Так свет проходит сквозь слой нематической жидкости и доходит до второго поляризатора. И здесь возникает уже знакомая нам ситуация. В случаях а и б (рис9) свет сквозь оптическую систему пройти не может, а в случае в (рис9) он проходит беспрепятственно. А теперь представим себе промежуточный случай, когда оси n на стенках скрещены между собой, но в толще слоя, благодаря какому-то воздействию, они повернулись почти перпендикулярно стёклам. В этой ситуации свет практически не проходит сквозь второй поляризатор. Остался ещё один шаг до массового применения подобной системы. Надо научится управлять оптической осью нематической жидкости так, чтобы в отсутствии воздействия эта ось ориентировалась, как на рисунке 9 в, а при включении воздействия она наклонялась на заметный угол, как на рисунках 9,б и г. После выключения воздействия, молекулы занимают свои прежние позиции, вследствие условий на стеклянных поверхностях и взаимодействий между собой.

Оказалось, что именно в нематическом жидком кристалле это очень просто сделать с помощью электрического поля, заключив слой между полированными стёклами, на которые нанесены прозрачные электроды.

Рис.9

Подключив к этим электродам слабенькую батарейку и замкнув цепь, мы сделаем нашу оптическую систему светонепроницаемой, а разомкнув цепь – прозрачной, что и осуществил впервые Фредерикс.

Почему электрическое поле поворачивает молекулы так, как нам нужно, и сколь сильным оно при этом должно быть? Ответ на первую часть вопроса легко дать с помощью рисунка 10. Пусть молекула, у которой диполь легко образуется вдоль длинной оси, находится в электрическом поле и между векторами Е и n имеется некоторый угол. Тогда в образовавшемся диполе на заряды +Q и –Q действуют силы F+ =+QE и F- = -QE; таким образом, возникает пара сил, создающая крутящий момент.

Этот момент сил и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль вектора Е.

Рис.10

Здесь важно заметить, что на самом деле необходимо повернуть одновременно очень большое число таких молекул, но при этом нет необходимости поворачивать каждую молекулу в отдельности. Поскольку молекулы, взаимодействующие между собой, ориентированы одинаково, то достаточно толкнуть одну, чтобы другие дружно повернулись вслед за первой. Поэтому для осуществления описанного эффекта необходимое некоторое конечное значение разности потенциалов на электродах – пороговое напряжение. Это пороговое значение определяется из условия равенства моментов двух сил: силы, действующие со стороны электрического поля, и возвращающей силы взаимодействия между молекулами, которая стремится ориентировать молекулы так, как сориентированы молекулы, прилипшие к стеклу. Оказывается, что независимо от толщины слоя, пороговое напряжение может составлять доли вольта, причём толщина слоёв составляет сотую долю миллиметра. Это во много раз меньше, чем требуется для получения таких же оптических эффектов в твёрдых кристаллах, что и обусловило громадный практический интерес к жидким кристаллам при создании циферблатов всевозможных типов.

III Физический принцип действия устройств на ЖК

Жидкокристаллические телевизоры.

Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров.

Жидкокристаллический дисплей ( LCD – Liquid Crystal Display ).

Принцип работы жидкокристаллического дисплея заключается в следующем – свет от лампы подсветки проходит через первый поляризатор и стеклянную пластину, поляризуясь в вертикальной плоскости. Слой жидких кристаллов расположен между двумя прозрачными пластинами, на них нанесены прозрачные электроды, подводящие электричество к каждой ячейке матрицы. Пластины обработаны так, что жидкие кристаллы ориентируются между ними определенным образом. При прохождении через светофильтр луч окрашивается в один из трех цветов (красный, зеленый, синий). После светофильтра размещается второй поляризатор, развёрнутый на 90o относительно первого. Если на ячейку не подать напряжение, то свет при прохождении сквозь слой жидких кристаллов не меняет плоскости поляризации и не может пройти сквозь второй поляризатор. Эта ячейка будет выглядеть черной на экране. Если же, подать напряжение, то жидкие кристаллы повернутся и изменят плоскость поляризации луча, который в свою очередь беспрепятственно пройдёт сквозь второй поляризатор. Для повышения быстродействия применяется технология тонкопленочных транзисторов ( Thin Film Transistor ), суть этой технологии в том, что для управления каждой ячейкой применяется отдельный тонкопленочный транзистор, а не горизонтальный и вертикальный электрод.

Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако оно связно со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжен; .я на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выбор электрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами.

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Х1 см2.

Описанный способ записи изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кристаллах.[2],[5].

Термография.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

IV О будущих применениях жидких кристаллов

Интенсивное изучение ЖК началось в середине 70-х гг. прошлого столетия, в настоящее время эти системы продолжают детально исследаваться в силу своих уникальных фотоупругих, электрооптических и нелинейных оптических свойств. Рассматриваются способы их синтеза и тестирования, методы введения в различные фоточувствительные полимерные и наноструктурированные среды. Изучаются жидкокристаллические нематические, холестерические и смектические структуры, а также системы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами.

Важной доминантой в изучении фазового состояния ЖК, структурирования мезофазы является проведение их сенсибилизации при использовании нанообъектов. В качестве последних используются фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наночастицы, J–агрегаты, др. Исследуются структурные, химические, спектральные, фотопроводниковые, электрические, нелинейно-оптические свойства жидких кристаллов и нанокомпозитов на их основе; изучаются механизмы взаимодействия теплового излучения, магнитного и электрического полей, а также лазерного излучения широкого спектрального и энергетического диапазонов с данными системами. Определяются перспективы использования жидкокристаллических сред в качестве усилителей яркости изображения, перестраиваемых фильтров, дисплейных элементов нового поколения, быстродействующих переключателей, оптически управляемых и акустических модуляторов света, термодатчиков в различных областях науки, техники, биологии и медицины. Каждая из областей по-своему интересна и познавательна и требует определенных усилий для своего планомерного развития.

Пространственно-временной модулятор света

Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем — это проблема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработки оптической информации. Ниже рассказывается о ряде возможных применений модуляторов света.

Прежде всего отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового потока. Спектральный диапазон работы модуляторов, выполненных на различных полупроводниковых материалах, перекрывает длины волн от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фотополупроводников удается улучшить временные характеристики устройств по сравнению с быстродействием собственно жидких кристаллов. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала происходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем подборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если контур перемещается, то можно визуализировать его движение. При этом существенно, что длина волны записывающего изображения излучения и считывающего излучения могут отличаться. Поэтому модуляторы света позволяют, например, визуализировать инфракрасное излучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изображения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освещению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изображению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света. В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают основание использовать их 6 многочисленных задач обработки оптической информации, таких как распознавание образов, подавление помех, спектральный и корреляционный анализ, интерферометрия, в том числе запись голограмм в реальном масштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленные возможности жидкокристаллических оптических модуляторов реализуются в надежные технические устройства, покажет ближайшее будущее.

Оптический микрофон

Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воздействий в оптический сигнал жидкокристаллические устройства оказываются опять-таки очень удобными и перспективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, однако подавляющее большинство этих методов связано сначала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двуступенчатые и, следовательно, не такие уж простые и экономичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно непосредственно переводить в оптический сигнал, что устраняет промежуточное звено в цепи воздействие световой сигнал, а значит, вносит принципиальное упрощение в управление световым потоком. Другое достоинство ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с узлами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о принципе работы «оптического микрофона» на ЖК — устройства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического микрофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает существующим образцам и может быть использован в оптических линиях связи, позволяя осуществлять непосредственное преобразование звуковых сигналов в оптические. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акусто - оптические характеристики практически не изменяются.

Прежде чем перейти к другому примеру возможного применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покрытие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего происходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный режим распространения света в волокне может быть также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода.

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волноводный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектрической проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер изменения ориентации директора по толщине, что для определенной поляризации света такой слой оказывается оптическим волноводом.

Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оптическим волокном-волноводом и жидкокристаллическим волноводом. Но имеется здесь и очень существенная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлектрические характеристики оптического волокна, а следовательно, и его волноводные свойства, неизменны и формируются при его изготовлении, то диэлектрические, а следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристаллический волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно модулировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В простейшем случае это может быть просто прерывание светового потока, которое может происходить в ЖК-элементе при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волноводных свойств. Кстати сказать, этот же ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем возмущение ориентации директора.

Уменьшение трения при помощи ЖК.

Новый тип смазки, предложенный учеными из Фраунгоферовского института механики материалов (Фрайбург, Германия), позволяет уменьшить трение в подшипниках и передаточных механизмах практически до нуля. Андреас Кайлер (Andreas Kailer) объясняет, как удалось добиться таких результатов: «Смазка изготовлена на основе жидких кристаллов (ЖК) наподобие тех, что используются при производстве современных мониторов с плоскими экранами. В отличие от обычных жидкостей, все молекулы ЖК имеют одинаковую ориентацию в пространстве. Откройте новую коробку спичек: головки будут смотреть в одном направлении».

Совместно с коллегами из Фраунгоферовского института прикладных исследований полимеров и инженерами компании Nematel ученые провели практические испытания с целью выяснить, какие кристаллы и в каких условиях лучше всего использовать для создания смазки. Схема эксперимента проста: к металлическому цилиндру, который передвигается по контактной поверхности, прикладывается определенное усилие. Исследователи замеряют энергию, которую необходимо затратить для перемещения этого цилиндра.

Как оказалось, через некоторое время после нанесения на соприкасающиеся поверхности ЖК трение падает почти до нуля. Длительность переходного процесса определяется в основном силой, которая приложена к цилиндру. «Опыты показывают, что применять смазку на основе жидких кристаллов в подшипниках качения нецелесообразно, так как контактное давление слишком велико, и сила трения снижается не так существенно, — делится результатами исследования доктор Кайлер. — С другой стороны, такая смазка идеально подходит для подшипников скольжения». Поскольку производство ЖК до настоящего момента было ориентировано на их использование в различных дисплеях (а значит, требовалось обеспечить исключительную чистоту продукции), цены на них остаются очень высокими. Поэтому в ближайших планах ученых стоит разработка упрощенного процесса синтезирования. Всего же, по их оценкам, до выхода на рынок нового типа смазочных материалов осталось от трех до пяти лет.

Методические рекомендации

В своей книге “Физика жидких кристаллов” французский физик- теоретик П. де Жен красноречиво написал: “Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю. Я надеюсь, что некоторые из читателей…испытают к ним то же влечение, помогут разгадать загадки и поставят новые вопросы”. Замечательные слова!

В настоящее время, к сожалению, в курсе физике общеобразовательных школ не рассматривается тема удивительного состояния вещества - жидкий кристалл. Интересующиеся школьники так же не могут найти полезной и понятной информации по данной теме ни в современных книгах, ни в сети интернет. По этому, нами был разработан данный элективный курс. При проведении данного курса следует обратить особое внимание на то, что в нем нет лабораторных практикумов. Это объясняется тем, что само получение ЖК достаточно трудоемкий процесс, а так же требует финансовых затрат. Следует сделать уклон на создание групповых проектов по свойствам и эффектам жидких кристаллов. Этим можно активизировать познавательную деятельность учащихся, а так же воспитывать чувства коллективизма. Так же, не мало, важным является просмотр фильма и его обсуждение. Необходимо указать на особенность и уникальность этих веществ и возможности дальнейшего изучения этой темы в их студенческой жизни.

В данном курсе все поставленные цели достигнуты.

Список литературы

1. Адамчик А., Стругальский З. Жидкие кристаллы. М.: Сов. радио, 1979. 160

2. . Блинов Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978. 384 с

3. де Жен П. Физика жидких кристаллов, Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 400 с.

4. Жаркова Г. М., Сонин А. С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО “Наука”, 1994. 214 с.

5. Каманина Н.В. Жидкие кристаллы — перспективные материалы оптоэлектроники. Свойства и области применения: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2004. 84 с.

6. Каманина Н. В. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов – перспективные материалы наноэлектроники. Свойства и области применения. Учебное пособие. - СПб: СПбГУИТМО, 2008 – 137с.

7. Сонин А. С. Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука, 1983. 320 с.

8. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. – 280 с.

9. Пикин С. А. Стационарное течение нематической жидкости во внешнем электрическом поле // ЖЭТФ. 1971. Т. 60, № 3. С. 1185 – 1190.

10. Пространственные модуляторы света / А. А. Васильев, Д. Касасент, И. Н. Компанец, А. В. Парфенов. М.: Радио и связь, 1987. 320 с.

11. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 344

12. Чистяков И.Г. Жидкие кристаллы. – М.: Наука, 1966. – 272 с.

Страницы: 1, 2, 3