Реконфигурируемые фотонные кристаллы: структурирование внешним полем жидкокристаллических - полимерных композитов : [ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.00.00, Денисов, Алексей

• Денисов, Алексей
• 2009

Оглавление диссертации Денисов, Алексей

ВВЕДЕНИЕ:

ГЛАВА I: МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

1.1 Фотонные кристаллы: основы и определения

1.2 Перестраиваемые фотонные кристаллы

1.2.1 Компьютерное моделирование фотонных кристаллов

1.2.2 Частный случай двумерной синусоидальной модуляции

1.3 ЖК - полимерные композиты для фотонных кристаллов

1.3.1 Холестерические жидкие кристаллы - одномерный фотонный кристалл

1.3.2 Фоторефрактивный эффект

1.4 Список литературы к Главе 1

ГЛАВА II: ВВЕДЕНИЕ В ЖК И ЖК КОМПОЗИТЫ. СТРУКТУРИРОВАНИЕ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК ХЖК

II. 1 Нематические жидкие кристаллы

II. 1.1 Статические искажения в монокристалле нематика

II. 1.2 Оптическая анизотропия

И.2 Холестерические жидкие кристаллы

II. 2.1 Природные текстуры и дефекты в холестериках

П.З Полимер+ ЖК

11.3.1 Жидкие кристаллы диспергированные в полимере

II. 3.2 Жидкий кристалл стабилизированный полимером

II. 3.3 ХЖК стабилизированный полимером

П.4 Оптические свойства ХЖК

II. 4.1 Брэгговское отражение

II. 4.2 Численное решение для одномерного ХЖК

ii.5 Структурирование толстых пленок ХЖК

II. 5.1 Основные требования

II. 5.2 Приготовление ячеек

II. 5.3 Приготовление смесей

II. 5.4 Необходимость стабилизации полимером

II. 5.5 Однородная структура ХЖК

П.6 Заключение:

II.7 Список литературы к Главе II:

ГЛАВА III: ДВУМЕРНЫЙ ФОТОННЫЙ ХЖК

III. 1 Оценка параметров двумерного фотонного ХЖК

Ш.2 Компьютерное моделирование фотонного ХЖК

III.3 Экспериментальная реализация

III. 3.1 Структурирование ХЖК с помощью электрического поля

III. 3.2 Схема измерений

III. 3.3 Экспериментальные результаты

III. 3.4 Итоговая сводка экспериментальных наблюдений

Ш.4 Структурирование полимером

III.5 Заключение

Ш.6 Список литературы к Главе III:

ГЛАВА IV: ФОТОРЕФРАКТИВНЫЕ ЖК - ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

IV. 1 Введение в фоторефрактивный эффект в ЖК - полимерных композитах

IV. 1.1 Органические фоторефрактивные соединения

IV. 1.2 Механизм разделения зарядов в ЖК

IV. 1.3 Образование пространственного поля зарядов в ЖК

ГУ.2 ЖК - полимерные композиты

IV. 2.1 Выбор материала

IV. 2.2 Описание материала

ГУ.З Результаты экспериментов

IV. 3.1 Измерения эффективности дифракции

IV. 3.2 Измерения фототока

IV. 3.3 Зависимость дифракционной эффективности от интенсивности и периода

решетки

IV.4 Объяснения и ограничения

IV. 4.1 Толстые образцы

IV. 4.2 Предложение по увеличению эффективности фоторефракции

IV. 4.3 Предварительные результаты исследований прозрачных ЖК-полимерных

композитов

IV.5 Заключение и перспективы

ГУ.6 Список литературы к Главе IV

ГЛАВА V: МИКРО-СТРУКТУРИРОВАНИЕ ЖК МАТЕРИАЛОВ

V.1 Структурирование ХЖК

V.2 фоторефрактивные ЖК - полимерные композиты

V.2.1 Улучшение свойств материала

V.3 Литература к Главе V

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЖК ЯЧЕЕК

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: РЕПЛИКАЦИЯ ШАБЛОНА НА ITO

ПРИЛОЖЕНИЕ 3: ЖК ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ СВЕТОВОЙ КЛАПАН ("LIGHT VALVE")

Лист сокращений:

1-Б: Одномерный

2-Б: Двумерный

3-Б: Трехмерный

ПФК: Перестраиваемые Фотонные кристаллы

ЖК: жидкий кристалл

ХЖК: холестерический жидкий кристалл

ЖКСП: жидкий кристалл стабилизированный полимером

ХЖКСП: холестерический жидкий кристалл стабилизированный полимером

ПДЖК: полимер-диспергированный жидкий кристалл

ГПДЖК топографический полимер-диспергированный жидкий кристалл

КТ: квантовые точки

ПКП: правая круговая поляризация ЛКП: левая круговая поляризация

УФ: ультрафиолет

ITO: Indium Tin Oxide - оксид индия и олова

МКР: метод конечных разностей МКЭ: метод конечных элементов

WDM: Wavelength Division Multiplexing (мультиплексация с разделением по длинам волн)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реконфигурируемые фотонные кристаллы: структурирование внешним полем жидкокристаллических - полимерных композитов : [»

Введение:

Основной задачей данной работы было исследование и разработка новых материалов для перестраиваемых фотонных кристаллов (ПФК), могущих найти применение в сетях оптических коммуникаций. Для достижения поставленной цели нами было проведено исследование различных аспектов создания материалов в композитных жидко кристаллических средах.

Фотонные кристаллы - периодические структуры с периодом близким к длине волны света, 200нм - 10 мкм, воздействуют на распространение света внутри них подобно тому, как полупроводниковые кристаллы воздействуют на движение электронов. Решение уравнений Максвелла для этих структур указывает на присутствие длин волн, для которых свет не распространяется, эти длины волн образуют так называемые запрещенные зоны. Одномерные фотонные кристаллы в течение долгого времени изучались в оптике и привели к разработке многих практических применений, в отличие от них двух- и трехмерные фотонные кристаллы только в недавнее время привлекли внимание исследователей, после идентификации возможностей их практического применения.

Перестраиваемые фотонные кристаллы (ПФК) - фотонные кристаллы с периодом, который может изменяться под воздействием внешних полей (светового или электрического) могли бы найти практическое применение во многих областях науки и техники, например в качестве перестраиваемых фильтров для оптических коммуникаций или для спектроскопии. Перестраиваемые фотонные кристаллы могут быть реализованы в различных материалах. В данном исследовании мы сконцентрировались на жидкокристаллических (ЖК) - полимерных композитных материалах. Этот выбор мотивировался уникальными электрооптическими свойствами жидких кристаллов, предоставляющих большие возможности для контроля ПФК с помощью электрических полей. Наличие полимера в ЖК увеличивает инженерные возможности для структурирования материала.

На современном уровне развития теории и компьютерных моделей конденсированного состояния вещества, такого как ЖК и ЖК - полимерные композиты, создание веществ с наперед заданными свойствами не представляется возможным. Соответственно, мы выбрали экспериментальный подход, в основном опираясь на простые физические модели

и аналогии как основы для планирования эксперимента. Справедливость наших оценок была в последствии подтверждена экспериментом. Мы также провели несколько численных расчетов, но в большинстве случаев подобные расчеты исключительно сложны и предоставляют мало полезной информации. В конечном итоге только информация о брэгговском отражении в одномерном случае, полученная в результате компьютерного моделирования, использовалась для оценки параметров эксперимента.

Во многих отношениях данная работа является продолжением исследований, проведенных ранее на кафедре оптики Высшей Школы Телекоммуникаций Бретани (Telecom Bretagne). Переключаемые одно- и двухмерные фотонные кристаллы были разработаны в нашей лаборатории. Первоначально они были реализованы в полимере, и впоследствии распространены на голографические полимер-диспергированные жидкие кристаллы (Holographie Polymer Dispersed Liquid Crystal, Holo-PDLC). [Подробности могут быть найдены в диссертациях Жан-Люка Кайзера (Jean-Luc Kaiser) и Себастьяна Массено (S. Massenot) ]. Эти фотонные кристаллы могут быть переключены между двумя различными состояниями приложением электрического поля, но их период нельзя изменить, поскольку периодическая структура была получена в процессе голографической полимеризации ЖК и смеси мономеров, что привело к созданию фиксированной полимерной решетки с каплями ЖК внутри неё.

Выбор направления данного исследования во многом определялся техническими возможностями и опытом исследований в области голографии и структурирования вещества, имеющимися на кафедре оптики. Некоторые направления научных исследований, требующие химической инженерии высокого уровня сложности, находились за пределами наших технических возможностей, поскольку для них требовалось специальное оборудование, отсутствующее в лаборатории. Эти направления могут быть исследованы в будущем.

Среди различных возможностей для исследований нами были выбраны только два подхода.

Первый подход основывался на использовании холестерических жидких кристаллов (ХЖК) в качестве основного материала. Этот материал интересен для разработки ПФК поскольку это естественный одномерный фотонный кристалл и создания периодической модуляции еще в одном направлении может быть достаточно для получения двумерного

фотонного кристалла. В рамках первого подхода мы исследовали два варианта: создание модуляции с помощью электрического поля и с помощью фиксированной полимерной решетки. Первый вариант увенчался частичным успехом, нам удалось продемонстрировать принципиальную возможность реализации концепции, но дифракционная эффективность прототипа была слишком низкой для практического применения. Второй вариант мы не смогли реализовать на практике. Возникла проблема с совместимостью смесей, смесь ЖК и мономера разделялась на различные фазы, и мы не смогли решить эту проблему с имеющимися у нас возможностями в отведенное для её решения время.

Второй подход основывался на использовании фоторефрактивного эффекта для получения ПФК. Этот подход находится на ранней стадии развития и мы смогли продемонстрировать только одномерный перестраиваемый фотонный кристалл, т.е. реконфигурируемую дифракционную решетку. Для этого исследования мы выбрали смесь полимера - ЖК - KT (квантовых точек), поскольку это был один из технологически достижимых вариантов. В результате нашего исследования удалось улучшить некоторые свойства данных композитов. Однако, по нашему мнению, необходимо дополнительно улучшить свойства подобных материалов, прежде чем их можно будет использовать в практике.

Содержание диссертации:

Глава I. Эта глава является введением в тему фотонных кристаллов и возможностей их использования. Здесь же мы мотивируем наш выбор полимер - ЖК композитов для ПФК.

Глава II. Мы начинаем с введения в ЖК, ХЖК, и ЖК - полимерные композиты. Далее мы представляем экспериментальные результаты по структурированию толстых пленок ХЖК. Мы обсуждаем преимущества использования ХЖК стабилизированных полимером, а также экспериментальную процедуру получения однородной ХЖК структуры.

Глава III. Мы представляем оценку параметров для двумерного фотонного ХЖК, описываем процесс его изготовления и показываем наши экспериментальные результаты. Результаты интерпретируются на основе модели явления, выявляются главные ограничивающие факторы и предлагается направление для будущих исследований. В этой

же главе мы обсуждаем трудности компьютерного моделирования данного устройства (ПФК на основе ХЖК).

Глава IV. В этой главе мы суммируем результаты наших исследований фоторефрактивного эффекта в ЖК - полимерных композитах. Мы начинаем с введения в фоторефрактивный эффект в органических соединениях и мотивируем выбор материала для исследований. Далее мы представляем результаты наших экспериментов и демонстрируем улучшения свойств материала по сравнению с предыдущими исследованиями подобных материалов. В завершении главы мы предлагаем направление для будущих исследований, основываясь на качественной физической модели механизма фоторефрактивного эффекта в исследованных композитах.

Глава V. В данной главе мы обсуждаем структурирование органических композитов и показываем, как взаимодействуют различные химические и физические параметры в процессе микроструктурирования. В заключении мы предлагаем несколько направлений для исследований развивающих полученные результаты.

Приложения. В диссертацию включены три приложения. В-первых двух приложениях приведены подробности проведенных экспериментов. Третье приложение касается светового клапана ("light valve"), данный эффект является побочным результатом наших экспериментов по фоторефрактивному эффекту.

Список литературы диссертационного исследования Денисов, Алексей, 2009 год

Литература:

[1] Casasent D., "Coherent light valves", Applied Optics and Optical Engineering, R. Kingslake Ed. 6, New York, Academic, 143-200, (1979)

[2] Efron Y, "The silicon liquid crystal light valve", Journal of Applied Physics 57, 1356-1368, (1985)

[3] L. Dupont, Z.Y. Wu, P. Cambon and J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, "Smectic A and C* liquid crystal light valves", J. Phys. Ill France 3, 1381-1399, (1993)

[4] P. Aubourg, J. P. Huignard, M. Hareng, and R. A. Mullen, "Liquid crystal light valve using bulk monocrystalline Bii2Si02o as the photoconductive material," Appl. Opt. 21, 3706-3712, (1982)

Reconfigurable photonic crystals: external field structuring of Liquid Crystals

- Polymer composites.

In this dissertation we present the study of composite Liquid Crystal (LC) - polymer materials. Our goal was to design and realize photonic crystals, whose structure makes them reconfigurable by external electric or light fields. Our first realization is based on the use of a polymer stabilized Cholesteric Liquid Crystals (CLC). CLC have an inherent periodic Bragg structure, making them a natural 1-D photonic crystal. We realised 2-D photonic crystals by inducing an electric field to produce a periodic modulation of the CLC structure. This structure allowed us to make a principle demonstration of a band-edge effect in 2D photonic crystals based on CLC as well as the possibility of tuning the resonance by changing the applied electric field. In a second approach we use the photorefractive effect in a composite liquid crystal material doped by quantum dots (fullerene C6o). We studied the 1-D reconfigurable photo-induced gratings in these composites. To improve the recording efficiency and resolution of the photorefractive effect observed in such composites we investigated the impact of the concentration of fullerene, using for this purpose fullerene derivatives C70 and [60]PCBM. We observed the improvement in resolution due to the combined effect of an increased fullerene concentration and the trapping mechanism due to the polymer network. We proposed a new way of operating for photorefractive effect in LC- polymer composites, which can substantially improve diffraction efficiency of a new material, approaching the requirements for practical applications.

Key words: photonic crystals, liquid crystals, cholesteric liquid crystals, photorefractive effect, fullerenes.

Реконфигурируемые фотонные кристаллы: структурирование внешним полем жидко кристаллических - полимерных композитов.

В данной диссертации представлены результаты исследований жидкокристаллических (ЖК) - полимерных композитных материалов. Целью работы являлась разработка и изготовление фотонных кристаллов, структура которых могла быть перестроена внешним электрическим или световым полем. Для первого способа реализации использовались холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) стабилизированные полимером. ХЖК обладает структурой брэгговского зеркала, что делает их природными одномерными фотонными кристаллами. Для изготовления двумерного фотонного кристалла мы создали периодические изменения в структуре ХЖК с помощью электрического поля. Нам удалось продемонстрировать существование эффекта резонансного усиления дифракции на краю запрещенной зоны, созданного нами двумерного фотонного кристалла на основе ХЖК, а также возможность перестройки положения резонанса электрическим полем. Для второго способа мы использовали фоторефрактивный эффект в ЖК - полимерном композите допированом квантовыми точками (фуллереном Сбо). В этих композитах мы исследовали фотоиндуцированные одномерные перестраиваемые дифракционные решетки. Для улучшения дифракционной эффективности и разрешающей способности фоторефрактивного эффекта, наблюдающегося в этом материале, мы провели исследование влияния концентрации фуллерена, используя для этой цели производные фуллерена С7о и[60]РСВМ. Было обнаружено увеличение разрешающей способности материала вследствие комбинированного эффекта от увеличения концентрации фуллерена и механизма захвата зарядов полимерной матрицей. На основании эффекта памяти был предложен новый способ использования фоторефрактивного эффекта в ЖК - полимерных композитах, который может привести к существенному увеличению дифракционной эффективности, приближаясь к практическому применению эффекта.

Ключевые слова: фотонные кристаллы, жидкие кристаллы, холестерические жидкие кристаллы, фоторефрактивный эффект, фуллерены.