Элементы на жидких кристаллах.

Большую конкуренцию другим материалам для оптических управляемых транспарантов и носителей информации составляют жидкие кристаллы и прежде всего из-за того, что они имеют высокую чувствительность к управляющим сигналам, отличаются хорошими оптическими и пороговыми свойствами, технологичностью изготовления многоэлементных устройств большого формата.

Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей. Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов и других сложных соединений. Они относятся к диэлектрикам и имеют удельное сопротивление 10 ⁶ – 10¹⁰Ом ˑ см.Характерная особенность – их молекулы имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину.

Жидкие кристаллы бывают трех видов, отличающихся молекулярной структурой:

Смектические

Холестерические

 

В нематической структуре распределение центров масс молекул произвольно, но все молекулы вытянуты вдоль одной оси. В них наблюдается скопление вдоль длинных осей. На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический жидкий кристалл мутный для проходящего и отраженного света. С помощью внешнего электрического или магнитного поля можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.

В смектической структуре все молекулы вытянуты вдоль одной оси, образуют слой равной толщины, но расположены в слоях произвольно. Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В холестерической структуре молекулы расположены слоями, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на одинаковый угол. Распределение молекул имеет спиральный характер. Эти ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.

Жидким кристаллам характерно большое количество электрооптических явлений, но чаще других применяют эффект динамического рассеивания, твист – эффект, эффект гость – хозяин. При их рассмотрении будем учитывать тот факт, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии. Диэлектрическая анизотропия x_а характеризует разницу диэлектрических постоянных x|| и x^ в направлениях параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул. При x_а > 0 оси располагаются параллельно, а при x_а <0 – перпендикулярно электрическому полю.

 

Конструкция ячейки с жидким кристаллом исключительно проста:

это сэндвич,состоящий из пленки жидкого кристалла 1 толщиной порядка 10÷30 мкм между двумя электродами 2 и 3, напылёнными на стеклянных подложках и обычно прозрачными.

Эффект динамического рассеивания заключается в том, что при подаче на электроды электрического напряжения ячейка становится матовой (мутнеет) и рассеивает свет. Это обусловлено тем, что при приложении электрического поля к ЖК с x_а < 0 и нематической структурой через кристалл протекает слабый ток проводимости. При некотором значении этого тока, характеризуемом напряжением электродинамической неустойчивости, возникает состояние турбулентного движения, при котором дипольные взаимодействия между молекулами нематика разрываются, нарушается упорядоченность структуры, ориентация молекул приобретает хаотический характер, ЖК мутнеет. Напряжение электродинамической неустойчивости не более 5В. При этом эффекте время включения элемента составляет 50 ¸ 500 мс, а выключения 150 ¸ 180 мс.

Твист-эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизотропией (x_а > 0). Сущность его заключается в том, что при изготовлении ячейки два прозрачные электрода размещаются выделенными направлениями полировки под некоторым углом, например .

В пространстве между такими электродами молекулы ЖК располагаются по спирали, и ориентация молекул нематика от слоя к слою меняется так, как в холестерической ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных электродов, взаимно перпендикулярны. Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации, проходящего света на угол равный .

В ячейки оба электрода являются одновременно и поляроидами, оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с выделенными направлениями полировки, а следовательно, и с осями прилегающего слоя молекул нематика. В отсутствии электрического поля свет проходит через ячейку, поскольку на пути от электрода к электроду испытывает поворот плоскости поляризации. При приложении к электродам достаточного напряжения спираль разрушается, все молекулы ориентируются вдоль поля(ξ_а >0), разворот плоскости поляризации не происходит и свет сквозь ячейку не проходит.

Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока. Он проявляется при малыхнапряжениях (0.9÷1.5В).Длительность переходного процесса включения-выключения 30 – 200 мс.

Эффект гость-хозяин. В состав жидкокристаллического вещества (хозяин) вводят молекулы красителя(гость). Краситель избирательно поглощает свет в зависимости от ориентации его молекул относительно падающего светового потока. Его молекулы также имеют вытянутую форму. Молекулы ЖК ориентируют и переориентируют молекулы красителя в электрическом поле при подаче напряжения на электроды. В результате меняется степень поглощения, что хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом требуется только один поляроид. Для холестерической структуры с малым шагом хорошие результаты получаются и без поляроида. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30 – 500 мс, управляющее напряжение – 2–10в. В зависимости от используемого красителя ячейки могут иметь различную окраску во включенном и выключенном состояниях.

Различную окраску ячейки с ЖК часто получают с помощью эффекта избирательного отражения света холестерическими жидкими кристаллами. В таких кристаллах при отражении света от тех плоскостей, молекулы в которых ориентированы одинаковым образом, возникает интерференция, в результате которой усиливается отраженный свет с длиной волны, равной шагу спирали холестерика. Изменяя напряжение на электродах, меняем шаг спирали холестерика, следовательно, можно непрерывно менять цвет кристалла. Для создания оптических управляемых транспарантов используют ячейку со структурой МДП – ЖКобладающие весьма высокими характеристиками.

Структура ячейки имеет вид;

 

 

1, 6 – стеклянные подложки;

2, 5 – прозрачные электроды;

3 – фотопроводящий слой полупроводника;

4 – диэлектрическое зеркало;

7 – жидкий кристалл.

 

При подаче на электроды 2 и 5 напряжения и неравномерном освещении(сверху) слоя полупроводника 3 возникает потенциальный рельеф электрического поля в слое ЖК, так как на освещенных участках проводимость полупроводника увеличивается, и заряды с электрода 2 устремляются к диэлектрическому заряду 4, напряженность поля в этих местах слоя ЖК увеличивается. Такое пространственное перераспределение напряженности поля приводит к формированию соответствующего рельефа оптических свойствслоя ЖК, который может быть считан проходящим через этот слой (снизу) световым потоком.

 

Голографические устройства.

Голографическая память основывается на записи интерференционной картины образованной в результате сложения световой волны, отраженной от объекта или прошедшей через него (объектной волны), и когерентной волны, идущей непосредственно от источника света (опорной волны).Если зафиксированную картину (голограмму) затем осветить тем же опорным источником, расположенном относительно нее точно такжекак и при записи, то в результате взаимодействия опорной волны с голограммой в пространстве образуется волна, восстанавливающая изображение объекта. Для этого световые потоки обязательно должны быть когерентными (две волны называются когерентными, если разность их фаз является постоянной или они имеют одинаковую частоту). Голограмма в отличие от фотографического снимка, фиксирует не только распределение амплитуд, но и распределение фаз объектной волны относительно опорной. Информация о соотношении фаз объектной и опорной волн отражается рисунком и частотой картины, а об амплитуде - ее контрастом. При помощи голограммы, таким образом, восстанавливается амплитуд но-фазовое распределение волнового поля, т.е. создается копия объектной волны, а не только светоконтрастная характеристика объекта, как при обычном фотографировании. Этим объясняется чрезвычайно высокая информационная емкость голографического способа записи информации.

Часто голограммы регистрируют на фотопластинках. Рассмотрим наиболее простой для понимания случай записи и восстановления плоскойсветовой волны. Пусть на фотопластинку ФП под углом Өпадает плоская объектная волна S₁:

 

,где

А – амплитуда;

ω – круговая частота;

φ₁ – фаза;

t – время.

 

Колебание S₁ вызовет равномерное почернение фотопластинки, плотность которого пропорциональна интенсивности колебания, т.е. квадрату амплитуды А².Направим на фотопластинку опорную плоскую волну S₂ той же частоты с амплитудой В и фазойS₂:

Так как колебания S₁ и S₂ когерентны, то складываясь и интерферируя, они образуют результирующее колебание S с амплитудойС, которая создает в плоскости фотопластинки сложный волновой узор. Плотность почернения фото слоя в каждой точке в этом случае будет пропорциональна интенсивности результирующего колебания I≈C². Определим эту интенсивность. Очевидно что:

 

S = S₁+S₂=Acos (ωt – φ₁) + Bcos (ωt –φ₂) =

=Acosωtcosφ₁ + Asinωtsinφ₁ + Bcosωtcosφ₂ + Bsinωtsinφ₂ =

= (A sin φ₁ + B sin φ₂) sin ωt + (A cosφ₁ + B cos φ₂) cosωt.

 

Суммы в скобках представляют собой гармонические колебания, которые можно представить следующими соотношениями:

A sin φ₁ + B sin φ₂ = C sin Ө

A cos φ₁ + B cos φ₂ = C cos Ө (*)

 

Тогда уравнение результирующего колебания примет вид:

S = C∙cos (ωt – Ө)

 

Обе части соотношений (*) возведет в квадрат и сложим их почленно:

 

A² sin² φ₁ + 2AB sin φ₁ sin φ₂ + B² sin ²φ₂ =C²sin² Ө

+

A² cоs² φ₁ + 2AB cos φ₁cos φ₂+ B² cos²φ₂ =C²cos² Ө

A² + 2 AB (sin φ₁ sin₂+ cos φ₁cos φ₂) + B² = C²

 

Следовательно, интенсивность будет равна:

I ≈C² = A² + 2ABcos (φ₁ – φ₂) + B² =A² + 2ABcosᴪ+B²

где ᴪ=φ₁ – φ₂ – разность фаз складывающихся колебаний.

 

Из полученного выражения видно, что интенсивность Ι результирующего колебания максимальна при ᴪ=2 n и минимальна при ᴪ=(2n + 1) где n=0,1,2,…. Экспонируя и проявляя фотопластинку, мы фиксируем картину объектного и опорного колебаний, т.е.получаем голограмму.

Интенсивность в максимумах интерференционной картины равна:

Imax ≈(A+B)²

а в минимумах:

Imin ≈(A – B)²

Так что если амплитуда опорной волны В известна, то из соотношения

легко определить амплитуду объектной волны А. В максимумах интерференционной картины cos (l₁-l₂)=1,поэтому l₁-l₂=2Пn и если известна фаза опорной волны l*, то можно определить фазу l₁ объектной волны. Это доказывает то, что голограмма содержит всю информацию об амплитуде и фазе объектной волны.

В выражении для интенсивности два члена А² и В² описывают колебания, обуславливающие равномерное почернение всей фотопластинки, а третий член 2АВcosᴪ описывает колебание, обуславливающее почернение, которое изменяется по косинусоидальному закону (см. рис.). Таким образом, зафиксированная на фотопластинке голограмма представляет собой решетку с косинусоидальным распределением пропускания. Полосы в этой решетке ориентированы перпендикулярно плоскости рисунка.

Для восстановления изображения направим на голограмму по пути опорного колебания S₂ пучок света с плоским волновым фронтом L:

 

 

Вследствие дифракции восстанавливающей волны на записанной интерференционной картине за голограммой возникает световое поле, образуемое тремя колебаниями:

1) ослабленной восстанавливающей волной(дифракционный максимум нулевого порядка);

2) плоской волной, распространяющейся под углом Ө к горизонтальной оси Z (дифракционный максимум плюс первого порядка);

3) плоской волной, распространяющейся под углом – Ө к оси Z (максимум минус первого порядка).

Дифракционные максимумы более высоких порядков не возникают вследствие того, что пропускание голограммы изменяется по гармоническому закону.

Второе колебание (дифракционный максимум плюс первого порядка)является точной копией объектной волны, дает действительное изображения объекта.А третье колебание (дифракционный максимум минус первого порядка) дает мнимое изображение, полностью подобное объекту.

Применяемые для записи голограмм фотопластинки обычно содержат специальные серебряно-галоидные фотоэмульсии позволяющие записывать до 5000 линий/мм. Широко используются и другие материалы, например, фототермопластинки, фотохромные, магнитооптические и др. Важнейшее требование, предъявляемое к ним – высокая разрешающая способность.

Голограмма обеспечивает очень высокую плотность записи информации, что связано с малой длиной волны света λ. Лазерный луч обычно имеет гауссовское (нормальное) распределение энергии, в результате диаметрсфокусированного пятна равен:

где f – фокусное расстояние фокусирующей линзы;

D – диаметр гауссова пучка в плоскости линзы (если линза освещена полностью, тоD – диаметр линзы)

Число 1,27 относится к случаю, когда нет дифрагирования лучей.

Линзы с F = 1 (микрообъективы) позволяют получать диаметр пятна в фокальной точке к длине волны излучения. Следовательно, для волн видимого диапазона принципиальный предел плотности записи достигает величины , что дает при λ=0,63 мкм плотность 10⁸ бит/см².

Плотность записи информации может быть увеличена за счет многократного наложения голограмм. На одной пластине (друг от друга)можно записать большое число голограмм при использовании различно направленных опорных пучков. Ясно, что для считывания той или инойинформации надо лишь обеспечить соответствующую ориентацию голограммы относительно считывающего пучка.

Возможна также объемная многослойная запись. При трехмерном способе записи голограмма представляет собой не плоскую картину интерференционных полос, а объемную структуру, повторяющую пространственную картину интерференцииобъектной и опорной волн. Привосстановлении изображения объемная голограмма действует подобнотрехмерной дифракционной решетке. Отражение света от интерферекционныхслоев (брэгговское) происходит только при выполнения условия, аналогичного условию Брэгга-Вульфа:

,

гдеd – расстояние между соседними слоями;

Ө – угол между падающим светом и плоскостью слоёв.

Таким образом,трехмерная голограмма обладает спектральной избирательностью (селективностью), т.е. для восстановления изображения можно применять источники со сплошным спектром, например лампу накаливания, солнце. При этом голограмма ''выберет '' излучение той длины волны, которая использовалась при записи. Двумерные голограммы не обладают спектральной селективностью и восстанавливаемое изображение окажется размытым. Свойство трехмерных голограмм воспроизводить спектральный состав записывающего излучения позволяет значительно увеличить информационную емкость за счет записи в одной и той же области регистрирующей среди множества изображений, используя каждый раз излучение с разной длиной волны. Нужное изображение может быть считано независимо, для чего его нужно восстанавливать излучением соответствующей длины волны. Причем, при считывании трехмерная голограмма дает только одно изображение, тогда как двухмерная голограмма дает еще и мнимое изображение, что несколько усложняет считывание информации.

Объемная голографическая запись использует весь объем носителя, а не тонкий слой поверхности (как в случае обычной оптической или магнитной памяти). При этом объемная плотность записи информации может превышать величину бит/см³скорость ввода информации с голограмм – несколько Гбит/сек.

Другим важным преимуществом голограмм являются их избыточность. Поскольку при записи свет от каждой точки объекта падает на всю поверхность голограммы, каждый малый ее участок способен восстановить изображение объекта, хотя и с меньшим соотношением сигнал/шум и с потерей разрешения мелких деталей. Это делает голограмму нечувствительной к микродефектам: пятна,пылинки,царапины и т.п. Количественную характеристику, отражающую способность голограмм трансформировать волну в восстановленное изображение, называют дифракционной эффективностью и определяют как отношение мощности светового потока в восстановленном изображении к мощности светового потока в восстанавливающей волне.

Голографический принцип позволяет полностью реализовать преимущества, связанные с возможностью параллельного доступа. Информация организуется в блоки (страницы) емкостью по 10⁴ – 10⁶ бит каждый, и таким образом можно сразу осуществлять параллельную передачу целого блока, а следовательно, получить высокую скорость передачи данных. Например, при фактической скорости выборки 10⁶ страниц/сек. и емкости 10⁵ бит информации на страницу скорость передачи данных составит 10¹¹ бит/сек.

Еще одна особенность – возможность записи информации непосредственно в аналоговой форме, что отличает голографические ЗУ от всех других видов запоминающих устройств с хранением символов двоичного кода. Причем имеется возможность деформации изображения. Пусть при записи использовался луч с длиной волныλ и объект находится на расстоянииα от голограмм. Если при считывании использовать свет сдлиной волны λ', то изображение будет формироваться на расстоянии α' от голограмм, равном:

При использовании с другой длиной волны возникают продольные искажения изображения: при λ' <λоно ''вытянуто'' в направлении от голограммы к наблюдателю, а при λ' >λ – ''сжато''. Если при считывании использовать расходующуюся сферическую волну, то получим увеличенное изображение объекта. При использовании сходящейся сферической волны можно получить уменьшенное изображение объекта,однако качество восстанавливаемого изображения при этом ухудшается из-за аберраций.

В ряде случаев голограмма объекта может быть получена расчетным путем, с помощью ЭВМ. Такие искусственно синтезированные голограммы называются цифровыми. Одно из достоинств синтезированных голограмм, которые в сущности объясняет необходимость их создания вообще, состоит в том, что позволяют имитировать волны оптических объектов физически не существующих.

Быстродействия ЭВМ бывает недостаточно для расчета голограммы, полностью идентичной обычной, получаемой голографированием. В связи с этим, часто рассчитывают более простые голограммы, не содержащие информацию о полутонах объекта, и записывают их на носителях, которые физически могут приобретать только два различных состояния. Такие голограммы называют бинарными или двоичными. Двоичные голограммы весьма целесообразны при записи больших массивов данных, кроме того они позволяют получать более яркое воспроизведение объекта. Важно и то, что воспроизведение с двоичных голограмм отличается не только большой чувствительностью, но и меньше подвержено мешающему влиянию шума от рассеяния света, вызываемого неоднородностью носителя записи или его поверхности.

Голограмма совершенно неразборчива, на просвет кажется почти прозрачной, с нее можно получить контактный отпечаток-копию.