Учёные ФИАН совместно с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова и Института кристаллографии им. А.В. Шубникова показали, что усложнение структуры высокомолекулярных поглощающих добавок существенно увеличивает оптический отклик нематического жидкого кристалла. В качестве поглощающих добавок использовались молекулы высокомолекулярных соединений – гребнеобразные полимеры и дендримеры (сферически симметричные молекулы со сверхразветвленной структурой).
Нематические жидкие кристаллы (НЖК) состоят из палочкообразных молекул, которые ориентированы приблизительно параллельно друг другу. Направление преимущественной ориентации (определяющее направление оптической оси жидкого кристалла) может быть изменено с помощью внешних воздействий. Так, влияние переменного электрического напряжения на ориентацию молекул НЖК использовано, в частности, в конструкциях современных жидкокристаллических дисплеев. Облучение нематического жидкого кристалла поляризованным лазерным пучком может привести к новому нелинейному оптическому эффекту - существенному (до 0.2) изменению показателя преломления необыкновенной волны вследствие коллективной переориентации молекул. Ориентационный отклик дополнительно усиливается поглощающими добавками, включенными в нематическую матрицу. Оптическая переориентация НЖК позволяет реализовать и исследовать такие нелинейные оптические явления как самофокусировка и самодефокусировка, оптические бистабильности, распространение солитонов, обращение волнового фронта и т.д.
В Отделе оптики низкотемпературной плазмы (ОНТП) ФИАН ведутся исследования влияния строения поглощающих молекул на эффективность ориентации системы.
Для изучения ориентирующего воздействия света на НЖК использовался эффект аберрационного самовоздействия светового пучка. Лазерный пучок фокусировался в относительно толстый слой (100 мкм) нематического жидкого кристалла, легированного поглощающей добавкой. Вследствие возникновения такой переориентации происходит формирование колоколообразного профиля показателя преломления и, в результате дифракции, в дальней зоне наблюдается система интерференционных колец (см. фото справа).
По свойствам кольцевой картины (временным характеристикам, числу колец, её динамике при перемещении кристалла, поведению при наложении дополнительного электрического поля и т.д.) можно получить много полезной информации о свойствах НЖК и процессе светоиндуцированной переориентации.
О результатах эксперимента рассказывает старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Смаев: «Исследования, проведенные с высокомолекулярными соединениями, показали, что усложнение структуры поглощающей добавки - степени полимеризации или числа ветвящихся слоёв дендримеров - приводит к более "лёгкой" переориентации. Для свободной поглощающей молекулы и для полимера, объединяющего такие же молекулы в своей структуре, световые мощности необходимые для достижения одинаковой ориентации могут отличаться на порядки!»
По словам руководителя группы, ведущего научного сотрудника ФИАН, кандидата физико-математических наук Александра Золотько:
“Эффект оптической ориентации поглощающих нематических жидких кристаллов, усиливающийся по мере усложнения иерархии структур, включенных в матрицу, дает пример нелинейно-оптических взаимодействий света с веществом при рекордно низких интенсивностях – на 10 и более порядков ниже, чем для классического керровского явления. Высокая эффективность взаимодействия связана с тем, что свет изменяет состояние молекул и приводит к возникновению ориентирующих межмолекулярных сил”.
Эффект усиления оптического отклика НЖК представляет интерес как для изучения механизмов взаимодействия света с широким классом частично упорядоченных объектов (в том числе биологического происхождения), так и с точки зрения устройств, использующих модуляцию света. Важным направлением исследований является возможность использования светодиодов для получения тех же эффектов.
Жидкокристаллические мониторы в настоящий момент господствуют на рынке. Также господствующим является мнение о том, что они должны уступить свое место светодиодным мониторам. Фиановская работа показывает, что развитие в этой области может пойти и по другому пути.
АНИ «ФИАН-информ»
