CC BY
43
/ввы 2079-0031 Вестник НТУ "ХПИ", 2015, № 32 (1141) УДК 621.38 : 537.533.3 : 532.783
В.1. КОЦУН, канд. техн. наук, зав. каф., Приватний вищий
навчальний заклад "£вропейський ушверситет", Львiв
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ СВ1ТЛА
В ПЛАНАРНИХ Р1ДКОКРИСТАЛ1ЧНИХ СТРУКТУРАХ
Проведено комп'ютерне моделювання процесу поширення оптичного випром1нювання в планарних рщкокрист&тчних структурах в залежносп вщ кута введения 1з використанням програмного продукту Zemax. Встановлено законом1рност1 м1ж кутом введення свгтлового випром1нювання в планарну структуру та однорщшстю розпод1лу свгтлового випром1нювання, яке потрапляе в рщкий кристал. 1л.: 6. Б1блюгр.: 12 назв.
Ключов1 слова: планарш рщкокристатчш структури, рщкий кристал, програмний продукт Zemax, розподш св1тлового випромшювання.
Постановка проблеми та анал1з лггератури. Одним iз перспективних напрямшв застосування рiдкокристалiчиих (РК) матерiалiв е створення на 1х осиовi планарних свггловодних структур. Це базуеться на 1хнш висок1й чутливостi до зовиiшиього електричного поля, яке дозволяе в широких межах змшювати показник заломлення РК шару. Iснуючi приклади реалiзацil таких планарних структур [1 - 3], з одного боку, показують перспектившсть застосування рiдкокристалiчних матерiалiв, а з шшого, висвiтлюють основну проблему таких пристро1в. Трудиощi реалiзацil РК-планарних структур полягають в иеобхiдиостi узгодження оптично! густини шару РК з шшими елементами планарно! свггловодно! структури, такими як керуючi електроди, шар оболонки тощо. В деяких випадках, зокрема тд час застосування кремнiевих шдкладок, створення планарного РК-свiтловода неможливе, внаслщок високого значення показника заломлення базового матерiалу мiкроелектронiки кремнiю. Саме на основi цього матерiалу на сьогодш реалiзоваио бiльшiсть багатоелектродних структур, таких як TFT-матрицi РК-диспле!в. Вирiшити цю проблему можна шляхом створення повноцшно! планарно! свггловодно! структури, яка б включала в себе серцевину та оболонку, безпосередньо в шарi РК-матерiалу. Такий щдхвд виключае необхiднiсть узгодження оптичних властивостей РК та оточуючих його шарiв, та дозволяе застосувати уже iснуючi багато електроднi системи для створення принципово нових пристро!в обробки оптичного сигналу [4 - 9].
Проведення експериментальних дослiджень процесу
© В.1. Коцун, 2015
розповсюдження свила в РК структурах з електрично-керованим розподшом показника заломлення ускладнюеться дешлькома методологiчними аспектами. Так на ввдтворювашсть експериментальних дослвджень мае суттевий вплив споаб введения випромшювання в шар РК та труднощi стабiлiзацiï структури на меж1 роздiлу рiдкий кристал -повпря. Тому, перед початком експериментальних дослщжень нами було проведено комп'ютерне моделювання процесу розповсюдження свила в таких структурах.
Мета роботи - на основi комп'ютерного моделювання процесу поширення оптичного випромiнювання в планарних структурах встановити параметри, як1 визначають характеристики оптичного елемента.
Моделювання. Комп'ютерне моделювання процесу розповсюдження свила в шарах РК з нелшшним характером розподшу показника заломлення проводилось за допомогою спецiалiзованого програмного продукту Zemax [9].
Zemax - це програмне забезпечення, яке широко використовуеться для оптичного моделювання. Програма створена Zemax Development Corporation of Bellevue, Washington (перед тим Focus Software). Вона використовуеться для моделювання i аналiзу оптичних елементiв, трасування непрямих променiв випадкового свiтла, поширення випромiнювання в рамках фiзичноï оптики.
Однак стандартний набiр оптичних середовищ цього програмного продукту не передбачае матерiалiв з змшним показником заломлення. Для того щоб задати розподiл показника заломлення в редкому кристалi, було створено динамiчнi бiблiотеки (Dynamic Link Library), в яких описуеться функцп розподiлу для змодельованих нижче випадкiв.
Вих1дним параметром для проведення моделювання був розподш напрямку директора (довгоï осi молекул) в шарi РК, зображений на рис. 1, отриманий при комп'ютернш симуляцiï, що описана в робоп [10]. Комп'ютернi симуляцiï молекулярних моделей виконаш за допомогою програми GBMOLDD [11].
Моделювання проводилось для таких параметрiв системи: значення показника заломлення скла - 1,5; РК - 1,65; товщина шару РК - 20 мкм, що дорiвнюе модельному значенню 300 ввдносних одиниць (в.о.). Щд час моделювання використовувалось монохроматичне джерело випромiнювання з довжиною хвилi 0,63 мкм [12].
В ходi моделювання нами не враховувались розсшвальш властивостi РК матерiалiв, що ввдповвдае гомеотропному стану шару
немато-холестерично1 сумш1, а проводився лише просторовии розрахунок ходу променя планарною структурою.
Рис. 1. Розподш директора в шарi нематичного рiдкого кристала, отриманий за результатами комп'ютерного моделювання при Т = 500 К, стащонарний стан при прикладенш зовнiшнього електричного потенцiалу
В результатi моделювання розглянута змiна характеру поширення свiтлового випромшювання джерела свiтла дiаметром 0,1 мм i потужнiстю 1 Вт планарною структурою вщ кута введения.
Розподш шгенсивносп запропонованого джерела показано на рис. 2.
Рис. 2. Хвд промешв (а) та iндикатриса випромшювання (б) джерела свила
Як видно з рис. 2 використовуване джерело випромшювання мае гауссовий розподшом штенсивносл без жодних спотворень.
На рис. 3, а - 6, а показано хвд промешв такого джерела планарною структурою та розподш штенсивносп свила, що потрапляе у зразок (рис. 3, б - 6, б).
Моделювання проводилось для купв введення свiтлового випромiнювання 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° iз встановленням дзеркала на протилежному торцi свиловодно! структури (рис. 3 - 6).
а)
б)
Рис. 3. Хвд промешв (а) планарною структурою та розподш штенсивносл (б) на И виход^ кут введення випромшювання 0°
а)
б)
Рис. 4. Хвд прометв (а) планарною структурою та розподш штенсивносл (б) на И виход^ кут введення випромшювання 10°
Як видно з рис. 3, б - 6, б ми отримали розподш штенсивносл випромшювання на виходi зразка, де чорний колiр вшповщае максимальнш штенсивносп випромiнювания, що потрапляе у зразок. Вщповщно перехш кольору з чорного до бшого означае зменшення iнтенсивностi випромiнювания, зпдно шкали яскравостi.
а)
б)
Рис. 5. Хвд промешв (а) планарною структурою та розподш штенсивност (б) на 11 виход^ кут введення випромiнювання 20°
а)
б)
Рис. 6. Хвд промешв (а) планарною структурою та розподш штенсивност (б) на 11 виход^ кут введення випромшювання 30°
Необхщно було добитися рiвномiрного розподiлу iнтенсивностi свгглового потоку, який потрапляе у зразок, тому результата моделювання показують, що на рис. 3, б i 4, б отримано рiвномiрний розподшу iнтенсивностi свiтлового потоку, який буде потрапляти у рщкий кристал, що тдтверджуе доцiльнiсть використання менших купв введення.
Висновки. Встановлено закономiрностi мгж кутом введення свiтлового випромiнювання в планарну структуру та однорiднiстю розподшу свiтлового випромiнювання, яке потрапляе в рщкий кристал. Проведене моделювання показуе, що дощльшше використовувати якомога меншi кути введення (0°, 5°, 10°) випромшювання у планарну структуру, оскшьки це призводить до рiвномiрнiшого розпод^ iнтенсивностi свiтлового потоку, який буде потрапляти у рщкий кристал.
Список лтгератури: 1. Brzdakiewicz K.A. Nematic liquid crystal waveguide arrays / K.A. Brzdakiewicz, M.A. Karpierz, A. Fratalocchi // Opto-Electronics Review. - 2005. - Vol. 13.
- № 2. - P. 107-112. 2. Tyszkiewicz C. Differential interferometry in planar waveguide structures with ferronematic layer / C. Tyszkiewicz, T. Pustelny // Optika Applicata. - 2004. - N° 4. -Vol. 34. - P. 507-514. 3. Sukhorukov A.A. Spatial optical solitons in waveguide arrays /A.A. Sukhorukov, Y.S. Kivshar, H.S. Eisenberg, et al. // IEEE J. Quantum Electron. - 2003. -Vol. 39. - P. 31-50. 4. Kalita W. The multifunctional sensor with an analog indicator / W. Kalita, O. Gotra, O. Sushynskiy, V. Ivanytskij // The international conference on optoelectronic information technologies, Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2001. - Vol. 4425. - P. 465-471. 5. Gotra Z. Fibre-optic sensors on the base of liquid crystals / Z. Gotra, O. Gotra, Z. Mikityuk, R. Zayats // Stadnyc Lightguides and their applications, Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2000. - Vol. 4239.
- P. 76-81. 6. Mikityuk Z.I. Liquid crystal using in optical sensors / Z. Mikityuk, I. Lopatynskiy, O. Gotra, B. Dalanbalar // International conference on optoelectronic information technologies. Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2001. - Vol. 4425.
- P. 472-477. 7. Hotra Z. Sensor systems with optical channel of information transferring / Z. Hotra, Z. Mykytyuk, O. Sushynskyy, et al. // Przeglad elektrotechniczny. - 2010. - Vol. 86. -P. 21-23. 8. Hotra O. New electro-optical effect in nematic liquid crystal for integrated optics element / O. Hotra, I. Lopatynskyj, B. Yavorskyj // Optoelectronic and electronic sensors, Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2002. - Vol. 4425.
- P. 112-114. 9. Hotra Z. Simulation of influence of limiting surfaces optical characteristics on liquid crystal waveguide properties / Z. Hotra, W. Wojcik, Z. Mykytyuk, A. Fechan, O. Sushynskyy, V. Kotsun, O. Chaban // The International Conference CADSM 2013. - Polyana-Svalyava (Zakarpattya), Ukraine, 19-23 February 2013. - Р. 82. 10. Коцун B.I. Моделювання процесу формування градieнтноro св^ловоду в шарi нематичного рщкого кристала / B.I. Коцун // Вюник НТУ "Харювський полггехшчний шституг". Серiя: 1нформатика та моделювання.
- Харюв: НТУ "ХШ", 2014. - № 35 (1078). - 121-126 с. 11. Ilnytskyi J. A domain decomposition molecular dynamics program for the simulation of flexible molecules of spherically-symmetrical and nonspherical sites. II. Extension to NVT and NPT ensembles / J. Ilnytskyi, M. Wilson // Computer Physics Communications. - 2002. - Vol. 148. - P. 43-58. 12. Фечан А. Моделювання процесу розстовання св™а в планарних св^ловодах з рiдкокристалiчною серцевиною / А. Фечан, М. Шимчишин, В. Левенець // Техшчш вют!, Орган Украшського шженерного товариства у Львова - 2007. - 1 (25), 2 (26). - С. 130-132.
Bibliography (transliterated): 1. Brzdakiewicz K.A. Nematic liquid crystal waveguide arrays / K.A. Brzdakiewicz, M.A. Karpierz, A. Fratalocchi // Opto-Electronics Review. - 2005. - Vol. 13.
- № 2. - P. 107-112. 2. Tyszkiewicz C. Differential interferometry in planar waveguide structures with ferronematic layer / C. Tyszkiewicz, T. Pustelny // Optika Applicata. - 2004. - № 4. -Vol. 34. - P. 507-514. 3. Sukhorukov A.A. Spatial optical solitons in waveguide arrays / A.A. Sukhorukov, Y.S. Kivshar, H.S. Eisenberg, et al. // IEEE J. Quantum Electron. - 2003. -Vol. 39. - P. 31-50. 4. Kalita W. The multifunctional sensor with an analog indicator / W. Kalita, O. Gotra, O. Sushynskiy, V. Ivanytskij // The international conference on optoelectronic information technologies, Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2001. - Vol. 4425. - P. 465-471. 5. Gotra Z. Fibre-optic sensors on the base of liquid crystals / Z. Gotra, O. Gotra, Z. Mikityuk, R. Zayats // Stadnyc Lightguides and their applications, Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2000. - Vol. 4239.
- P. 76-81. 6. Mikityuk Z.I. Liquid crystal using in optical sensors / Z. Mikityuk, I. Lopatynskiy, O. Gotra, B. Dalanbalar // International conference on optoelectronic information technologies. Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2001. - Vol. 4425.
- P. 472-477. 7. Hotra Z. Sensor systems with optical channel of information transferring / Z. Hotra, Z. Mykytyuk, O. Sushynskyy, et al. // Przeglad elektrotechniczny. - 2010. - Vol. 86. -
P. 21-23. 8. Hotra O. New electro-optical effect in nematic liquid crystal for integrated optics element / O. Hotra, I. Lopatynskyj, B. Yavorskyj // Optoelectronic and electronic sensors, Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers (SPIE). - 2002. - Vol. 4425. - P. 112-114. 9. Hotra Z. Simulation of influence of limiting surfaces optical characteristics on liquid crystal waveguide properties / Z. Hotra, W. Wojcik, Z. Mykytyuk, A. Fechan, O. Sushynskyy, V. Kotsun, O. Chaban // The International Conference CADSM 2013. - Polyana-Svalyava (Zakarpattya), Ukraine, 19-23 February 2013. - Р. 82. 10. Kocun V.I. Modeljuvannja procesu formuvannja gradientnogo svitlovodu v shari nematichnogo ridkogo kristala / V.I. Kocun // Visnik NTU "Harkivs'kij politehnichnij institut". Serija: Informatika ta modeljuvannja. - Harkiv: NTU "HPI", 2014. - № 35 (1078). - 121-126 s. 11. Ilnytskyi J. A domain decomposition molecular dynamics program for the simulation of flexible molecules of spherically-symmetrical and nonspherical sites. II. Extension to NVT and NPT ensembles / J. Ilnytskyi, M. Wilson // Computer Physics Communications. - 2002. - Vol. 148. - P. 43-58. 12. Fechan A. Modeljuvannja procesu rozsijuvannja svitla v planarnih svitlovodah z ridkokristalichnoju sercevinoju / A. Fechan, M. Shimchishin, V. Levenec' // Tehnichni visti, Organ Ukrains'kogo inzhenernogo tovaristva u L'vovi. - 2007. - 1 (25), 2 (26). - S. 130-132.
Надшшла до редакцп 12.03.2015 Повторно 10.05.2015
Статтю представив д.т.н., проф. НУ "ЛП" Фечаном А.В.
Kotsun Volodymyr, PhD Tech. Lviv Affiliate of European University Str. Kushevycha, 5, Lviv, Ukraine, 79019 Tel.: (032) 297-50-72, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0002-9198-4601
