Линейный поляризатор на нематическом жидком кристалле

 

Изобретение относится к оптическим устройствам. Линейный поляризатор на нематическом жидком кристалле содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала и размещенный между их внутренними рабочими поверхностями спонтанно однородно ориентированный слой жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов. Однородно ориентированный слой жидкого кристалла непосредственно размещен между внутренними рабочими поверхностями оптических элементов и выполнен из жидких кристаллов на основе 1-н-алкилокси-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов. Технический результат - повышение степени поляризации. 1 ил.

Изобретение относится к оптическим устройствам, предназначенным для поляризации света, в частности к линейным поляризаторам, изготовленным из поляризующих материалов, и может быть использовано для получения линейно-поляризованного света в широком спектральном диапазоне, и может найти применение в оптическом приборостроении, в деятельности, связанной с производством и использованием лазерной техники, проекционном телевидении, а также в научных исследованиях.

Известен линейный поляризатор на кристаллической пластинке [1], основанный на явлении полного внутреннего отражения, содержащий две призмы, изготовленные из оптического стекла и плоскопараллельную пластинку исландского шпата, вырезанную определенным образом относительно кристаллографической оси и заклеенную между призм с помощью специального клея. При наклонном падении света на границу раздела клей-кристалл происходит разделение поляризаций: необыкновенный луч проходит границу раздела без изменения направления, а обыкновенный испытывает полное внутреннее отражение и выводится наружу через боковую грань. Данное устройство позволяет производить поляризацию в широком спектральном диапазоне, но имеет значительные потери света за счет поглощения и рассеяния в объеме кристаллического материала и на всех границах раздела, сложно в обработке природных кристаллов исландского шпата, имеет ограниченность линейной апертуры до значений 20-30 мм, что связано с невозможностью вырезать однородную пластинку большого размера из заготовок, практически добываемых при разработке месторождений исландского шпата.

Известен линейный поляризатор [2], который по своей сущности и достигаемым показателям является ближайшим аналогом (прототипом) настоящего изобретения и содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, конкретно в виде двух призм, внутренние рабочие грани которых параллельны, два ориентирующих слоя, нанесенные на эти внутренние рабочие грани призм и размещенный между ориентирующими слоями слой жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов. Поляризатор позволяет производить поляризацию оптического излучения в широком спектральном диапазоне, в таком поляризаторе потери света за счет поглощения и при отражениях от всех границ раздела (стекло-ориентирующий слой, ориентирующий слой-жидкий кристалл) существенно меньше, чем в призме [1]. При изготовлении такого жидкокристаллического поляризатора отсутствует проблема получения однородных пластин исландского шпата (т.к. вместо этих пластин используются слои анизотропной жидкости). Размеры поляризатора определяются только размерами призм из оптического стекла (или другого прозрачного оптического материала) и можно вырезать призму практически любого размера (например, с линейной апертурой до 100 мм). Однако необходимость присутствия ориентирующих слоев, создающих однородную ориентацию жидкого кристалла, существенно усложняет процесс изготовления поляризатора и увеличивает рассеяние света при прохождении им ориентирующих слоев, что особенно характерно как раз для поляризаторов большого размера.

Решаемой технической задачей является получение поляризатора, который одновременно имел бы более высокий коэффициент пропускания, более высокую степень поляризации света и большую простоту в изготовлении.

Поставленная цель достигается тем, что линейный жидкокристаллический поляризатор на нематическом жидком кристалле, содержащий два оптических элемента из прозрачного изотропного материала, и размещенный непосредственно между их внутренними рабочими поверхностями спонтанно однородно ориентированный слой жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов, отличается от вышеописанного тем, что слой нематического жидкого кристалла непосредственно прилегает (без ориентирующих слоев) к внутренним рабочим поверхностям призм и выполнен из смеси 1-н-алкил-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%: 1-н-алкилокси-4-коричных кислот - 3-85 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное При этом разделение исходного неполяризованного пучка на две ортогонально поляризованные компоненты вследствие полного внутреннего отражения одной из них происходит со значительно меньшим рассеянием, т.е. с более высокой степенью поляризации, и более высоким пропусканием, поскольку слой жидкого кристалла непосредственно прилегает к прозрачному изотропному материалу оптических элементов.

На чертеже показан в упрощенном виде один из возможных вариантов линейного поляризатора. Поляризатор содержит два оптических элемента из прозрачного изотропного материала - две одинаковые стеклянные трапецеидальные призмы (1) и непосредственно размещенный между их внутренними рабочими поверхностями спонтанно однородно ориентированный слой жидкого кристалла (2) с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления стеклянных призм и таким, что угол падения света на слой НЖК ϕ_пад удовлетворяет соотношению где n_о - обыкновенный показатель преломления слоя нематического жидкого кристалла; n_п - показатель преломления изотропного материала призм; нормаль к плоскости слоя жидкого кристалла) во всем рабочем спектральном диапазоне. Слой выполнен из жидких кристаллов на основе 1-н-алкилокси-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%: 1-н-алкилокси-4-коричныхых кислот - 3-85
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
Толщина слоя жидкого кристалла составляет 1-100 мкм.

Поляризатор работает следующим образом. Неполяризованный пучок света АО падает на входную поверхность устройства и затем попадает под углом ϕ_пад на границу раздела изотропный материал - анизотропный спонтанно однородно ориентированный нематический жидкий кристалл, где и происходит разделение поляризаций за счет полного внутреннего отражения обыкновенного луча практически без рассеяния света за счет того, что слой жидкого кристалла непосредственно прилегает к внутренним поверхностям прозрачных стеклянных призм и выполнен из жидких кристаллов на основе 1-н-алкилокси-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
1-н-алкилокси-4-карбоновых кислот - 3-85
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
Необыкновенный луч далее распространяется в направлении 0В, а обыкновенный в направлении ОС.

Т.о. линейный поляризатор с непосредственным прилеганием спонтанно однородно ориентированного слоя жидкого кристалла, выполненного из жидких кристаллов на основе 4-н-алкил-трансциклогексанкарбоновых кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил)бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас. %:
1-н-алкилокси-4-коричных кислот - 3-85
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - остальное
к прозрачному изотропному материалу оптических элементов позволяет получать линейно поляризованный свет с более высоким пропусканием, более высокой степенью поляризации, большей однородностью степени поляризации по линейной апертуре, большей простотой изготовления.

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

[2] А. А. Каретников. Оптика и спектроскопия, 1989, т. 67, вып. 2, с. 324-326.

Формула изобретения

Линейный поляризатор на нематическом жидком кристалле, содержащий два оптических элемента из прозрачного изотропного материала и размещенный между их внутренними рабочими поверхностями спонтанно однородно ориентированный слой жидкого кристалла с показателем преломления обыкновенного луча меньшим, чем показатель преломления каждого из оптических элементов, отличающийся тем, что однородно ориентированный слой жидкого кристалла непосредственно размещен между внутренними рабочими поверхностями оптических элементов и выполнен из жидких кристаллов на основе 1-н-алкилокси-4-коричных кислот и 4-(транс-4-н-алкилциклогексил) бензонитрилов при следующем соотношении компонентов, мас.%:
1-н-алкилокси-4-коричных кислот - 3 - 85%
4-(транс-4-алкилциклогексил)бензонитрилов - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1