CC BY
15
УДК [535:530.182]:532.783
СВЕТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ОРИЕНТАЦИОННЫЙ ПЕРЕХОД В НЕМАТИЧЕСКОМ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ПОЛИМЕРЕ
И. А. Будаговский1, А. С. Золотько1, В.Н. Очкин1, С. А. Швецов1'2, А. Ю. Бобровский3, Н.И. Бойко3, В. П. Шибаев3
Впервые наблюдалась оптическая ориентация в прозрачном нематическом жидкокристаллическом полимере (НЖКП). В НЖКП с примесью красителя обнаружен светоиндуцирюванный ориентационный переход второго рода, являющийся аналогом перехода Фредерик-са в низкочастотных полях. Порог перехода составляет ~10 мкВт, что на четыре порядка меньше порога свето-индуцированного перехода Фредерикса в низкомолекулярных нематиках и на два порядка меньше характерного значения для низкомолекулярных нематиков с примесью красителей.
Ключевые слова: жидкокристаллический полимер, оптическая ориентация, оптическая нелинейность, азобензольный краситель.
Введение. В нематических жидких кристаллах (НЖК) под действием низкочастотного электрического или магнитного поля происходит поворот директора (единичного вектора, характеризующего преимущественную ориентацию молекул) [1]. Причиной поворота является возникновение вращающего момента, пропорционального анизотропии диэлектрической или магнитной проницаемости. В случае, когда переориентация происходит под действием внешнего поля, параллельного или перпендикулярного директору, она является пороговой; этот случай называется переходом Фредерикса. Переход Фредерикса можно рассматривать как ориентационный фазовый переход второго рода,
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: zolotko@lebedev.ru.
2 Московский физико-технический институт (МФТИ), 141700 Россия, Московская область, Долгопрудный, Институтский пер., 9; e-mail: shvetsov@lebedev.ru.
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет, 119991, Москва, Ленинские горы, 1.
при этом параметром порядка является угол поворота директора, а основной переменной (аналогом температуры) - величина внешнего поля [2]. Переориентация директора НЖК и пороговый переход наблюдаются также под действием светового поля [3, 4]. Механизмом оптической ориентации в прозрачных НЖК является ориентирующее воздействие света на индуцированные диполи. В НЖК с примесью красителей проявляется новый механизм оптической ориентации, связанный с изменением межмолекулярных сил при возбуждении молекул красителей [5-7]. При этом наибольшая эффективность оптической ориентации, характеризуемая отношением фактора усиления вращающего момента по сравнению со случаем прозрачного НЖК к поглощению кристалла, реализована для полимерной поглощающей добавки [8].
Для нематической фазы жидкокристаллических полимеров эффекты переориентации директора, включая пороговый переход, наблюдались только для магнитных и низкочастотных электрических полей [9, 10]. В то же время, аналогичные ориентационные эффекты под действием света представляют несомненный интерес. Во-первых, вращательное движение хромофоров в такой среде замедлено по сравнению с низкомолекулярными НЖК, что может приводить к возрастанию нелинейно-оптического отклика. Во-вторых, возможно проявление особенностей динамики переориентации, связанной со сложным характером поворота макромолекул.
Оптическая переориентация директора в НЖКП с добавкой красителя была впервые зарегистрирована в [11]. В настоящей работе сообщается о первом наблюдении оптической ориентации в прозрачном НЖКП и светоиндуцированного ориентационного фазового перехода в НЖКП, легированного красителем.
Экспериментальные образцы и методика эксперимента. Исследования проводились с планарно ориентированным образцом полимера - полиакрилата РАА
и с планарно ориентированным образцом РАА, допированным диазобензольным красителем КБ-1 (0.05% по массе)
(РАА)
о2ы
(КБ-1)
Методика приготовления планарно ориентированных образцов описана в [11]. Толщина образцов составляла L = 50 мкм. Полимер РАА образует нематическую фазу с температурой изотропизации 123 °C; температура стеклования составляет 26 °C. Степень полимеризации полимера 82, полидисперсность ~1.2. При комнатной температуре длина волны максимума спектра поглощения для образца PAA + 0.05% КД-1, измеренного с помощью спектрометра MC-122, равнялась Л = 512 нм. Коэффициенты поглощения необыкновенной и обыкновенной волн на длине волны Л = 473 нм составляют ne = 173 см-1 и no = 29 см-1.
Оптическая схема эксперимента была аналогична использованной в [11]. Световой пучок от твердотельного лазера с длиной волны Л = 473 нм или Л = 532 нм фокусировался линзой на НЖКП. Радиус перетяжки для Л = 473 нм составлял w0 = 25 мкм. Экспериментальные образцы размещались таким образом, чтобы невозмущенный директор и направление поляризации света лежали в горизонтальной плоскости. Образец мог поворачиваться вокруг вертикальной оси; при этом изменялся угол а падения света на кристалл. В указанной геометрии в кристалле возбуждалась необыкновенная световая волна. Световой пучок, прошедший через НЖКП, наблюдался на экране, расположенном на расстоянии ~1 м за образцом. Мощность светового пучка измерялась с помощью прибора Sanwa Electric LP1.
Исследования оптической ориентации проводились с помощью эффекта самовоздействия - самофокусировки или самодефокусировки светового пучка, вызванных изменением показателя преломления необыкновенной волны вследствие светоиндуцированно-го поворота директора. При большом нелинейном набеге фазы AS = 2п|Дп^/Л (An - светоиндуцированное изменение показателя преломления) самовоздействие светового пучка приводит к образованию аберрационных колец [12], по числу которых N = AS/2n можно определить модуль светоиндуцированного показателя преломления
. . . NЛ cos в
|An| = —LT^,
где в - угол преломления света в НЖКП, связанный законом Снеллиуса с углом падения а. Направление поворота директора можно определить по характеру трансформации аберрационной картины при сдвиге кристалла перпендикулярно световому пучку [13].
Взаимодействие света с прозрачным нематическим жидкокристаллическим полимером. Полимер РАА освещался наклонно падающим (а = 40°) световым пучком с Л = 532 нм мощностью P = 60 мВт. За время ~25 мин на экране устанавливалась
картина из двух аберрационных колец (рис. 1(а)); при этом направление поляризации света (горизонтальное) сохранялось. При небольшом смещении ячейки вверх относительно светового пучка нижняя часть аберрационной картины исчезала, а верхняя дополнительно подсвечивалась (рис. 1(б)). Такой тип трансформации интенсивности аберрационной картины соответствует самофокусировке светового пучка, т.е. светоин-дуцированному увеличению показателя преломления необыкновенной волны и, соответственно, повороту директора параллельно световому полю. Величина светоиндуци-рованного показателя преломления состаляла Ап ~ 0.02. По порядку величины это значение соответствует светоиндуцированному изменению показателя преломления в низкомолекулярных кристаллах.
Характерное время релаксации, определенное с помощью зондирующего пучка, ~20 мин. Это время на 2 порядка больше, чем характерная величина для низкомолекулярных нематических жидких кристаллов.
(а) (б)
Рис. 1: Фотографии аберрационных колец самофокусировки при освещении планарно ориентированного образца ГЛЛ толщиной 50 мкм наклонно (а = 40°) падающим световым пучком (Р = 60 мВт, Л = 532 нм): (а) стационарная картина и (б) нестационарная картина после смещения кристалла вверх. Угловой размер фотографий ~0.05 рад.
Взаимодействие света с нематическим жидкокристаллическим полимером, допи-рованным красителем. Как при нормальном, так и при наклонном падении светового пучка на планарно ориентированный образец НЖКП + 0.05% КД-1 наблюдалась самодефокусировка, т.е. директор НЖКП поворачивался перпендикулярно световому полю и, соответственно, показатель преломления необыкновенной волны уменьшался. Зависимости модуля стационарного изменения показателя преломления, рассчитанного по
числу аберрационных колец с помощью (1), от мощности светового пучка представлены на рис. 2.
Рис. 2: Зависимость стационарного значения модуля светоиндуцированного показателя преломления |Дп| от мощности Р при (1) нормальном и (2) наклонном падении светового пучка (а = 40°, Л = 473 нм) на нематический полимер РЛЛ+0.05% КД-1, температура образца Т = 110 °С.
При нормальном падении света на НЖКП с добавкой красителя зависимость светоиндуцированного показателя от мощности соответствует пороговой переориентации директора (рис. 2, кривая 1). Величина пороговой мощности - Р^ = 12 мкВт (плотность мощности на оси пучка I = равна 0.3 Вт/см2). При мощности Р ~ 3Р^ про-
исходит насыщение светоиндуцированного показателя преломления, соответствующее максимальному повороту директора на 90°. При наклонном падении переориентация является беспороговой.
Таким образом, полученные нами экспериментальные результаты свидетельствуют о проявлении в НЖКП светоиндуцированного порогового ориентационного перехода, аналогичного эффектам, свойственным низкомолекулярным нематикам.
Характерное время пороговой переориентации при Р ~ Р^ составляет ~1 час, при десятикратном превышении пороговой мощности эта величина ~10 мин. Характерное время релаксации состаляет 12 мин.
Измеренная пороговая мощность Р^ = 12 мкВт на четыре порядка меньше порога светоиндуцированного перехода Фредерикса в низкомолекулярных прозрачных нематиках [4] и на два порядка меньше характерного значения для низкомолекулярных нематиков с примесью азобензольного полимера [13]. Коэффициент нелинейности п2 = |Дп|/1 при пороговом переходе в НЖКП составляет ~0.1 см2/Вт (|Дп| = 0.1
при P = 3Pth). Эта величина на два порядка больше соответствующего значения для низкомолекулярных НЖК с примесью красителей. Столь существенное возрастание коэффициента нелинейности обусловлено увеличением времени вращательной диффузии азокрасителя.
зЗаключение. В настоящей работе впервые наблюдалась оптическая ориентация в прозрачном нематическом жидкокристаллическом полимере. В НЖКП с примесью красителя обнаружен светоиндуцированный ориентационный переход второго рода, являющийся аналогом перехода Фредерикса в низкочастотных полях.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 14-02-00791) и Учебно-научного комплекса ФИАН.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Л. М. Блинов, Электро- и магнитооптика жидких кристаллов (М., Наука, 1978).
[2] E. Guyon, Am. J. Phys. 43, 877 (1975).
[3] Б. Я. Зельдович, Н. Ф. Пилипецкий, А. В. Сухов, Н. В. Табирян, Письма в ЖЭТФ 31, 287 (1980).
[4] А. С. Золотько, В. Ф. Китаева, Н. Кроо и др., Письма в ЖЭТФ 32, 170 (1980).
[5] I. Janossy, L. Csillag and A. D. Lloyd, Phys. Rev. A 44, 8410 (1991).
[6] L. Marrucci and D. Paparo, Phys. Rev. E 56, 1765 (1997).
[7] А. С. Золотько, Письма в ЖЭТФ 68, 410 (1998).
[8] И. А. Будаговский, А. С. Золотько, В. Н. Очкин и др., ЖЭТФ 133, 204 (2008).
[9] С. В. Беляев, Т. И. Зверкова, Ю. П. Панарин и др., Высокомолекулярные соединения, серия Б 28, 789 (1986).
[10] Е. В. Барматов, Д. Б. Строганов, Р. В. Тальрозе и др., Высокомолекулярные соединения, серия А 35, 162 (1993).
[11] И. А. Будаговский, А. С. Золотько, М. П. Смаев и др., Краткие сообщения по
физике ФИАН 42(8), 3 (2015).
[12] А. С. Золотько, В. Ф, Китаева, Н. Н. Соболев, А. П. Сухоруков, ЖЭТФ 81, 933
(1981).
[13] A. S. Zolot'ko, I. A. Budagovsky, V. N. Ochkin, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst. 488, 265 (2008).
Поступила в редакцию 24 декабря 2015 г.
