ru) * | 2007-08-02 | 2009-09-10 | Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова Российской академии Наук | Способ управления поляризацией света и быстродействующий управляемый оптический элемент с применением холестерического жидкого кристалла (варианты) |
-
2021
- 2021-07-28 RU RU2021122443A patent/RU2770167C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4114990A (en) * | 1976-05-04 | 1978-09-19 | International Standard Electric Corporation | Liquid crystal rotator |
| DE4004206A1 (de) * | 1990-02-12 | 1991-08-14 | Max Planck Gesellschaft | Fluessigkristall-element |
| WO2003027756A1 (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-03 | 3M Innovative Properties Company | Polarization rotators, articles containing polarization rotators, and methods for making and using the same |
| RU2366989C2 (ru) * | 2007-08-02 | 2009-09-10 | Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова Российской академии Наук | Способ управления поляризацией света и быстродействующий управляемый оптический элемент с применением холестерического жидкого кристалла (варианты) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4410238A (en) | Optical switch attenuator | |
| KR100223601B1 (ko) | 액정 표시 장치 | |
| US4114990A (en) | Liquid crystal rotator | |
| US8989523B2 (en) | Liquid crystal waveguide for dynamically controlling polarized light | |
| KR100844615B1 (ko) | 액정 장치 및 이의 제조 방법 | |
| US20120242918A1 (en) | Cholesteric liquid crystal structure | |
| JPH0151818B2 (ru) | ||
| EP0093035B1 (fr) | Perfectionnements aux cellules optiques utilisant des cristaux liquides | |
| JP2010540983A (ja) | ビーム成形装置 | |
| Tondiglia et al. | Electrical control of unpolarized reflectivity in polymer‐stabilized cholesteric liquid crystals at oblique incidence | |
| CN114265228A (zh) | 偏振基材和包括该偏振基材的可变透射率装置 | |
| US20070108408A1 (en) | Biaxial liquid crystal electro-optic devices | |
| RU2770167C1 (ru) | Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света | |
| US5701168A (en) | Inverse twisted and super-twisted nematic liquid crystal device | |
| US20040031672A1 (en) | Liquid crystal color switch and method of manufacture | |
| Li et al. | 43‐1: Tri‐stable Cholesteric Liquid Crystal Smart Window | |
| TWI477843B (zh) | 兆赫波相位調變器 | |
| RU2707424C1 (ru) | Электрически управляемый поляризатор света на основе анизотропии светорассеяния | |
| JP2014186045A (ja) | 液晶表示装置 | |
| US20220373855A1 (en) | Optical phase control elements based on pancharatnam phase | |
| JP5230860B2 (ja) | 黒を最適化する双安定ネマチック型スクリーンを有するディスプレー装置および同装置の鮮鋭画定方法 | |
| RU2736815C1 (ru) | Электрооптический жидкокристаллический элемент с низким управляющим напряжением и высоким контрастом | |
| RU2601616C1 (ru) | Электрооптический жидкокристаллический элемент | |
| KR940006340B1 (ko) | 액정 선편광기 | |
| JPH1164895A (ja) | 反射型カラー液晶表示装置 |