Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света



Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света
Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света
Электроуправляемый жидкокристаллический вращатель поляризации монохроматического света
G02F1/13718 - Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика (термометры с использованием изменения цвета или прозрачности G01K 11/12; с использованием изменения параметров флуоресценцией G01K 11/32; световоды G02B 6/00; оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых элементов для управления светом от независимого источника G02B 26/00; управление светом вообще G05D 25/00; системы визуальной сигнализации G08B 5/00; устройства для индикации меняющейся информации путем выбора или комбинации отдельных элементов G09F 9/00; схемы и устройства управления для приборов

Владельцы патента RU 2770167:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (RU)

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.

 

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 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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптической техники, в частности к устройству одностороннего пропускания терагерцового излучения на основе эффекта Фарадея, и может быть использовано в качестве элемента оптической развязки. Устройство на основе эффекта Фарадея для одностороннего пропускания терагерцового излучения в диапазоне частот от 0,1 до 0,65 ТГц, содержащее входной поляризатор, элемент, вращающий плоскость поляризации, и выходной поляризатор, закреплённые вдоль оптической оси с помощью держателя из немагнитного материала.

Изобретение относится к магнитно-адресуемым дисплеям. Способ стирания в магнитоэлектрофоретической среде, содержащей частицы, предусматривает подачу неэлектрического стимула в магнитоэлектрофоретическую среду и одновременную подачу подпорогового напряжения в магнитоэлектрофоретическую среду, инициируя тем самым переключение магнитоэлектрофоретической среды из первого состояния во второе состояние.

Изобретение относится к электрооптическим дисплеям, содержащим инкапсулированные электрооптические среды. Электрооптическая среда содержит сплошную фазу, содержащую связующее вещество, и дисперсную фазу, содержащую электрооптический материал.

Подсветка для жидкокристаллического устройства отображения состоит из гибкого теплопроводящего листа, на котором расположен массив светодиодных лент и/или линеек, разделенный по меньшей мере на две группы светодиодных лент и/или линеек. Каждая группа управляется с помощью драйвера, расположенного на тыльной стороне теплопроводящего листа и содержащего в себе логический вход, логический выход, многоканальный контроллер широтно-импульсной модуляции, по меньшей мере два контроллера силовых ключей и по меньшей мере один силовой ключ.

Изобретение относится к области электрохромных материалов нейтральных для человеческого глаза цветов. Согласно изобретению предложен электрохромный материал, имеющий формулу WO2,4-2,9:M1:E1:E2, где М1 - легирующая добавка, выбранная из Mo, Ti, Ni, Zr, V, Cr, Al, Nb, Ta, Co, Mn, Е1 - легирующая добавка, выбранная из H, N, C, Si, Ge, P, B, а Е2 - легирующая добавка, выбранная из H, N, C, Si, Ge, P, B, при этом E1≠E2.

Изобретение относится к оптико-электронным приборам для наведения и прицеливания, в частности к малогабаритным лазерным источникам света, и может быть использовано, например, в качестве юстировочного источника излучения в системах с автоматической юстировкой. Лазерный модуль содержит корпус, источник коллимированного лазерного излучения с элементами его фиксации в корпусе, элементы юстировки, элементы питания и управления, выполненные встроенными и/или внешними с выходящим жгутом.

Группа изобретений относится к измерительной технике, в частности, для контроля магнитных полей. Способ визуализации магнитного поля кольцевых постоянных магнитов содержит этапы, на которых в качестве чувствительного элемента используется стабильная нанодисперсная магнитная жидкость, которая заливается в ячейку Хеле-Шоу, осуществляется послойное сканирование с компьютерной обработкой полученных изображений и последующим построением замкнутых изолиний модуля напряженности магнитного поля кольцевых постоянных магнитов, при этом в зависимости от параметров исследуемого магнита в качестве чувствительного элемента подбираются магнитные жидкости с различной концентрацией магнитной фазы.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается способа получения последовательности идентичных фемтосекундных импульсов для излучения с произвольной шириной спектра. Способ заключается в том, что излучение лазера делят зеркалом на две части, выделяют сигнал с частотой повторения импульсов, который смешивают с сигналом синтезатора опорной частоты повторения импульсов и подают на блок фазовой привязки.

Изобретение относится к способам возбуждения электрооптических устройств отображения. Способ возбуждения пикселей электрофоретического дисплея, содержащего частицы четырех типов, где частицы первого типа и частицы третьего типа заряжены положительно, а частицы второго типа и частицы четвертого типа заряжены отрицательно, включает следующие стадии: (i) подачу первого возбуждающего напряжения на пиксель электрофоретического дисплея в течение первого отрезка времени с первой амплитудой для возбуждения пикселя с его переводом в состояние цвета частиц четвертого типа на наблюдаемой стороне; и (ii) подачу второго возбуждающего напряжения, противоположного первому возбуждающему напряжению, и со второй амплитудой, меньшей первой амплитуды, на пиксель электрофоретического дисплея в течение второго отрезка времени для возбуждения частиц второго типа с их смещением в направлении ненаблюдаемой стороны.

Изобретение относится к радиолокационной технике и технике радиосвязи на основе радиофотоники. Радиофотонное устройство сканирования антенных решеток основано на широкополосном источнике оптического сигнала, многоспектральных демультиплексорах и полупроводниковых оптических усилителях (SOA), применяемых в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей оптических линий задержки.

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Его использование в устройствах и системах визуализации позволяет повысить качество цветопередачи, увеличить угол обзора и быстродействие модуляции света, упростить технологию изготовления дисплейной ячейки.
Наверх