CC BY
8Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2023. Т. 23, № 1. С. 50-57 Liquid Crystals and their Application. 2023. Vol. 23, No. 1. P. 50-57 ISSN 1991-3966 (print), 2499-9644 (online), Journal homepage: http://nano.ivanovo.ac.ru/journal/ru/
Физика
Научная статья УДК 532.783:535.421
ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ РЕШЕТОК, ЗАПИСАННЫХ В ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ
Галина Михайловна Жаркова1*, Сергей Анатольевич Стрельцов2
1 Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН,
Новосибирск, Россия 2Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия
А Н Н О Т А Ц И Я
Представлены результаты исследования фильтрационных свойств поляризационных голографических решеток, сформированных в жидкокристаллических композитах. Решетки синтезированы в результате суперпозиции когерентных волн со взаимно ортогональными поляризациями, как линейными, так и циркулярными. Выполнен анализ состояния поляризации излучения, дифрагировавшего и недифра-гировавшего на поляризационных решетках, при падении на них пробных пучков с различной поляризацией. Продемонстрирована возможность полного подавления дифрагировавшего или недифрагировавшего излучения при падении линейно поляризованного пробного пучка на решетке, записанной линейно поляризованными пучками. Предложен пример устройства фильтрации излучения с использованием этих голографических решеток.
И Н Ф О Р М А Ц И Я
История статьи:
Поступила 25.10.2022 Одобрена 22.12.2022 Принята 27.12.2022
Ключевые слова: жидкие кристаллы, полимерно-дисперсные жидкие кристаллы, поляризационные голографические решетки
DOI: Для цитирования:
10.18083/LCAppl.2023.1.50 Жаркова Г. М., Стрельцов С. А. Фильтрационные свойства поляризационных го-
лографических решеток, записанных в жидкокристаллических композитах // Жидк. крист. и ихпрактич. использ. 2023. Т. 23, № 1. С. 50-57.
: Адрес для переписки: zharkova@itam.nsc.ru © Жаркова Г. М., Стрельцов С. А., 2023
Original Article
Physics
FILTRATION PROPERTIES OF POLARIZATION HOLOGRAPHIC GRATINGS RECORDED IN LIQUID CRYSTAL COMPOSITES
Galina M. Zharkova1, Sergey A. Streltsov2
'Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Novosibirsk, Russia 2Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
A R TIC L E IN FO:
A B S T R A CT
Article history: Received 25 October 2022 Approved 22 December 2022 Accepted 27 December 2022
Key words: liquid crystals, polymer-dispersed liquid crystals, polarization holographic gratings
The filtration properties of polarization holographic gratings formed in liquid crystal composites have been studied. The gratings were synthesized as a result of superposition of coherent waves with mutually orthogonal polarizations, both linear and circular. The analysis of the polarization state of diffracted and non-diffracted radiation at polarization gratings was made, when the probe beams of different polarizations were incident on gratings. The possibility of complete suppression of diffracted or non-diffracted radiation was demonstrated, when a linearly polarized probe beam was incident on a grating. The grating was recorded by linearly polarized beams. An example of radiation filtering device using these holographic gratings is proposed.
DOI:
10.18083/LCAppl.2023.1.50
For citation:
Zharkova G. M., Streltsov S. A. Filtration properties of polarization holographic gratings recorded in liquid crystal composites. Liq. Cryst. and their Appl., 2023, 23 (1), 5057 (in Russ.).
Corresponding author: zharkova@itam.nsc.ru © Zharkova G. M., Streltsov S. A., 2023
Введение
Высокоструктурированные жидкокристаллические композиты (ЖК-композиты) - новый класс оптически активных сред для устройств отображения информации, управления свойствами и направлением распространения излучения в устройствах фотоники [1]. В последнее время заметное внимание уделяется исследованию и перспективам практического использования поляризационных голографических решеток, сформированных в ЖК-композитах [2-8]. Такие решетки благодаря уникальным оптическим свойствам перспективны для создания модуляторов излучения, затворов, фильтров, оптических переключателей, разветвителей поляризованного излучения для устройств фотоники [9-11]. Они привлекательны тем, что сравнительно недороги, компактны, позволяют использовать относительно простую, одно-этапную технологию оптической записи, долговременно хранить поляризационное состояние, что обеспечивает высокую поляризационную селективность записанных поляризационных решеток. Кроме того, ими можно управлять электрическим полем.
Поляризационные голографические решетки записывают в ЖК-композитах при суперпозиции в плоскости образца двух плоских когерентных волн со взаимно ортогональными поляризациями. Это приводит к возникновению после фотополимеризации пространственной структуры с повторяющейся ориентацией молекул нематического жидкого кристалла (НЖК) в полимерных капсулах [12-13].
Сформированная таким образом структура молекул НЖК обеспечивает зависимость состояния поляризации дифрагировавшего на поляризационной голографической решетке излучения от состояния поляризации падающего, а также различие в поляризационных состояниях дифрагировавшего и недифрагировавшего излучения, что позволяет осуществлять фильтрацию оптического излучения и управлять его поляризацией.
Целью работы явилось экспериментальное исследование фильтрационных свойств поляризационных голографических решеток, записанных в
ЖК-композитах, и демонстрация возможности управлять поляризацией оптического излучения.
Материалы и методика эксперимента
Для формирования поляризационных голо-графических решеток использовалась предполи-мерная композиция, представляющая собой смесь акрилатного мономера, НЖК, связующего компонента и фотоинициирующей системы, включающей краситель с максимальной чувствительностью в видимой области спектра и соинициатор. В качестве мономера использовался дипентаэритритол-пента/гексаакрилат DPPHA (пр = 1,49), в качестве НЖК - смесь Е7 {па = 1,521, пе = 1,746, Дп = 0,225), кроме того, исходная композиция включала ^винилпирролидон как связующий компонент и растворитель для красителя и соинициатора. Красителем служил метиленовый голубой, обеспечивая максимальную светочувствительность в нужном диапазоне длин волн. Концентрация НЖК составляла 37 мас. %, концентрация красителя -0,3 мас.%. Исходная композиция обрабатывались ультразвуком до получения гомогенного раствора. Затем полученная смесь капиллярным способом вносилась между двух стекол с токопроводящими покрытиями из окиси индия 1П2О3 и окиси олова SnO2 и экспонировалась светом с длиной волны, соответствующей длине волны поглощения красителя, содержащегося в композиции. Толщина образцов составляла 20 мкм. Источником излучения при записи решеток служил полупроводниковый лазер с длиной волны X = 658 нм, мощностью 80 мВт.
Поляризационные решетки записывались в результате суперпозиции двух плоских линейно поляризованных волн равной интенсивности с ортогональными линейными поляризациями, а также двух лево- и право-циркулярно поляризованных волн. Период решеток определялся как
Л= (0 - угол схождения интерферирую-
2зт(#/ 2)
щих волн) и составлял Л ~ 30 мкм. Схема установки для записи решеток представлена на рис. 1.
in
5
a
11
/0
3 Щ-Ш w
10 ^
v
^ e
у
2 S
]
M
Рис. 1. Схема установки для записи поляризационных голографических решеток: 1 - полупроводниковый лазер (X = 658 нм); 2 - призма Волластона; 3, 6 - пластинки X/2; 4, 5, 7 - зеркала; 8 - образец; 9 - предметный столик; 10, 11 - пластинки X/4
Fig. 1. Scheme of installation for recording polarization holographic gratings: 1 - semiconductor laser (X = 658 nm); 2 - Wollaston prism; 3, 6 - plates X/2; 4, 5, 7 - mirrors; 8 - sample; 9 - object table; 10, 11 - plates X/4
В результате суперпозиции двух ортогонально поляризованных волн равной интенсивности возникала модуляция поляризационного состояния формируемого светового поля. В предпо-лимерной композиции проходил процесс полимеризации мономера с фазовым разделением НЖК-
полимер. Формировалась поляризационная голо-графическая решетка с периодической ориентацией молекул НЖК в капсулах, что влекло за собой модуляцию показателя преломления для линейной или циркулярной поляризации падающего пробного пучка (рис. 2).
Рис. 2. Геометрия записи поляризационных голографических решеток (a, c) и соответствующая пространственная модуляция поляризации по оси х (b, d). Фотография поляризационной голографической решетки, получена методом поляризационной микроскопии, поляризаторы скрещены
Fig. 2. The recording geometry of polarization holographic gratings (a, c) and the corresponding spatial modulation of polarization along the x axis (b, d). Photograph of a polarization holographic grating, obtained by polarizing
microscopy, polarizers are crossed
Экспериментальные исследования
Особая структура НЖК, возникающая при записи поляризационных голографических решеток, приводит к зависимости дифракционной эффективности таких решеток от поляризации падающего излучения, а также к различию в состояниях поляризации дифрагировавшего и недифра-гировавшего излучения. Анализ поля дифрагировавшей волны Е [14-15] показывает, что при падении линейно поляризованного пробного пучка на решетку, сформированную лево- и право-цир-кулярно поляризованными волнами, волны, дифрагировавшие в -1 и +1 порядок, имеют равную интенсивность
I+1 = I_1 = I0 (sin2 Л<р)/ 2 = I0(sinV • d -An / Я))/2 и ортогональную циркулярную поляризацию. При падении на такую решетку циркулярно поляризованного пробного пучка наблюдается только одна дифрагировавшая волна, -1 порядка для лево-циркулярно поляризованного пробного пучка и +1 порядка для право-циркулярно поляризованного пучка с дифракционной эффективностью Г±1 = I±1/10 =(sin2 Л<р)= (sin2(^-d-An/Я)). Поляри-
зация дифрагировавшей волны в этом случае ортогональна поляризации падающего на решетку пробного пучка. Для решеток, сформированных в результате суперпозиции волн с взаимно ортогональными линейными поляризациями, при падении пробного пучка всегда существуют волны, дифрагировавшие в -1 и +1 порядок. Они имеют равную интенсивность и одинаковую поляризацию, ортогональную поляризацию пробного пучка.
Не дифрагировавшая на поляризационных решетках волна всегда имела ту же поляризацию, что и падающий на решетку пробный пучок. Такие особенности голографических поляризационных решеток открывают возможности для управления дифрагировавшим на них излучением.
На рисунке 3 представлены фотографии дифракционных картин, полученных при дифракции линейно (5-поляризация) и циркулярно поляризованных пробных пучков на решетке, записанной линейно поляризованными пучками (5- и р-поляризации). Используя поляризатор и анализатор, можно погасить недифрагировавшую волну или волны, дифрагировавшие в ± 1 порядок.
abed
Рис. 3. Фотографии дифракционных картин: а - без анализатора, b - поляризатор и анализатор скрещены, c - поляризатор и анализатор параллельны, d - циркулярно поляризованный пробный пучок
Fig. 3. Photos of diffraction patterns: a - without analyzer, b - polarizer and analyzer are crossed, c - polarizer and analyzer are parallel, d - circularly polarized probe beam
На рисунке 4 представлены фотографии дифракционных картин, полученных при дифракции линейно и циркулярно поляризованных пробных пучков на решетке, записанной лево- и право-
циркулярно поляризованными волнами. Изменяя состояние поляризации пробного пучка, можно управлять дифрагировавшим излучением.
Рис. 4. Фотографии дифракционных картин на решетке, записанной лево- и право-циркулярно
поляризованными волнами
Fig. 4. Photographs of diffraction patterns on a grating recorded by left- and right-circularly polarized waves
Зависимость селективных свойств высокоструктурированных поляризационных гологра-фических решеток с особой структурой НЖК от состояния поляризации падающего излучения позволяет осуществлять фильтрацию излучения,
управлять направлением его распространения и состоянием поляризации. На рисунке 5 представлена схема предлагаемого устройства фильтрации излучения - адаптивного поляризационного фильтра.
Рис. 5. Адаптивный поляризационный фильтр: 1 - стеклянные подложки, 2 - прозрачные электроды, 3 - поляризационная голографическая дифракционная решетка, 4 - вращатель плоскости поляризации, 5 - поляризатор, 6 - регистратор интенсивности проходящего света, 7 - источник постоянного и переменного
напряжения, 8 - система управления с ЭВМ
Fig. 5. Adaptive polarization filter: 1 - glass substrates, 2 - transparent electrodes, 3 - polarization holographic diffraction grating, 4 - rotator of polarization plane, 5 - polarizer, 6 - transmitted light intensity recorder, 7 - source of direct and alternating voltage, 8 - computer control system
Адаптивный поляризационный фильтр собирается согласно схеме оптического соединения, представленного на рис. 5. В основе всех элементов, содержащих жидкие кристаллы, включенных в оптическое соединение, лежит единый конструктивный принцип - все элементы, содержащие жидкие кристаллы, располагаются между двумя параллельными друг к другу стеклянными пласти-
нами 1 с нанесенными на них прозрачными электродами 2. Поляризационная голографическая решетка 3 регистрировалась предварительно в области суперпозиции двух когерентных волн равной интенсивности со взаимно ортогональными поляризациями (X = 658 нм). Угол схождения интерферирующих волн составлял 1-20.
Вращатель плоскости поляризации 4 состоит из двух подложек с электродами для подключения управляющего электрического поля и жидких кристаллов между ними. Молекулы кристалла от одной подложки до другой повернуты на 90°, если между пластинами отсутствует напряжение. Когда подается управляющее электрическое поле, то молекулы строго ориентируются вдоль поля. Промежуточное значение потенциала позволяет вращать плоскость поляризации при прохождении света через устройство.
Устройство работает следующим образом. Линейно поляризованный свет, попадающий на вход адаптивного поляризационного светофильтра, проходит через первые элементы 1-3 оптического соединения - дифракционную решетку, записанную, например, в результате суперпозиции волн с взаимно ортогональными линейными поляризациями, далее - через нейтральный вращатель 4 к поляризатору 5. Управляя вращателем 4, можно практически полностью подавить недифрагиро-вавшую волну или волны, дифрагировавшие в ±1 порядок, исключив рассеяние поляризационных составляющих проходящего света за счет их одинакового подавления. При падении циркулярно поляризованного света на вход фильтра для его фильтрации необходимо в состав фильтра ввести четвертьволновые пластинки. Фильтр может работать в статическом режиме при ручном управлении и динамическом в автоматическом режиме.
Заключение
Таким образом, в результате одноэтапного процесса записи, с использованием метода поляризационной голографии в ЖК-композитах сформированы высокоструктурированные поляризационные голографические решетки. Особая структура НЖК, возникающая при записи поляризационных голографических решеток, приводит к зависимости их дифракционных свойств от поляризации падающего излучения, а также к различию в состояниях поляризации дифрагировавшего и неди-фрагировавшего излучения. Такие особенности голографических поляризационных решеток открывают возможности для управления их оптическими свойствами.
Экспериментально исследованы состояния поляризации дифрагировавшего и недифрагиро-вавшего на поляризационных решетках излучения
при падении на них пробных пучков с различной поляризацией. Продемонстрирована возможность полного подавления дифрагировавшего и недиф-рагировавшего излучения при падении линейно поляризованного пробного пучка на решетке, записанной линейно поляризованными пучками (5- и /»-поляризации). Предложена схема устройства фильтрации излучения - адаптивного поляризационного фильтра.
Благодарность: работа выполнена по теме государственного задания (№ гос. рег. 121030500158-0).
Acknowledgments: the work was carried out on the topic of the state task (state registration number 121030500158-0).
Список источников / References
1. Жаркова Г. М., Подъячева О. Ю., Стрельцов С. А. Оптические методы формирования высокоструктурированных полимерно-жидкокристаллических композитов // Жидк. крист. и их практич. использ. 2015. Т. 15, № 3. С. 91-102. [Zharkova G.M., Podyacheva O.Yu., Streltsov S.A. Optical methods of forming highly structured polymer-liquid crystal composites. Liq. Cryst. and their Appl., 2015, 15 (3), 91102. (in Russ.). DOI: 10.18083/LCAppl.2015.3.91].
2. Crawford G.P., Eakin J.N., Radcliffe M.D., Callan-Jones A., Pelcovits R.A. Liquid-crystal diffraction gratings using polarization holography alignment techniques. Appl. Phys, 2005, 98, 123102.
3. Zhan T., Lee Y.H., Tan G., Xiong J., Yin K., Gou F., Zou J., Zhang N., Zhao D., Yang J., Liu S., Wu S.-T. Pancharatnam-Berry optical elements for head-up and near-eye displays. Opt. Soc. Am. B, 2019, 36, D52-D65.
4. He Z., Gou F., Chen R., Yin K. Zhan T., Wu S.T. Liquid crystal beam steering devices: principles, recent advances and future developments. Crystals, 2019, 9, 292.
5. Sakhn O., Gritsai Y., Sahm H., Stumpe J. Fabrication and performance of efficient thin circular polarization gratings with Bragg properties using bulk photo-alignment of a liquid crystalline polymer. Appl. Phys. B, 2018, 124, 52.
6. Xiong J., Wu S.T. Rigorous coupled-wave analysis of liquid crystal polarization gratings. Opt. Express, 2020, 28, 35960-35971.
7. Xiang X., Kim J., Komanduri R., Escuti M.J. Na-noscale liquid crystal polymer Bragg polarization gratings. Opt. Express, 2017, 25, 19298-19308.
8. Weng Y., Xu D., Zhang Y., Li X., Wu S.T. Polarization volume grating with high efficiency and large diffraction angle. Opt. Express, 2016, 24, 17746-17759.
9. Matharu A.S., Jeeva S., Ramanujam P.S. Liquid crystals for holographic optical data storage. Chem. Soc. Rev., 2007, 36, 1868-1880.
10. Ono H., Takahashi F., Emoto A. Polarization holograms in azo dye-doped polymer dissolved liquid crystal composites. Appl. Phys, 2005, 97, 053508.
DOI: 10.1063/1.1858063.
11. Lin Tiegang, Xie Jin, Zhou Yingjie, Zhou Yagin, Yuan Yide, Fan Fan, Wen Shuangchun. Recent advances in photoalignment liquid crystal polarization gratings and their applications. Crystals, 2021, 11 (8), 900 (22 p.) DOI: 10.3390/cryst11080900.
12. Mazzulla A., Pagliusi P., Provenzano C., Russo G., Carbone G., Cipparrone G. Liquid-crystal diffraction gratings using polarization holography alignment techniques. Appl. Phys. Lett., 2004, 85, 2505-2508.
13. Fuh A., Lee C.-R., Cheng C.-T. Polarizer-free, electrically switchable and optically rewritable displays based on dye-doped polymer-dispersed liquid crystals. Jpn. J. Appl. Phys., 2003, 42, 4406-4410.
14. Nikolova L., Todorov T. Diffraction efficiency and selectivity of polarization holographic recording. Optica Acta, 1984, 31, 579-588.
15. Nikolova L., Stoyanova K., Todorov T. Polarization wavefront conjugation by means of transient holograms in rigid dye solutions. Opt. Commun., 1987, 64, 74-80.
Вклад авторов :
Авторы сделали эквивалентный вклад в эту статью.
Contribution of the authors:
The authors contributed equally to this article.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interests.
Жаркова Г. М. - orcid: 0000-0002-0173-2962 Стрельцов С. А. - orcid: 0000-0003-3563-927X
Поступила 25.10.2022, одобрена 22.12.2022, принята 27.12.2022 Received 25.10.2022, approved 22.12.2022, accepted 27.12.2022
