CC BY
6
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин A.C., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Зякин В.Э., Мащенко В.И., Тарасова М.А ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор, e-mail: Sotrudnica UNC@,mail.ru
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент
Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент
Зякин Вячеслав Эдуардович, магистрант 1-го года обучения
Кафедра Информатики и Компьютерного Проектирования
Тарасова Мунира Акбаровна, аспирант, младший научный сотрудник кафедры биоматериалов Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская площадь, д.9
Мащенко Владимир Игоревич, к.х.н., с.н.с учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии
Московский государственный областной университет (МГОУ) 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24.
Разработан имеющий прикладное значение, например, при проектировании микрорезонаторов жидкокристаллический композит на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей, предложены оригинальные оптические конструкции на его основе, показана их актуальность для средств оптического манипулирования ансамблем ультрадисперсных частиц, для которых резко различны длины волн для их захвата и удержания оптическим пинцетом.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, оптический пинцет, микрорезонатор, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
LIQUID CRYSTAL COMPOSITES FOR OPTICAL RESONATOR
Solomatin A.S., Pankrushina A.V., Tsareva H.V., Zyakin V.E. Mashchenko V.I.*, Tarasova M.A. Department of Computer Science and Computer Engineering D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Moscow Region State University, 24 Very Voloshinoy str., 141014, Mytishi, Russia
Developed of practical value, for example, in the design of microresonators liquid crystal composite on the basis of 4-cyano-4-octyloxybiphenyl and borosilicate gels, the original optical design based on it, showing their relevance to optical manipulation of the ensemble of ultrafine particles to which the sharply different wavelengths for capture by the optical tweezers.
Keywords: optical anisotropy, optical tweezers, microresonator, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
В данной работе, являющейся продолжением [13], предложено использовать оригинальные нематические жидкокристаллические (ЖК) композиты в микрорезонаторах WGM (Whispering-gallery mode) работающих на физическом эффекте «шепчущей галереи» - распространении волн вблизи изогнутых границ раздела двух сред [4]. Матрица (рис.1) содержит в цилиндрических порах ЖК-композит, содержащий микрокапли ЖК, в которых наблюдается - при пропускании луча лазера - WGM эффект (рис.2).
В нематической ЖК-капле (диэлектрический шар) при радиусе начиная примерно от десяти микрон - на порядок больше длины волны видимого света, в зависимости от частоты и направления поляризации входящего луча, а также от ориентации молекул ЖК на поверхности и в объеме капли, возникнет тот тип волны, для которого частота воздействующего поля является близкой к его собственной частоте, то есть резонансной. Амплитуды других типов волн будут значительно меньше. Возможные волны подразделяются на два класса. Поперечно-
электрический (ТЕ) не имеет составляющих электрического поля по направлению радиуса шара (рис.3). Поперечно-магнитный (ТМ) не имеет радиальной составляющей магнитного поля (рис.4).
Моды «шепчущей галереи» в диэлектрических микрошарах являются одним из методов сужения спектра генерации полупроводниковых лазеров с помощью внешних резонансных устройств для решения проблемы частотной стабилизации полупроводникового лазера, генерирующего сравнительно широкий спектр частот. Луч лазера по касательной (кольцевого сечения полый луч с диаметром, согласованным с диаметром капли) входит в каплю ЖК и формирует WGM-спектр. Луч лазера будет формировать при анализаторе, скрещенном с плоскостью поляризации входящего луча, многополосный спектр с неравномерной интенсивностью полос.
Если обеспечить в матричной структуре (рис.1) индивидуальное задание параметров капель ЖК, то получим заранее предопределенный набор спектральных составов для индивидуальных лучей света.
Рис. 3. WGM-эффект. Возможные волны в диэлектрическом шаре подразделяются на два класса. Один из этих классов не имеет составляющих (проекций) электрического поля по направлению радиуса шара. Такой класс волн получил название поперечно-электрического и обозначается символом ТЕ. Рис. 4. WGM-эффект. Другой класс волн не имеет радиальной составляющей магнитного поля. Он называется
поперечно-магнитным и обозначается символом ТМ.
1
2 3
Pump wave
Fibre-tapar
waveguide
Pump wave v whispering gallery orbit
Emission wave
Silica microsphere
Рис. 1. 1 прозрачный слой над матрицей; 2 непрозрачный слой, в нем матрица цилиндрических пор, заполненных ЖК-
композитом; 3 прозрачный слой под матрицей. Рис. 2. WGM-эффект. В диэлектрическом шаре, радиус которого порядка десятка микрон, уже может существовать
Матричные структуры на основе ЖК-композита
Для формирования микрокапель ЖК в силиконовой матрице применен оригинальный подход [1-3, 5]. Предлагаемая [1-3, 6] ЖК структура, для которой и разработан вышеописанный ЖК-композит, это упорядоченный блок ЖК микролинз [6, 7] и ЖК капель-резонаторов. Достаточно давно известны ЖК-композиты, где капли ЖК используются в качестве функционального элемента. ЖК-композит помещается в цилиндрические поры матрицы. При нагревании композитов структуры из ориентированных кристаллитов выше температуры плавления 8ОЦБ (55°С) переходят в ЖК-фазу. К кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученныгс микроструктур приводит резкое охлаждение ниже температуры плавления ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля. Могут быть получены, в зависимости от температурных режимов ориентирования и термофиксации композитов, различные
микроструктуры (с размерами от долей до десятков
микрон) ЖК-фазы в БС-матрицах, что перспективно для формирования микрорезонаторов и линз ЖК, корректируя их ориентационное распределение директора ЖК прилагаемым полем [7, 8].
Для перехода между режимами, необходимо конструктивно предусмотреть возможности нагрева и охлаждения. Таким образом, спектр WGM-резонанса и фокусное расстояние линз можно перерегулировать в промежутках между циклами использования (на нагрев и охлаждение требуется некоторое время).
Оптическое манипулирование объектами
Захват лучом света возможен для прозрачной частицы с показателем преломления выше чем у окружающей среды в осевой (наиболее интенсивной) части луча с последующим смещением к фокусу. Однако бывает необходимо захватывать именно частицы с показателем преломления ниже чем у окружающей среды. Такие частицы захватываются полым (сфокусированным в кольцо) лучом в его темной осевой части. Кроме того, и в том и в другом случае частица должна быть меньше или сопоставима с длиной волны. Требование прозрачности частицы
(неравномерна для разных диапазонов) приводит к требованию заданных параметров спектра манипулирующего луча.
Такой спектрально избирательный пучок может быть сформирован предложенными WGM-структурами. Кроме того, необходимо отметить, что именно капля как WGM микрорезонатор позволяет получить кольцевой (полый) луч заданного спектрального состава.
Матрица позволяет избирательно регулировать спектральный состав и фокусное расстояние для каждого из лучей. Плоскость поляризации определяется при изготовлении и может быть индивидуальная (распределенная по какому-либо правилу) для каждого элемента матрицы. Регулируя фокусное расстояние, задаем положение точки фокуса, куда соберутся частицы, и толщину слоя жидкой среды, из которого они будут захватываться.
Благодаря таким возможностям, можно селективно (в зависимости от спектра пропускания частиц различных сортов и величины показателя их преломления) захватывать частицы заданных сортов, сосредотачивать их в резко дискретных областях (фокусах), в широких пределах менять (перерегулировать) как состав смеси частиц (изменяя спектр манипулирующего луча), так и положение областей концентрации частиц (меняя фокусные расстояния), в том числе в индивидуальном порядке для каждого луча, прошедшего через матричную структуру.
Выводы
Разработана основанная на ориентированных ЖК-композитах 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля конструкция, позволяющая управлять распределением светового потока в различных по спектральному составу и фокусному расстоянию режимах.
Показана перспективность для спектрально селективного манипулирования частицами.
Показана перспективность для формирования полого луча, манипулирующего частицами с малым показателем преломления.
Материалы на базе исследованных ЖК-композитов могут быть использованы в дисплейной технике и оптоэлектронике.
Список литературы
1. Соломатин А.С. Особенности формирования микроструктуры и оптические свойства жидкокристаллических композитных твист-ячеек / А.С. Соломатин, В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - №2. - С.53 - 63. Б01: 10.18384/2310-7251 -2017-2-53-63
2. Мащенко В.И. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана / В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, А.С. Соломатин, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. -№2. - С.34 - 45.
3. Мащенко В.И. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе / В.И. Мащенко, А.С. Соломатин, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97 - 107. Б01: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107
4. Виноградов А.В., Ораевский А.Н. Волны шепчущей галереи // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - Т.7. - №2. - С.96 - 102.
5. Беляев В.В., Мащенко В.И., Соломатин А.С., Чаусов Д.Н. Способ получения смеси жидкого кристалла с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники // Патент России №0002607454. 2016.
6. Соломатин А.С. Линзы на основе жидких кристаллов с неоднородным радиальным распределением директора // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. - 2016. - № 3. - С. 37-45.
7. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
8. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012. - 99 с.
