1. Wstęp... 5 1.1. Cel pracy... 8 2. Ciekłe kryształy... 9 2.1. Charakterystyka ciekłych kryształów... 9 2.2. Właściwości elektryczne ciekłych kryształów... 11 2.3. Lepkość i stałe sprężystości... 12 2.4. Parametr uporządkowania... 13 2.5. Przetworniki ciekłokrystaliczne, wykorzystywane materiały i ich parametry... 14 2.6. Własności elektrooptyczne ciekłych kryształów... 15 2.7. Właściwości optyczne ciekłych kryształów... 19 2.7.1 Optyczny efekt Freedericksza... 20 2.7.2. Efekt Janossyego... 23 3. Własności fotorefrakcyjne kryształów... 24 3.1. Zjawisko fotorefrakcji w kryształach... 24 3.2. Zapis siatek dyfrakcyjnych powstających w wyniku fotorefrakcji w przetwornikach ciekłokrystalicznych... 26 3.2.1. Warunki zapisu siatek dyfrakcyjnych... 26 3.2.2. Zmiana rozkładu ładunku wewnętrznego w materiale fotorefrakcyjnym wywołana falą świetlną... 27 3.2.3. Efekt reorientacji molekuł ciekłego kryształu wywołany procesami fotorefrakcyjnymi... 30 3.3. Wydajność dyfrakcji i rozdzielczość zapisu holograficznego... 30 4. Zapisy holograficzne... 31 4.1. Zapis hologramu klasycznego... 31 4.2. Warunki określające poprawność zapisu hologramu... 35 4.3. Zapis hologramów metodami cyfrowymi... 36 4.3.1. Rejestracja prążków interferencyjnych pochodzących od obiektów rzeczywistych... 36 4.3.2. Wizualizacja hologramów dynamicznych za pomocą matrycy TFT... 37 4.3.3. Zapis hologramów dynamicznych w przetworniku ciekłokrystalicznym metodą projekcyjną... 40 5. Układy pomiarowe i elementy technologii wykonania przetwornika... 40 5.1. Układ do pomiaru charakterystyk przetworników ciekłokrystalicznych... 40 3
5.2. Układ dwuwiązkowy... 41 5.3. Układ projekcyjny... 43 5.4. Przetworniki ciekłokrystaliczne stosowane w eksperymentach... 45 5.4.1. Elementy technologii wykonania przetwornika... 45 5.4.2. Wstępne obserwacje i pomiary własności wykonanego przetwornika... 46 6. Badania przetworników ciekłokrystalicznych w układzie dwuwiązkowym... 49 6.1. Obserwacje i wstępne testy przetwornika ciekłokrystalicznego... 49 6.2. Pomiar periodu zapisywanych siatek dyfrakcyjnych... 52 6.3. Pomiar wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych w zależności od wartości napięcia sterującego... 54 6.4. Wpływ zmiany anizotropii optycznej ciekłego kryształu na wydajność dyfrakcji.. 58 6.5. Wpływ zmiany składu chemicznego mieszanin ciekłokrystalicznych na wydajność dyfrakcji... 60 6.6. Wpływ zmiany temperatury na parametr uporządkowania ciekłego kryształu i wydajność dyfrakcji... 63 6.7. Wpływ ustawienia przetwornika na wydajność dyfrakcji...66 6.8. Wpływ koncentracji barwnika na wydajność dyfrakcji... 68 7. Warstwy orientujące i oraz ich wpływ na wydajność dyfrakcji... 70 7.1. Zależności kierunku ułożenia warstw orientujących w stosunku do polaryzacji wiązek zapisujących i odczytujących... 70 7.2. Badania właściwości przetworników ciekłokrystalicznych z różnymi warstwami orientującymi... 73 8. Właściwości dynamiczne przetworników ciekłokrystalicznych... 78 8.1. Dynamika zapisu holograficznego przy sterowaniu przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem zmiennym... 78 8.2. Badania właściwości dynamicznych przetworników ciekłokrystalicznych przy modulacji wiązek zapisujących hologram... 87 9. Eksperymenty w układzie projekcyjnym... 92 9.1. Zapis prostych siatek dyfrakcyjnych... 92 9.2. Obserwacje hologramów prostch obiektów... 93 10. Podsumowanie... 97 11. Literatura... 99 12. Przypisy... 108 4
1. Wstęp Od odkrycia specyficznego stanu materii, jakim są ciekłe kryształy minęły dziesięciolecia. Ciekłe kryształy kojarzone są obecnie głównie z wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi [1]. Specyficzne właściwości elektrooptyczne ciekłych kryształów badane są przez wiele ośrodków na świecie. Reorientacja molekuł i związana z nią zmiana anizotropii optycznej pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, pozwoliły na rozwijanie technologii produkcji zarówno wyświetlaczy ciekłokrystalicznych jak i innych urządzeń elektrooptycznych [2,3,4]. Wraz z rozwojem mikroelektroniki buduje się wyświetlacze o coraz lepszych parametrach takich jak: rozdzielczość, kontrast, pełna gama barw. Ciekłe kryształy są także materiałem powszechnie stosowanym w budowie matryc wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, w których każdy piksel jest sterowany oddzielnym tranzystorem (TFT Thin Film Transistor). Coraz szybciej rozwijająca się technika komputerowa, coraz większe wymagania stawiane przez społeczeństwo zinformatyzowane wymuszają poszukiwanie innych, bardziej wydajnych metod przetwarzania informacji. Przykładem takiego przetwarzania informacji może być przetwarzanie optyczno-optyczne. Pozostaje, zatem przeniesienie elementów transmisji i obróbki sygnałów na drogę optyczną [5]. W różnych ośrodkach na świecie są prowadzone prace dotyczące zastosowania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych jako przestrzennych modulatorów wiązki światła [6 9]. Stosowane w układach przetwarzania informacji klasyczne przetworniki ciekłokrystaliczne typu TFT, wnoszą w tor przetwarzania optycznego wiele niedogodności [10 12]. Do istotnych niedogodności można zaliczyć między innymi stosunkowo duży obszar powierzchni wyświetlacza zajmowany przez układy sterujące (ścieżki, elementy półprzewodnikowe). Duży, jak na planowane operacje optyczne rozmiar piksela, powoduje spadek rozdzielczości, co jest niezbyt korzystne w układach optycznego przetwarzania informacji [13]. Zaobserwowane podczas badań różnych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych właściwości fotorefrakcyjne ciekłych kryształów przyczyniły się do spopularyzowania tego materiału nie tylko w układach zobrazowania informacji, ale również w układach optycznego przetwarzania informacji [4,5]. Wykorzystanie właściwości fotorefrakcyjnych ciekłych kryształów daje możliwość zastąpienia matrycowego wyświetlacza ciekłokrystalicznego typu TFT monolityczną komórką adresowaną optycznie (OASLM - Opically Adressed Spatial Light Modulators). Adresowanie optyczne może wyeliminować niedogodności związane z układami 5
sterowania matrycy aktywnej, a tym samym zdecydowanie poprawić rozdzielczość uzykiwanych hologramów [14,15]. Nad materiałami mogącymi wykorzystywać metodę adresowania optycznego, która jest zagadnieniem skomplikowanym, pracuje wiele ośrodków na świecie. Jednym z rozwijanych obecnie kierunków badań w wielu ośrodkach naukowych na świecie wykorzystujących specyficzne właściwości ciekłych kryształów jest holografia dynamiczna [16 21]. Hologram pozwala na uzyskanie pełniejszej informacji o obiekcie. Dotychczas intensywnie stosowane w holografii materiały to głównie kryształy stałe i polimery fotorefrakcyjne. Zapisy holograficzne wykorzystywane są również w układach optycznego przetwarzania informacji. Podstawą działania optycznych systemów przetwarzania i wizualizacji informacji wykorzystujących holografię są materiały umożliwiające szybki zapis i wymazywanie z nich informacji niesionej drogą optyczną. Spośród wielu materiałów, przetworniki ciekłokrystaliczne wykazujące własności fotorefrakcyjne wydają się uzyskiwać interesujące pod tym względem parametry aplikacyjne [22 25]. Uzyskiwane zapisy holograficzne w kryształach stałych przy obecnym poziomie rozwiązań technicznych wydają się być nie w pełni satysfakcjonujące. Problemem pozostaje konieczność stosunkowo długiego czasu ekspozycji i dużej mocy wiązki zapisującej hologram. W zastosowaniach holograficznych powszechnie znane są materiały, w których hologram można zapisać jednokrotnie bez możliwości jego powtórnego użycia. Wciąż jednak trwają prace nad materiałami, w których można zapisywać hologramy w jak najkrótszym czasie i przy zastosowaniu wiązek światła o małych natężeniach. Pożądane byłoby aby taki materiał pozwalał na wielokrotny zapis (i kasowanie) hologramów. Zapis taki jest między innymi możliwy w materiałach posiadających właściwości fotorefrakcyjne. Przykładem materiałów posiadających takie właściwości, są ciekłe kryształy. Przetworniki fotorefrakcyjne jak i metoda zapisu hologramów dynamicznych umożliwiłyby realizację zobrazowań trójwymiarowych, budowę małych zawansowanych projektorów holograficznych, optyczne przetwarzanie obrazów, budowę korektorów. Realizacja zapisów holograficznych wymaga zatem przeanalizowania właściwości fotorefrakcyjnych przetworników ciekłokrystalicznych. Interesujące jest zaproponowanie układów wykorzystujących fotorefrakcyjne przetworniki ciekłokrystaliczne spełniające wymagania zapisu i odczytu hologramów w czasie rzeczywistym. Układy optycznego przetwarzania informacji wymagają określenia i oceny właściwości przetworników 6
ciekłokrystalicznych, czyli konstrukcji przetwornika i zastosowanego materiału ciekłokrystalicznego. W dotychczasowych pracach prowadzonych na świecie zajmowano się głównie realizacją zapisów holograficznych z wykorzystaniem matrycowych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych typu TFT [12,13]. Prace dotyczące zmian zachodzących w przetworniku ciekłokrystalicznym wykazującym właściwości fotorefrakcyjne ograniczały się do układów zawierających przetworniki z dodatkiem np. barwnika uczulającego przetwornik na światło jak pokazał to w swoich pracach Janossy i inni [14,22]. Badanie właściwości fotorefrakcyjnych czystych ciekłych kryształów ograniczały się głównie do poznania istoty zjawiska fotorefrakcji [15,20]. Jak się okazało zjawisko fotorefrakcji w takich materiałach jest zagadnieniem złożonym. Próby teoretycznej interpretacji zjawiska podjęte przez Zhanga i Montemezzaniego pozwalają wstępnie zinterpretować dynamiczne procesy zachodzące w ciekłym krysztale [26]. Przykładem zastosowania fotorefrakcyjnych ciekłych kryształów może być holografia. Nad zapisem hologramów w przetwornikach zawierających fotorefrakcyjne ciekłe kryształy oraz analizą właściwości takich przetworników pracowali miedzy innymi Miniewicz i Bartkiewicz [23, 27]. Przedstawione przez nich rezultaty badań warto byłoby uzupełnić badaniami przetworników zawierających ciekłe kryształy posiadające większą czułość, dużą anizotropię optyczną i inne właściwości. Interesujące wydaje się zbadanie wpływu poszczególnych elementów składowych budowy przetwornika ciekłokrystalicznego na wydajność dyfrakcji i inne parametry aplikacyjne, a także przeanalizowanie właściwości hologramów zapisywanych w przetwornikach ciekłokrystalicznych np. metodą projekcyjną [13,24]. Projekcja siatek dyfrakcyjnych na przetwornik ciekłokrystaliczny może znaleźć zastosowanie jako nowa metoda zapisu hologramów dynamicznych. 7
1.1. Cel pracy Optyczne przetwarzanie informacji jest obecnie jednym z intensywnie badanych zagadnień w dziedzinie optyki. W optycznym przetwarzaniu i obróbce informacji znajdują zastosowanie różnego rodzaju materiały fotorefrakcyjne wykorzystywane na przetworniki. Ciekłe kryształy posiadają unikalne pod względem optycznym właściwości dotychczas niezbyt dostatecznie zbadane. W ostatnich latach pojawiły się nieliczne prace opisujące procesy fotorefeakcyjne w ciekłych kryształach. Wykorzystując dane literaturowe można wykazać, że materiały ciekłokrystaliczne o właściwościach fotorefrakcyjnych mogą znaleźć zastosowane w zapisach holograficznych. Jak wspomniano w pracach [23, 27] właściwości fotorefrakcyjne przetwornika ciekłokrystalicznego zależą nie tylko od właściwości ciekłego kryształu, ale również od konstrukcji samego przetwornika. O parametrach przetwornika w znacznym stopniu decyduje anizotropia optyczna. W ostatnich latach zsyntezowano w WAT nematyczne ciekłe kryształy o unikalnych w skali światowej wartościach anizotropii współczynników załamania zawierających się w wartościach n = 0,35 0,6. Ich właściwości fotorefrakcyjne i możliwości zastosowań nie zostały dotychczas zbadane. Postanowiono zbadać właściwości fotorefrakcyjne przetworników ciekłokrystalicznych wykorzystujących wyżej wymienione ciekłe kryształy oraz sprawdzić ich zachowanie się w układzie dwuwiązkowym i projekcyjnym [13]. Należy zaznaczyć, że przed rozpoczęciem pracy w dostępnej literaturze nie spotkano dotychczas takiego sposobu zapisu hologramów dynamicznych. Cel pracy postanowiono zrealizować poprzez wykonanie następujących czterech zadań: 1. Zbadanie właściwości fotorefrakcyjnych przetworników zawierających domieszkowane i niedomieszkowane nematyczne ciekłe kryształy o dużej anizotropii optycznej i przeanalizowania możliwości ich zastosowania w holografii. 2. Przeanalizowanie wpływu różnych elementów konstrukcyjnych przetwornika na jakość zapisywanych w nim obrazów prążkowych oraz ich odtwarzanie. 3. Zaproponowanie sposobów i metod prowadzących do poprawy jakości zapisu hologramów dynamicznych w różnego rodzaju przetwornikach ciekłokrystalicznych. 4. Dokonanie oceny właściwości aplikacyjnych badanych przetworników ciekłokrystalicznych w układzie dwuwiązkowym i projekcyjnym. 8
2. Ciekłe kryształy 2.1. Charakterystyka ciekłych kryształów Rozróżnia się trzy, powszechnie znane stany skupienia materii, do których istnienia przyzwyczailiśmy się i które prawie każdy z nas jest w stanie rozpoznać i zdefiniować. Są to: ciało stałe, ciecz i gaz. Obecnie znanych jest 6 stanów skupienia oprócz tych powszechnie znanych. Przykładem są stany ciekłokrystaliczne, które powstają w wyniku stłoczenia powłok elektronowych do jąder atomowych. Ciała stałe mogą występować w postaci krystalicznej i amorficznej. Wiadomo, iż ciała krystaliczne charakteryzuje trójwymiarowe uporządkowanie dalekiego zasięgu. Wiadomo również, że kiedy taki kryształ jest ogrzewany, to w pewnej temperaturze nazywanej temperaturą topnienia zachodzi przemiana fazowa; ulegają oswobodzeniu zarówno ruchy translacyjne, jak i rotacyjne molekuł. Kryształ przechodzi wówczas w izotropową ciecz [28]. Molekuły cieczy nie wykazują już uporządkowania dalekiego zasięgu, mogą się swobodnie przesuwać i obracać względem siebie. Istnieją jednak w przyrodzie substancje, które nie podlegają takiemu prostemu schematowi przemian. Pomiędzy krystalicznym ciałem stałym a izotropową cieczą występuje w nich faza pośrednia stan ciekłokrystaliczny, która cechuje się płynnością (rys. 2.1), podobnie jak ciecze izotropowe, i anizotropią własności fizycznych, jaką obserwuje się w krystalicznych ciałach stałych o uporządkowanym ułożeniu molekuł. Rys. 2.1. Sekwencje stanów skupienia materii w funkcji temperatury. 9
Właśnie tego rodzaju fazy nazwano mezofazami (od greckiego słowa mezos pośredni), substancjami mezomorficznymi, fazami ciekłokrystalicznymi lub stanem ciekłokrystalicznym [4]. Ciekłe kryształy dzielą się na liotropowe i termotropowe. Przedmiotem zainteresowania niniejszej pracy ciekłe kryształy termotropowe. Ciekłe kryształy można podzielić dodatkowo ze względu na sposób uporządkowania molekuł na 3 grupy: nematyki, smektyki oraz nematyki cholesteryczne. Najmniejszym stopniem uporządkowania charakteryzują się nematyki. Molekuły mogą się przemieszczać w objętości ciekłego kryształu we wszystkich kierunkach. Ruchy te są dozwolone we wszystkich 3 osiach. Nematyk zachowuje jednak równoległość długich osi molekuł względem siebie. Zupełnie odmiennie zachowują się smektyki. Charakteryzują się one tym, iż długie osie molekuł ułożone są w jednym kierunku, a dodatkowo molekuły znajdują się w warstwach ograniczających ich swobodę ruchu. Trzecim rodzajem są ciekłe kryształy cholesteryczne. Podobnie jak smektyki ich molekuły są ułożone w warstwach jednak warstwy między sobą są lekko skręcone. Najczęściej stosowanym słowem w opisie własności ciekłych kryształów jest anizotropia zależność makroskopowych własności fizycznych (elektrycznych, magnetycznych, mechanicznych, optycznych) ciał stałych (kryształów) i ciekłych kryształów od kierunku [28]. Zmiana orientacji cząsteczek w warstwie ciekłokrystalicznej może nastąpić pod wpływem: - oddziaływań przypowierzchniowych - pola elektrycznego - pola magnetycznego. Opanowanie produkcji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych pozwoliło spojrzeć na ciekły kryształ nie tylko jako element wyświetlacza, ale również (przez wzgląd na jego specyficzne właściwości) jako materiał umożliwiający budowę przetworników adresowanych optycznie [3,4,29]. Interesującym zagadnieniem wydaje się być realizacja zobrazowań holograficznych z zastosowaniem przetworników ciekłokrystalicznych. Objaśnienie zasad działania układu bazującego na rekonstrukcji obrazów holograficznych magazynowanych w pamięci komputera sterującego matrycą TFT, zostało podjęte m.in. w pracy [13]. Autorzy wyjaśniają zalety oraz wady układu, w którym do zapisu siatek w przetworniku ciekłokrystalicznym wykorzystuje się zewnętrzne pole elektryczne. Mimo 10
dość zadowalających rezultatów, pewne wady układu (rozdzielczość, współczynnik wypełnienia) sugerują, że zapis siatek dyfrakcyjnych metodami optycznymi byłby bardziej korzystny. Wiele ośrodków naukowych na świecie zajmuje się badaniem przetworników ciekłokrystalicznych z czystym i domieszkowanym ciekłym kryształem [13,30 34]. Domieszkowanie ciekłych kryształów ma na celu m.in. zwiększenie ich czułości na światło. Realizacja czułych na światło przetworników ciekłokrystalicznych pozwoli na opracowanie np. holograficznych układów projekcyjnych bazujących na optycznej metodzie zapisu hologramów. 2.2. Właściwości elektryczne ciekłych kryształów Ciekłe kryształy charakteryzują się anizotropią przenikalności elektrycznej ε. W ośrodku anizotropowym ε definiowana jest jako tensor: [2.1] gdzie ε i ε II są przenikalnościami zmierzonymi w kierunku prostopadłym i równoległym (zazwyczaj do długiej osi optycznej). Ze względu na sposób oddziaływania molekuł z polem elektrycznym rozróznia się ciekłe kryształy o dodatniej i ujemnej anizotropii przenikalności elektrycznej ( ε = ε II - ε > 0 - dodatnia; ε < 0 ujemna). Drugą cechą mającą znaczenie przy rozpatrywaniu własności elektrycznych jest oporność właściwa. Przewodnictwo elektryczne w ciekłym krysztale wywołane jest głównie przez wzbudzone molekuły, zanieczyszczenia oraz elementy konstrukcyjne przetwornika ciekłokrystalicznego. Dlatego dąży się do otrzymywania ciekłych kryształów o jak największej oporności właściwej, najlepiej gdy jest ona większa od 10 10 Ω/cm 2. Przewodnictwo ciekłych kryształów posiada właściwości anizotropowe. W uporządkowanej warstwie ciekłokrystalicznej jony łatwiej przemieszczają się wzdłuż molekuł [29]. 11
2.3. Lepkość i stałe sprężystości Lepkość i stałe sprężystości ciekłego kryształu są ważnymi parametrami materiałowymi, które mają wpływ na dynamikę i pole krytyczne przełączeń, które również są własnościami anizotropowymi [28]. W ogólności w cieczach lepkość (tarcie wewnętrzne) polega na występowaniu w nich naprężeń zależnych od szybkości odkształcania i jest wynikiem działania sił międzymolekularnych w tych materiałach [29]. Przy odkształceniach postaciowych (płynięciu cieczy) następuje przesuwanie się wzajemne równoległych warstw, czemu towarzyszy pojawienie się naprężeń stycznych (ścinających). Charakteryzuje je współczynnik lepkości η l. Współczynnik lepkości η l definiuje się jako [28,29]: F l η l = [2.2] S V F gdzie - stosunek sił wzajemnego oddziaływania stycznego dwóch warstw cieczy S do pola ich powierzchni, je odległości. V - różnica prędkości tych elementów w stosunku do dzielącej l Rys. 2.2. Trzy możliwe podstawowe sprężyste deformacje orientacyjne i odpowiadające im stałe sprężystości K 11, K 22, K 33 ciekłego kryształu. Wzajemnemu przesuwaniu się sąsiednich warstw cieczy przeciwdziałają siły spójności. Ruchy takie są możliwe dzięki przemieszczaniu się molekuł z jednej warstwy do drugiej. 12
Lepkość jest wielkością anizotropową, tzn. w różnych kierunkach w stosunku do direktora nematycznego ciekłego kryształu współczynniki lepkości mają różne wartości. Dlatego do opisu nie wystarczy podanie tylko jednego współczynnika lepkości, nawet w przypadku przepływu niezaburzonego. Odkrycia anizotropii lepkości dokonał polski uczony Marian Mięsowicz, który w swojej pracy opublikowanej w 1935 roku przypisał nematycznym ciekłym kryształom trzy współczynniki charakteryzujące przepływ laminarny [29]. Jak wykazał Khoo, lepkość jest jednym z elementów wpływających na dynamikę odwzorowań holograficznych [3]. Ciekły kryształ charakteryzuje się również anizotropią stałych sprężystości. Stałe sprężystości są odpowiedzialne między innymi za własności dynamiczne przetwornika [29]. Stałe sprężystości możemy ogólnie określić jako oporność molekuł ciekłego kryształu na deformację. Rozróżnia się trzy rodzaje deformacji: wachlarzową (K 11 ), skręceniową (K 22 ) i zgięciową (K 33 ) (rys. 2.2) [35]. 2.4. Parametr uporządkowania W nematycznym ciekłym krysztale istnieje pewien kierunek uprzywilejowanego ułożenia molekuł (mieszaniny ciekłokrystalicznej jako medium) oznaczany przez direktor n. Direktor n reprezentuje tylko położenie orientacyjne długich osi molekuł i nic nie mówi o ich właściwościach, jak np. położeniu momentów dipolowych w molekułach czy obecności bocznych grup w ich strukturze. Charakter molekuł powoduje zwykle drobne odchylenia od kierunku uprzywilejowanego, a zdarzają się nawet przypadki, gdy molekuły ułożone są prostopadle. Parametr dalekiego orientacyjnego uporządkowania (miara liczbowa uporządkowania zdefiniowana przez Cwietkowa) definiowany jest jako [29]: S 1 = < 3cos 1 > 2 2 θ [2.3] gdzie θ - oznacza kąt zawarty pomiędzy długą osią danej molekuły i direktorem n. Uporządkowanie ciekłego kryształu decyduje również o właściwościach optycznych przetwornika, co jest istotne w zastosowaniach. 13
2.5. Przetworniki ciekłokrystaliczne, wykorzystywane materiały i ich parametry Obserwacje efektów zachodzących w ciekłych kryształach jak i również proces zapisywania siatek dyfrakcyjnych realizowany jest w komórce zbudowanej z płytek szklanych. Komórka umożliwia sterowanie znajdującym się wewnątrz ciekłym kryształem. Szkło posiada bardzo wiele zalet takich jak: sztywność, gładkość, obojętność chemiczna oraz elektryczna. Do budowy przetworników stosuje się szkło typu float z przeźroczystymi elektrodami o oporności około 20-200 Ω/cm 2 [2]. Materiałem z którego najczęściej wykonywane są elektrody jest In 2 O 3 (ITO Indium Thin Oxide). W zależności od wymogów (zastosowań) stosuje się szkło o grubościach od 0,5 do 1,5 mm. Szkło dodatkowo nie powinno wnosić zanieczyszczeń, ani wchodzić w reakcje z innymi materiałami, z których wykonany jest przetwornik (rys. 2.3). Ponieważ ciekły kryształ może wchodzić w reakcje z elektrodami (migracje zanieczyszczeń z elektrod do mieszaniny) stosuje się jeszcze warstwę izolującą (np. SiO 2 ). Rys. 2.3. Budowa przetwornika, 1) płytki szklane, 2) przeźroczyste elektrody, 3) warstwa orientująca, 4) przekładka dystansująco - klejąca, 5) ciekły kryształ, 6) polaryzator. W celu uzyskania odpowiedniej struktury molekuł ciekłego kryształu w przetworniku niezbędne jest zastosowanie warstw orientujących. Oddziaływanie warstw orientujących w przypadku przetwornika ciekłokrystalicznego polega na wymuszeniu określonego ułożenia molekuł ciekłego kryształu w stosunku do podłoża. Poprzez oddziaływania powierzchniowe możliwe jest uzyskanie zorientowanych warstw 14
nawet do grubości 100 µm. W ten sposób powstaje warstwa o jednorodnej strukturze. Interesującym jest fakt, iż kształtując odpowiednio powierzchnię stykającą się z ciekłym kryształem jesteśmy w stanie wymuszać różne ułożenie molekuł w stosunku do potrzeb. Warstwy orientujące (materiały organiczne i nieorganiczne poliimidy, SiO 2, TiO 2, polisilany) posiadają delikatny relief. Relief otrzymuje się poprzez odkształcanie warstwy procesami technologicznymi tak, by otrzymać ściśle określony wzór w postaci wgłębień (nacisk, pocieranie - procesy nazywane rubbingiem). Powstałe wgłębienia wymuszają odpowiednie ułożenie molekuł. Istnieje również możliwość stosowania dodatkowych warstw uczulających przetwornik ciekłokrystaliczny na światło. Materiały takie są zazwyczaj nanoszone jako jeszcze jedna dodatkowa warstwa znajdująca się wewnątrz, na ściany przetwornika. Takim materiałem używanym w materiałach był PVK - poliwinylokarbazol. 2.6. Własności elektrooptyczne ciekłych kryształów Własności elektrooptyczne przetworników ciekłokrystalicznych, najlepiej jest opisać na przykładzie powszechnie stosowanego efektu tzw. skręconego nematyka - TN (Twisted Nematic skręcony nematyk) [2]. Efekt ten zawdzięcza swoją nazwę wzajemnemu ułożeniu molekuł w warstwach, które są względem siebie obrócone o pewien kąt. Na skręcone ułożenie molekuł ciekłego kryształu mają wpływ dwie powierzchnie ograniczająco orientujące (rys. 2.4). Rys. 2.4. Schemat do tłumaczenia efektu skręconego tematyka; a) ułożenie molekuł wymuszone warstwami orientującymi, b) ułożenie molekuł po przyłożeniu zewnętrznego pola. 15
W celu uzyskania struktury prawo lub lewoskrętnej stosuje się domieszki optycznie czynne, które wymuszają jednokierunkowe skręcenie molekuł ciekłego kryształu. W efekcie skręconego nematyka stosowane są zazwyczaj ciekłe kryształy o dodatniej przenikalności elektrycznej ε > 0. Zewnętrzne pole elektryczne powoduje reorientację molekuł ciekłego kryształu i w rezultacie tego otrzymujemy orientację homeotropową. Aby przetwornik działał poprawnie jako wyświetlacz ciekłokrystaliczny wymagane jest spełnienie warunków Mogena dotyczących grubości komórki (fala świetlna zostanie skręcona o określony kąt) [27]: d n >> λ/4 [2.4] gdzie d oznacza grubość komórki, n = n e - n o, λ - długość fali światła. Sposób działania przetwornika typu skręconego tematyka został przedstawiony na rys. 2.5. a i b. Przy braku zewnętrznego pola molekuły ułożone są równolegle do warstw orientujących i skręcone o kąt 90 stopni. Nałożone na szkło polaryzatory są ułożone osiami optycznymi równolegle do kierunku warstw orientujących ciekły kryształ. Rys. 2.5. Zasada pracy przetwornika typu skręconego tematyka; a) przetwornik wyłączony, b) przetwornik włączony. Kierunek osi optycznej umieszczonych na zewnątrz polaryzatorów został zaznaczony na rysunku w postaci czarnych linii na powierzchniach ograniczających ciekły kryształ. W stanie wyłączonym (rys. 2.5. a) światło przechodząc przez polaryzator trafia na skręconą strukturę ciekłego kryształu. Skręcona warstwa TN powoduje obrót płaszczyzny polaryzacji wiązki światła. Po przejściu przez skręconą strukturę światło trafia na analizator. 16
Rys. 2.6. Statyczna charakterystyka elektrooptyczna przetwornika ciekłokrystalicznego; a) charakterystyka transmisji światła przez przetwornik T [%] w funkcji napięcia zasilającego U [V], b) zachowanie się molekuł ciekłego kryształu w objętości warstwy. Po włączeniu pola elektrycznego większego od progowego, molekuły przechodzą ze skręconego stanu ułożenia (rys. 2.5. a) w homeotropowy (ustawiają się równolegle do linii sił przyłożonego pola elektrycznego) i nie powodują już skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła (rys. 2.5. b). Światło trafiając na analizator zostaje pochłonięte. Z punktu widzenia zastosowań dużą rolę odgrywa charakterystyka przełączania (rys. 2.6). Od jej parametrów (stromości narastania) będzie zależało, do czego można zastosować przetwornik. W zastosowaniach praktycznych transmisja światła przez przetwornik może być odbierana jako zmiana stopnia zaciemnienia (stopnia szarości) przetwornika ciekłokrystalicznego. W przypadku niektórych zastosowań aplikacyjnych wykreśla się też charakterystykę dynamiczną (rys. 2.7). 17
Rys. 2.7. Dynamiczna charakterystyka elektrooptyczna przetwornika ciekłokrystalicznego. Charakterystyka dynamiczna przetwornika ciekłokrystalicznego jest obserwowana jako odpowiedź optyczna na prostokątny impuls elektryczny. Kształt charakterystyki pokazanej na rys. 2.7 obrazuje zmiany w orientacji ciekłego kryształu i jest zależny od właściwości ciekłego kryształu, grubości przetwornika i wielkości napięcia sterującego. Na podstawie charakterystyki dynamicznej można wyznaczyć czasy włączania i wyłączania przetwornika. 2.7. Właściwości optyczne ciekłych kryształów Ciekłe kryształy charakteryzują się anizotropią optyczną [16]. Anizotropia powoduje rozchodzenie się światła z różnymi prędkościami w zorientowanej warstwie ciekłego kryształu. Zjawisko anizotropii można omówić przedstawiając w sposób geometryczny jednopowłokową elipsoidę współczynników załamania, inaczej zwaną indykatrysą [33]. Równanie indykatrysy w układzie osi głównych (zgodnym z prawoskrętnym ortogonalnym układem osi krystalograficznych x,y,z jeśli materiał badany znajduje się w tzw. stanie naturalnym (rys. 2.8), tj. bez wpływu czynników zewnętrznych, np. elektrycznego pola modulującego) ma postać: 18
Rys. 2.8. Indykatrysa współczynników załamania elipsoida obrotowa. 1 2 1 2 1 2 x + y + z = 1 [2.5] 2 2 2 n1 n2 n3 gdzie: n 1, n 2, n 3 stanowią trzy główne współczynniki załamania materiału, równe półosiom indykatrysy. Ponieważ względne przenikalności magnetyczne ośrodków przeźroczystych dla zakresu widzialnego światła są równe jedności, więc główne współczynniki załamania tych ośrodków są związane z względnymi przenikalnościami elektrycznymi (stałymi dielektrycznymi) dla częstotliwości światła zależnościami [33]: n 2 opt i = ε i [2.6] Istnienie anizotropii elektrycznej może być obserwowane jako anizotropia optyczna. Dla kryształów (monokryształów) jednoosiowych, jak również dla nematycznych ciekłych kryształów, najczęściej stosowanych w modulatorach światła obowiązują związki [36]: różnica: n 1 = n 2 = n o n 3 = n e [2.7] n = n e - n o [2.8] jest nazywana dwójłomnością, a n - współczynnikiem załamania, n o współczynnik załamania fali zwyczajnej (łac. ordinarius) oraz n e współczynnik załamania fali nadzwyczajnej (łac. extraordinarius). Indykatrysa jest w tym przypadku elipsoidą obrotową [16, 26]. 19
W ośrodku takim, w ogólnym przypadku propagują się dwie ortogonalnie spolaryzowane fale świetlne (zwyczajna i nadzwyczajna) w założonym kierunku jednostkowego wektora falowego. Jeśli jednostkowy wektor falowy fali płaskiej wzbudzającej jest normalny do płaszczyzny kryształ-powietrze, wówczas obie wzbudzone fale mają wspólny jednostkowy wektor falowy, zgodny z jednostkowym wektorem fali wzbudzającej, natomiast kierunki promieni (kierunki wektorów Poyntinga) w ogólnym przypadku nie są zgodne kierunek promienia nadzwyczajnego odbiega od kierunku jednostkowego wektora fali nadzwyczajnej, gdy ten ostatni nie jest równoległy lub normalny do osi optycznej. Zjawisko to nazywamy naturalną dwójłomnością. 2.7.1 Optyczny efekt Freedericksza Ciekłe kryształy jak i inne materiały podlegają oddziaływaniu z falami elektromagnetycznymi. Światło jako fala elektromagnetyczna o określonej długości (od ultrafioletu do podczerwieni) oddziałuje z elektronami molekuł ciekłego kryształu podlegając procesowi absorpcji. Molekuła absorbując falę świetlną przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Po pewnym czasie następuje reemisja fotonu o innej energii i kierunku. Molekuły powracają do stanu podstawowego. Możliwy jest również proces oddziaływania fali elektromagnetycznej z ciekłym kryształem w procesie dynamicznym. Mówi się wtedy o wymianie energii, czyli o jednoczesnej absorpcji i emisji fotonu. Jest to proces natychmiastowy, jednak propagacja i energia nowopowstałego fotonu wyemitowanego może się różnić od fotonu padającego. Procesy zachodzące w objętości ciekłego kryształu nie są już tak oczywiste. Z punktu widzenia interesujących zastosowań najlepsze własności mają kryształy fotorefrakcyjne. Pod pojęciem optycznego efektu Freedericksza rozumie się reorientację dyrektora uporządkowanej warstwy ciekłego kryształu pod wpływem pola elektromagnetycznego fali świetlnej. Oddziaływania te wywołują zjawiska zwane nieliniowością orientacyjną. Właściwości nieliniowe ciekłych kryształów są zdeterminowane strukturą elektronową ich molekuł. Proces reorientacji molekuł wymuszony (wyidukowany) zewnętrznym polem elektromagnetycznym (o częstotliwościach z zakresu światła widzialnego) jest procesem złożonym. Definiuje się wynikającą z promieniowania optyczną gęstość momentu obrotowego dla ciekłego kryształu jako [32]: 20
gdzie: Γ opt = < P x E > = ε 0 (n 2 e - n 2 o) (n x e) (n e) E 0 2 [2.9] E wektor pola elektrycznego: E= 2 E 0 ecosωt n e nadzwyczajny współczynnik załamania światła n o zwyczajny współczynnik załamania światła e wektor jednostkowy kierunku polaryzacji światła P wzbudzona polaryzacja, wynikająca z osiowości nematycznego ciekłego kryształu: E wektor pola elektrycznego n direktor jednostkowy P = ε E + (ε - ε )(n E)n [2.10] ε 0 ε., ε stałe przenikalności elektrycznej, zmierzone prostopadle i równolegle do direktora n. Zewnętrzne pole optyczne dąży do reorientacji direktora n równolegle do własnego wektora polaryzacji [26]. Oddziaływanie molekuł ze ściankami jest o wiele silniejsze niż w przypadku wzajemnych oddziaływań międzymolekularnych. Oddziaływania międzymolekularne określają współczynniki elastyczności K 11 dla deformacji wachlarzowej) oraz zmiana przenikalności elektrycznej ε. Wzór na napięcie przełączania, będzie, więc wyglądał następująco: U p = Π ( K 11 / ε o ε ) 1/2 [2.11] Rys. 2.09. Zmiana orientacji molekuł ciekłego kryształu ze wzrostem natężenia fali świetlnej. 21
Parametrem określającym początek procesu reorientacji molekuł pod wpływem oświetlającej wiązki światła jest tzw. optyczny próg przejścia Freedericksza (rys. 2.09) [30]. Powstały moment obrotowy zmieniający położenie długich osi molekuł spowodowany zewnętrznym polem optycznym pozwala na kontrolowaną zmianę współczynnika załamania światła warstwy ciekłego kryształu. W niektórych zastosowaniach do ciekłych kryształów dodaje się barwników, mających za zadanie znacząco zwiększyć czułość (np. w zakresie promieniowania widzialnego) na zapis informacji za pomocą fali świetlnej. Rys. 2.10. Efekt gościa-gospodarza, a) absorpcja światła przez barwnik dichroiczny, b) brak absorpcji światła przez barwnik dichroiczny. Przetworniki ciekłokrystaliczne domieszkowane barwnikami dichroicznymi nazywane są przetwornikami typu gościa-gospodarza [31,32]. Reorientacji molekuł ciekłego kryształu wraz z barwnikiem można dokonywać polem elektrycznym lub falą świetlną. Zasadę funkcjonowania przetwornika ciekłokrystalicznego typu gościagospodarza, w którym reorientacja molekuł jest wywołana falą świetlną pokazano na rys. 2.10. Badanie struktur ciekłokrystalicznych typu gościa-gospodarza oddziałujących z falą świetlną rozpoczął w 1994 roku Janossy [32]. 22
2.7.2. Efekt Janossyego Zaobserwowano, iż dodanie do ciekłego kryształu niewielkiej ilości barwnika (od 0,5 do kilku %) może spowodować łatwiejszą reorientację molekuł przy takiej kompozycji przez falę świetlną. Okazało się, iż istnieje możliwość zmiany (zmniejszenia) wartości granicznego progu Freedericksza wraz z domieszkowaniem ciekłego kryształu barwnikiem. Badając to zjawisko, Janossy na podstawie rozważań teoretycznych zaproponował opis oddziaływań molekularnych wprowadzając nowy czynnik Γ opt uzależniony od stężenia dodanego do ciekłego kryształu barwnika [32]: Γ barwnika 2 = ε 0 ζ(n x e) (n e) E 0 [2.12] Równanie dla optycznego momentu obrotowego może być obecnie sprowadzone do postaci: Γ opt = ε 0 (ζ+ [n 2 e - n 2 2 o]) (n x e) (n e) E 0 [2.13] ζ - współczynnik proporcjonalny do koncentracji barwnika (zanika przy niedomieszkowanych materiałach) [32]. Wykorzystanie tego efektu otwiera nowe możliwości zastosowań przetworników w układach optycznego przetwarzania informacji. Przetwornik ciekłokrystaliczny staje się bardziej czuły na promieniowanie wraz ze wzrostem ilości barwnika. Rozważania Janossyego nie nakładały granicznych warunków na koncentrację domieszkowanego barwnika do ciekłego kryształu. Janossy twierdził, że efekt obniżenia optycznego progu Freedericksza jest zależny tylko od rodzaju barwnika, a nie od rodzaju ciekłego kryształu, który jest domieszkowany [14,31]. Obniżenie optycznego progu Freedericksza nie jest także związane ze zmianami własności parametrów: elastyczności K ii i przenikalności elektrycznej ε. Parametry te w stosunku do czystego ciekłego kryształu zmieniają się bardzo nieznacznie. 23
3. Własności fotorefrakcyjne kryształów 3.1. Zjawisko fotorefrakcji w kryształach Zjawisko fotorefrakcji, zostało pierwotnie zaobserwowane dla kryształów stałych. Można oczekiwać, iż procesy zachodzące w przetworniku ciekłokrystalicznym będą w pewnym przybliżeniu analogiczne do kryształów stałych. Pewna grupa kryształów ze względu na swe specyficzne interakcje ze światłem została wyszczególniona z grupy elektro-optycznych jako kryształy fotorefrakcyjne. Zmianę właściwości takiego materiału pod wpływem padającej na niego wiązki światła daje się obserwować jako modulację tej wiązki. Jako przykład można tu podać proces samoogniskowania się wiązki po przejściu przez kryształ posiadający własności fotorefrakcyjne. Generacja foto-prądów zależy od obecności odpowiednich domieszek w czystych kryształach nie obserwuje się absorpcji promieniowania [29]. Elektrony lub dziury wygenerowane przez odpowiednio dopasowaną długość fali są w procesie migracji przemieszczane pozostawiając dodatnio bądź ujemnie zjonizowane centra pułapkowe [29]. W wyniku przemieszczania się ładunków powstaje pole przestrzenne, które powoduje powstanie efektu analogicznego do efektu elektro-optycznego. Zanik fali świetlnej powoduje powrót kryształu do stanu pierwotnego [3,4,12,29]. Przemieszczanie się fotopobudzonych ładunków może być efektem trzech różnych mechanizmów: dyfuzji, dryfu (gdy dodatkowo mamy do czynienia z zewnętrznym polem elektrycznym) oraz efektem fotowoltaicznym. Analizując zapis siatki dyfrakcyjnej w materiale fotorefrakcyjnym, można proces ten podzielić z punktu widzenia rozpływu ładunków w materiale. Natężenie światła I powoduje wzbudzenie nośników zjonizowanych donorów i elektronów proces dyfuzji. Dyfuzja elektronów powoduje to, iż ich przestrzenna koncentracja zmniejsza się w porównaniu do przestrzennej koncentracji donorów. Ta właśnie różnica jest powodem powstania przepływu ładunku przestrzennego modulowanego w fazie z intensywnością oświetlenia. Między miejscami oświetlonymi, a nieoświetlonymi powoduje różnicę potencjałów a tym samym wytworzenie pola. Wytworzone w ten sposób pole jest zmodulowane analogicznie jak budujące je pole świetlne, jednak przesunięte o Π/2 (rys. 3.2). Przesunięcie nośników ładunków może także zachodzić na skutek przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego - dryf. 24
Rys. 3.2. Schemat tworzenia sinusoidalnej siatki fazowej w krysztale fotorefrakcyjnym [11]. I modulacja intensywności, n e transport ładunku, Q - rozkład ładunku, E S pole nieskompensowanego ładunku przestrzennego (siatka współczynnika załamania). Przesunięcie siatek natężenia światła i pola elektrycznego ładunku przestrzennego w tym przypadku zależy od pola zewnętrznego. Aby osiągnąć przesunięcie o Π/2, dla większości znanych materiałów, niezbędne jest stosowanie pól rzędu 100 [mw/m 2 ]. W materiałach pozbawionych środka symetrii obserwowalny jest efekt fotowoltaiczny. Tak jak w przypadku dryfu nośniki mogą ulec przesunięciu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, jednak teraz preferowany jest określony kierunek ruchu, a także występuje anizotropowe pułapkowanie. Dyfuzja, dryf i efekt fotowoltaiczny wytwarzają pole elektryczne ładunku przestrzennego. Pole to poprzez efekt elektrooptyczny może modulować współczynnik załamania światła [4,9]. Podobnego typu zjawiska ftorefrakcyjne jak opisane powyżej, można spotkać w ciekłych kryształach [26]. 25
3.2. Zapis siatek dyfrakcyjnych powstających w wyniku fotorefrakcji w przetwornikach ciekłokrystalicznych 3.2.1. Warunki zapisu siatek dyfrakcyjnych Na rys. 3.1, pokazano cztery możliwe konfiguracje opisujące kierunek ułożenia direktora warstwy nematycznego ciekłego kryształu w stosunku do zewnętrznych pól sterujących (elektrycznego E 0 oraz magnetycznego H 0 oraz fali świetlnej) [26]. Rys. 3.1 Możliwe konfiguracje ułożenia warstw nematycznego ciekłego kryształu w stosunku do zewnętrznych pól sterujących, a,b) ułożenie homoetropowe, c,d) ułożenie homogeniczne [26]. E sc oznacza wyidukowane wewnętrzne pole elektryczne wywołane zmianą rozkładu ładunku; q oznacza wektor zapisywanej siatki; δn jest wielkością lokalnego zaburzenia molekuł ciekłego kryształu. W późniejszym etapie prac składowa H 0 nie będzie brana pod 26
uwagę i jest tutaj wymieniona przez wzgląd na cytowane rozważania teoretyczne (rozdz. 3.2.3). Wynika to z faktu, iż wkład składowej H 0 jest pomijalnie mały. Przypadki a) oraz b) opisują przypadek warstwy ciekłego kryształu o ułożeniu homoetropowym i polu elektrycznym E 0 skierowanym równolegle do kierunku direktora (H 0 prostopadle a) i równolegle b)). Rysunki c) i d) opisują ułożenie homogeniczne warstwy ciekłego kryształu, E 0 i H 0 są skierowane prostopadle do kierunku direktora prostopadle rys. c) bądź H 0 jest skierowane równolegle do kierunku direktora rys. d). Pokazany na rysunkach kąt α jest to kąt jaki tworzą między sobą padające na przetwornik ciekłokrystaliczny wiązki promieniowania I 1 i I 2 ; β oznacza kąt jaki tworzy powierzchnia przetwornika z padającymi na nią wiązkami promieniowania zapisującego I 1 i I 2 ; θ oznacza wyidukowaną w wyniku oświetlenia zmianę kąta direktora warstwy ciekłego kryształu. W pracy badano przypadek, w którym molekuły ciekłego kryształu w przetworniku ciekłokrystalicznym były wstępnie ułożone homogenicznie, a następnie polem elektrycznym reorientowanie do stanu homoetropowego. Wiązki światła zapisujące siatkę dyfrakcyjną powodowały w wyniku zjawiska fotorefrakcji odchylenie direktora ciekłego kryształu od ułożenia homoetropowego wysterowania o kąt θ. 3.2.2. Zmiana rozkładu ładunku wewnętrznego w materiale fotorefrakcyjnym wywołany falą świetlną Oświetlenie przetwornika zawierającego nematyczny ciekły kryształ światłem koherentnym spowoduje wygenerowanie w obrębie przetwornika prądów ( tzw. prądów fotoindukowanych) Prądy te podlegają procesom dyfuzji i dryfu w objętości przetwornika zawierającego ciekły kryształ pod wpływem przyłożonego zewnętrznie pola elektrycznego. Dla przypadków zaprezentowanych na rys. 3.1 równania, opisujące fotoindukowane prądy w stanie ustalonym mogą być rozpisane jako [26,34,37]: sl(r) - γ + n + n - - e 1 J + = 0 [3.1a] sl(r) - γ + n + n - + e 1 J - = 0 [3.1b] 27
J + = eµ + n + E - µ + k B T n + [3.1c] J - = eµ - n - E + µ - k B T n - [3.1d] J x = 0 [3.1e] ε ε 0 E = e (n + - n - ) [3.1f] gdzie n + oraz n - oznaczają gęstości dodatnie i ujemne ładunków w ciekłym krysztale, J + oraz J - i µ + ( µ - ) oznaczają gęstości prądów, J x oznacza ogólną gęstość prądu wzdłuż osi x; s jest stałą opisującą składową generacji fotoindukowanego prądu, γ oznacza współczynnik procesu rekombinacji w układzie; h B stała Boltzmanna; T oznacza temperaturę absolutną, ε anizotropia przenikalności elektrycznej, E oznacza pole elektryczne a I intensywność padającego światła. Wpływ zewnętrznego pola magnetycznego pominięto ze względu na jego minimalny wkład w propagacje prądów w ciekłym krysztale oraz anizotropię w przepływie prądów µ + i µ -. Pominięto również prąd ciemny związany z anizotropia przenikalności elektrycznej ε zauważając, iż prąd ciemny będzie posiadał znikomą wartość w stosunku do wygenerowanej wiązkami oświetlającymi zmiany. Założono również, iż warstwa ciekłego kryształu jest oświetlana wiązką promieniowania zmodulowaną sinusoidalnie: I (r) = I 0 (1 + m Re (exp ( i q r))) [3.2] Gdzie q = 2Π/Λ; Λ oznacza period siatki, m oznacza głębokość modulacji. Dla małych głębokości modulacji (m<1), równania dla n + i n oraz E mogą być rozpisane jako [26]: n + = n - = + n 0 + Re ( n 0 + Re ( + n 1 exp (i q r)) n 1 exp (i q r)) E = E 0 + Re (E sc exp (i q r)) [3.3a] [3.3b] [3.3c] 28
3.2.3. Efekt reorientacji molekuł ciekłego kryształu wywołane procesami fotorefrakcyjnymi Równania opisujące efekt reorientacji w nematycznym ciekłym krysztale mogą być otrzymane poprzez minimalizację energii swobodnej ciekłego kryształu. Gęstość energii swobodnej może zostać wyrażona jako [32]: F = K {[ n] 2 2 + [ n] 2 µ 0 χ 2 ε ε [ H n] K K 0 [ ] 2 n } E [3.4] gdzie K oznacza uśrednioną stałą elastyczności, χ podatność, a jest n wektorem kierunku (direktorem). Dla przypadków przedstawionych na rys. 3.1 można wyprowadzić na podstawie obliczeń oraz równań opisujących stan stabilny czynniki U F0 oraz H F0 zdefiniowane jako: U F0 = E F0 d = π K ε ε 0 π oraz H F0 = d K µ χ 0 [3.5] Czynniki U F0 oraz H F0 są równe progowi Freedericksza dla odpowiedniej wartości pola elektrycznego i magnetycznego w przypadku braku obecności innych pól [32]. d w tym przypadku oznacza grubość przetwornika. Przez κ oznaczono zsumowane natężenie zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego i elektrycznego. Krytyczną sytuacją dla κ =1 jest próg przejścia Freedericksza. W zapisie siatek dyfrakcyjnych, interesujący jest przypadek, w którym będziemy operowali zewnętrznymi polami sterującymi o wartościach mniejszych od progu przejścia Freedericksza a to będzie oznaczało, iż κ << 1. Stosując się do tego założenia oraz warunków brzegowych (x,0) = θ (x,d) = 0 możemy zapisać [34]: π θ ( x, z) = Re{ g( z)exp( i( q r + ))} [3.6] 2 gdzie: θ [x,z] oznacza kąt obrotu direktora n, a g(z) spełnia równanie różniczkowe: 2 g( z) g( z) π 2 ε 0 ε + 2iq + ( κ ) ( ) ± 0 cos β = 2 z q g z r 2 E E F E pho z z d K 0 [3.7] gdzie: E pho = m (D + - D - ) E D /2 (D + - D - ) jest amplitudą fotoindukowanego pola przestrzennego w sytuacji braku jakichkolwiek zewnętrznych pól elektrycznych. D + i D - są współczynnikami dyfuzji dla prądów dodatnich i ujemnych [26]. 29
3.3. Wydajność dyfrakcji i rozdzielczość zapisu holograficznego Wydajność dyfrakcji η definiuje się w jako stosunek intensywności światła ugiętego na siatce dyfrakcyjnej do intensywności światła padającego na siatkę [23] I η = [3.8] gdzie: I intensywność światła ugiętego na siatce dyfrakcyjnej, I 0 intensywność światła padającego na siatkę. Wydajność dyfrakcji jest parametrem opisującym właściwości materiałów fotorefrakcyjnych. Wartość wydajności dyfrakcji η określa w pewnym sensie podatność materiału na oddziaływanie z falą świetlną, a tym samym pośrednio może świadczyć o jakości siatki dyfrakcyjnej powstającej w materiale fotorefrakcyjnym. W praktyce korzysta się z reguły z do zsumowania intensywności pierwszych rzędów dyfrakcji I +1 oraz I -1. Uogólnienie to może być zapisane: I 0 I 0 + 1 + 1 η = [3.9] I gdzie: I +1, I -1 intensywność światła ugiętego na siatce dyfrakcyjnej w pierwszych rzędach, I 0 intensywność światła padającego na siatkę. Innym istotnym parametrem charakteryzującym właściwości materiału, w którym zapisuje się siatki dyfrakcyjne jest rozdzielczość. Rozdzielczość definiuje się jako stosunek ilości linii (prążków) siatki dyfrakcyjnej zapisanych na odległości 1 mm materiału [38] I N R = [3.10] d gdzie: N ilość linii, d odległość. Powszechnie stosowane w holografii materiały pozwalają zapisywać hologramy z rozdzielczością rzędu 3000 linii na milimetr. Istotne jest by materiał, pozwalał na zaspis siatki dyfrakcyjnej o jak największej rozdzielczości. Umożliwiłoby to uzyskiwanie hologramów bardzo wiernie odwzorowywujących obiekty lub pamięci holograficznych o bardzo dużym stopniu upakowania informacji. 30
4. Zapisy holograficzne 4.1. Zapis hologramu klasycznego Zapis holograficzny bazuje na zjawisku interferencji fal świetlnych [37]. Obiekt oświetlony światłem koherentnym modyfikuje falę oświetlającą stosownie do cech własnych (struktury przestrzennej, oraz rozkładu intensywności). Jeśli fala taka ulegnie interferencji z falą niezaburzoną (nie-niosącą informacji), powstanie pole interferencyjne, które następnie zostaje utrwalone na materiale światłoczułym, jakim jest klisza holograficzna lub komórka z mieszaniną ciekłokrystaliczną [17,24,38]. Spójna wiązka światła (np. wiązka promieniowania laserowego) jest odpowiednio rozszerzona za pomocą kolimatora soczewkowego S1+S2 (rys 4.1). W jedną połowę rozszerzonej wiązki wstawiony jest holografowany przedmiot P a w drugą klin K. Zadaniem klina jest odchylenie części promieni laserowych i skierowanie ich do przecięcia się z promieniami przechodzącymi (bądź odbitymi) przez przedmiot. Promienie WO przechodzące przez klin nie są zaburzane i stanowią wiązkę odniesienia, natomiast promienie WP, na których drodze stoi holografowany przedmiot noszą nazwę wiązki przedmiotowej [17]. W miejscu przecinania się obydwu wiązek powstają prążki interferencyjne, które są rejestrowane na płycie holograficznej PF. Gdyby z wiązki przedmiotowej został usunięty przedmiot P to wspomniane prążki interferencyjne miałyby kształt równoległych linii, na przemian ciemnych i jasnych (rys. 4.1). Rys. 4.1. Schemat układu do zapisu hologramu. 31
Jasne prążki powstają w wyniku interferencji konstruktywnej i przypadają w tych miejscach, gdzie różnica dróg optycznych pomiędzy spotykającymi się promieniami wiązki WP i odniesienia WO równa się całkowitej wielokrotności długości fali λ użytego światła laserowego. Ciemne prążki powstają natomiast w wyniku interferencji destruktywnej i przypadają w tych miejscach, gdzie różnica dróg optycznych równa się nieparzystej wielokrotności λ/2. Otrzymany zapis z zarejestrowanymi prążkami interferencyjnymi stanowi hologram H, z którego odtwarza się obraz przedmiotu P. Rekonstrukcja obrazu polega, w najprostszym przypadku, na umieszczeniu hologramu w takiej samej wiązce światła (WO) jaka została użyta do jego zapisu. Obraz holograficzny powstaje w wyniku dyfrakcji światła na strukturze prążkowej hologramu, który działa jak siatka dyfrakcyjna. Rozpatrzmy, zatem oddziaływanie dwóch fal elektromagnetycznych A i B (rys. 4.2) o wektorach falowych k A, k B, amplitudach pola A A, A B, intensywnościach I A, I B. Dwie fale przecinające się w materiale pod kątem θ budują siatkę interferencyjną, której wektor falowy q dany jest wzorem: q = ± (k A - k B ) [4.1] Period siatki Λ określa się jako: gdzie Q jest modułem wektora q. Λ = 2Π [4.2] Q Period siatki może być także zapisany jako funkcja kąta padania θ [37]: λ Λ = n sin 2 θ 2 [4.3] Dla małych kątów θ (θ << 1) gdzie grubość siatki jest porównywalna z długością fali otrzymujemy parametr (rys. 4.2): Λ = λ n θ [4.4] 32
gdzie zaistniały warunek jest nazywany reżimem Raman a-nath a dla siatek cienkich. Najmniejszy period siatki otrzymujemy przy falach padających pod kątem 180 stopni: Λ = λ 2 n [4.5] Używając światła widzialnego i materiału o wysokim współczynniku załamania światła period siatki może być mniejszy niż 100 [nm]. Przyjmijmy układ współrzędnych tak by płaszczyzna xz zawierała wektory k A, k B, oraz by oś x zawierała wektor q. Zwrot osi y wynika z reguły prawoskrętnej. W takiej konfiguracji wektory k A, k B, q przyjmują postać: k A,B = z 0 k z ± x 0 k x [4.6] q = ± z 0 q = ± x 0 2 k z [4.7] gdzie x o, z 0 oznaczają wersory. Amplituda pola elektrycznego dla obszaru interferencyjnego może być zapisana jako: A = A A e +ikx + A B e -ikx [4.8] wtedy czasowa zależność pola elektrycznego dana jest jako: E(r, t) = (A /2) (e ikz - ωt) ) + f.s. [4.9] Symbol f.s oznacza funkcję sprzężoną. Intensywność światła wynosi: 2 2 I = 1 ε 1 0c( A A ) = ε 2 2 0c( AA + 2AA AB * cos 2kxx + AB ) = I A + 2 I cos 2kxx + I B [4.10] gdzie: jest modulacją intensywności. I = 1 ε 2 0 ca A A B [4.11] 33
Rys. 4.2. Schemat pokazujący powstałą siatkę dyfrakcyjną w objętości przetwornika. W wielu materiałach (np. anizotropowych) siatki interferencyjne mogą być tworzone przy różnych konfiguracjach polaryzacji fal padających. Dwa przypadki konfiguracji polaryzacji wiązek tworzących siatkę przedstawia rysunek 4.3. Rys. 4.3. Różne konfiguracje polaryzacji wiązek tworzących siatki dyfrakcyjne, a) przypadek układu polaryzacji wiązek typu S, b) przypadek układu polaryzacji wiązek typu P. 34
4.2. Warunki określające poprawność zapisu hologramu Poprawność zapisu hologramu na nośniku światłoczułym zdeterminowana jest przez następujące kryteria: 1. Kryterium zachowania warunków koniecznych dla zjawiska interferencji, tj. zachowanie spójności czasowej i przestrzennej źródła (koherencja, równość dróg optycznych), zachowanie zgodności polaryzacji wiązek odniesienia i przedmiotowej. 2. 1 t >>, gdzie ν oznacza różnicę częstości drgań fali świetlnej, t - czas naświetlania ν - konieczność stosowania źródeł światła o najwyższych stabilnościach częstotliwości (w praktyce stosuje się zwykle jedno źródło). 3. ϕ = const, gdzie ϕ 1 - ϕ 2 oznacza różnicę faz w obu gałęziach układu. 1 ϕ 2 Determinacja niezmienności pola interferencyjnego w czasie całkowania przez medium rejestrujące (brak wpływu czynników zewnętrznych powodujących zmiany położeń prążków interferencyjnych). 4. Kryterium optymalnego wykorzystania własności materiału światłoczułego, tj. parametry zapisu muszą być tak dobrane, by rozkład intensywności pola interferencyjnego reprezentowany był przez liniowy odcinek charakterystyki materiału z maksymalnym wykorzystaniem dynamiki, brak czynników zewnętrznych mogących zniwelować zapis (np. obecność obcych, nie biorących udziału w procesie tworzenia hologramu, źródeł o cechach mogących powodować zaświetlenie materiału) [12,13,39]. Powyższe warunki odnoszą się do klasycznego zapisu holograficznego. Materiałem, w którym zapisuje się hologramy metodą klasyczną jest zazwyczaj płyta holograficzna. Podczas realizacji zapisów holograficznych w przetwornikach ciekłokrystalicznych starano się zachować wyżej wymienione warunki. 35
4.3. Zapis hologramów metodami cyfrowymi 4.3.1. Rejestracja prążków interferencyjnych pochodzących od obiektów rzeczywistych Poszukując nowych metod zapisu hologramów dynamicznych w przetwornikach ciekłokrystalicznych, jako jedną z możliwości rozważano zapis cyfrowo zarejestrowanej siatki dyfrakcyjnej [52 58]. Podstawy holografii cyfrowej były rozważane przez dwóch rosyjskich naukowców, L.P. Jarosławskiego i N.S. Merzljakowa [40,41]. Jedną z metod uzyskiwania hologramów (ich rejestracji w pamięci np. komputera) dla obiektów rzeczywistych jest metoda wykorzystująca matryce CCD [44]. Jako element rejestrujący stosuje się matrycę CCD (CCD - Charge Coupled Device). Matryca CCD umożliwia akwizycję rozkładu prążków interferencyjnych dla obiektów rzeczywistych. Zgromadzone w ten sposób hologramy można przenosić bądź przesyłać celem wizualizacji z wykorzystaniem przetwornika ciekłokrystalicznego. Biorąc pod uwagę ograniczenia wynikłe z własności charakterystycznych dla matryc CCD, przy pracy z technikami holografii cyfrowej należy przestrzegać pewnych reguł, które przedstawione są poniżej [44]. Rys 4.4. Schemat układu do optycznej rejestracji hologramów cyfrowych, Z zwierciadła, PDW polaryzacyjny dzielnik wiązki, λ/2 półfalówka, P pinhol, K kolimator, UO układ oświetlający obiekt, Z50% - zwierciadło półprzepuszczalne, lub kostka światłodzieląca, CCD kamera CCD, PC komputer klasy PC z kartą framegrabber [3]. 36
Przede wszystkim dyskretna struktura CCD wyznacza konieczność spełnienia kryterium Nyquista, które mówi, że każdy prążek rejestrowany na medium posiadającym strukturę dyskretną musi być reprezentowany przynajmniej przez dwa piksele obrazu. λ Λ =, Λ 2 sin( γ / 2 ) 2 [4.12] gdzie: Λ- period prążków interferencyjnych, λ - długość fali światła; γ - kąt między interferującymi wiązkami - rozmiar piksela. Oczywistym wydaje się fakt, że rejestrując hologramy metodą cyfrową należy spełnić wszystkie warunki prawidłowej rejestracji pola interferencyjnego. Rozkład prążków interferencyjnych pobrany przez kamerę CCD (rys. 4.4) zostaje zapisany w pamięci komputera w postaci mapy bitowej [45,46,47]. Powstała mapa bitowa może być przekształcona na prążki z wykorzystaniem matrycy TFT lub projektora multimedialnego. Do projekcji hologramów cyfrowych w pracy wykorzystywano projektor multimedialny. 4.3.2. Wizualizacja hologramów dynamicznych za pomocą matrycy TFT Jedną z metod pozwalających na odtworzenie hologramu zmagazynowanego np. w pamięci komputera jest metoda wykorzystująca matrycę TFT. Najprostsza konfiguracja układu wykorzystuje pojedynczy wyświetlacz ciekłokrystaliczny, monochromatyczny, pracujący w trybie transparentnym, na który za pomocą karty graficznej komputera projektowany jest wzór prążkowy siatki dyfrakcyjnej (rys. 4.5) [13,48 51]. Otrzymana w ten sposób struktura oświetlana jest spolaryzowaną liniowo płaską falą światła koherentnego (symulacja wiązki odniesienia użytej w procesie rejestracji hologramu). Zachodzące w tym wypadku zjawiska są adekwatne do zjawisk obserwowanych w przypadku rekonstrukcji tradycyjnego hologramu transparentnego zapisanego na materiale srebrowym. 37
Rys 4.5. Schemat układu do wizualizacji hologramów zapisanych cyfrowo za pomocą wyświetlacza ciekłokrystalicznego: LCD wyświetlacz, DZ kostka światłodzieląca, K kolimator, Z zwierciadło, P pinhol, PL polaryzator, UO układ oświetlający [13]. W przypadku wykorzystania do rekonstrukcji elementu dyskretnego, jakim jest wyświetlacz LCD, istnieją pewne ograniczenia techniczne przeszkadzające w odbiorze trójwymiarowej informacji, wynikające z bardzo małej apertury tak uzyskanego hologramu, rzędu pojedynczych centymetrów. Uniemożliwia to obserwację obuoczną obrazu holograficznego, jednocześnie niwelując możliwość percepcji przestrzennej. Kolejną niedogodnością jest powielenie odtworzonych obrazów. Wynika to z faktu istnienia maskowanych obszarów w strukturze wyświetlacza, o strukturze regularnej siatki krzyżowej. Obszary owe wynikają z konieczności doprowadzenia do każdej z komórek doprowadzeń sygnału elektrycznego sterującego pracą każdej komórki wyświetlacza. Analizując wszystkie aspekty obserwacji hologramów projektowanych z wykorzystaniem matrycy ciekłokrystalicznej TFT, zaproponowano układ z wykorzystaniem przetwornika ciekłokrystalicznego adresowanego na drodze optycznej. 38
4.3.3. Zapis hologramów dynamicznych w przetworniku ciekłokrystalicznym metodą projekcyjną Ze względu na niedogodności matrycowych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych zaczęto poszukiwać nowego sposobu odtwarzania obrazów holograficznych [52 58]. Ostateczny wybór padł na przetworniki ciekłokrystaliczne adresowane na drodze optycznej [24,58]. Głównym elementem układu zaproponowanego układu jest modulator przestrzenny, przetwornik ciekłokrystaliczny adresowany optycznie (rys. 4.6). Jako urządzenie adresujące wykorzystano projektor multimedialny typu DLP oparty na matrycach mikrolusterek DMD [59 63]. Rys 4.6. Schemat układu służącego do rekonstrukcji hologramów; O oświetlacz, OR zespół optyki redukcyjnej, LC przetwornik ciekłokrystaliczny, E ekran, BS dzielnik wiązki, F filtr barwny [13]. Wykorzystanie powyższego urządzenia uzasadnione jest przede wszystkim wysokim stopniem wypełnienia powierzchni czynnej, który to parametr w głównej mierze jest odpowiedzialny za szkodliwe powielenie obrazów. Dzięki zastosowaniu dodatkowego układu optycznego skupiającego obraz uzyskiwany z projektora DLP można uzyskać parametry obrazu w płaszczyźnie przetwornika (rozmiar piksela i apertura projektowanego hologramu) w przybliżeniu zgodne z parametrami użytej przy rejestracji matrycy CCD [44]. Budowę oraz opis działania układu projekcyjnego wykorzystanego w pracy omówiono szerzej w rozdz. 5.3. 39
5. Układy pomiarowe i elementy technologii wykonania przetwornika 5.1. Układ do pomiaru charakterystyk przetworników ciekłokrystalicznych Pomiary charakterystyk statycznych, dynamicznych i temperaturowych wykonywano w układzie przedstawionym na rys. 5.1. Należy zaznaczyć, iż w większości eksperymentów prowadzono w temperaturze 20-21 C. W zależności od potrzeb (rozdz. 6.6) układ umożliwiał zmianę temperatury w zakresie od -30 do +80 C. Rys. 5.1. Schemat układu służącego do pomiaru charakterystyk przetworników ciekłokrystalicznych. Przed przystąpieniem do badania charakterystyk przetworników ciekłokrystalicznych w układzie z rys. 5.1 istotne było stworzenie warunków powtarzalności pomiarów. W tym celu badania przeprowadzane były w zaciemnionej komorze o stałej temperaturze, regulowanej według potrzeb. Badanie charakterystyk temperaturowych wykonywano zamykając w komorze przetwornik ciekłokrystaliczny z naklejonym polaryzatorem i analizatorem. Pomiar natężenia światła przechodzącego 40
przez przetwornik ciekłokrystaliczny w funkcji napięcia zasilającego umożliwiał wyznaczenie charakterystyk statycznych i dynamicznych. Przetwornik ciekłokrystaliczny zasilano napięciem stałym i/lub zmiennym, sterowanym przez komputer. Na komórkę kierowano strumień świetlny ze światłowodu, a za komórką ustawiony był fotodetektor. W rezultacie otrzymywano w pamięci komputera dane pozwalające wyznaczyć charakterystykę statyczną lub dynamiczną badanego przetwornika. Otrzymane dane przedstawiano na wyskalowanym wykresie. Przeprowadzone eksperymenty były analogiczne jak w przypadku przetworników ciekłokrystalicznych przeznaczonych do zastosowań w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych. Informacje, jakie uzyskano na podstawie badań charakterystyk statycznych i dynamicznych pozwalały ocenić parametry przetwornika ciekłokrystalicznego pod kątem zastosowania w holografii. Informacja o czasach włączenia i wyłączenia pozwała wstępnie oszacować jak przetwornik ciekłokrystaliczny będzie się zachował podczas zapisu w nim hologramów. Układ pomiarowy umożliwiał pomiar zależności parametrów statycznych i dynamicznych w zależności od temperatury. Dokładność stabilizacji temperatury uzyskiwanej w układzie wynosiła ±1 C. 5.2. Układ dwuwiązkowy Celem przeanalizowania właściwości przetworników ciekłokrystalicznych pod kątem ich zastosowania w holografii opracowano i i zestawiono układ umożliwiający w sprawny sposób pomiar wydajności dyfrakcji dla zapisywanych w przetwornikach ciekłokrystalicznych siatek (rys. 5.2). Siatki dyfrakcyjne powstałe w wyniku interferencji dwóch wiązek promieniowania laserowego i zapisane w przetworniku z czystym i domieszkowanym barwnikiem ciekłym kryształem zostały opisane między innymi w publikacjach [64,65]. Próba fizycznego opisu mechanizmu formowania się siatek w przetworniku ciekłokrystalicznym została podjęta w pracy [26]. Stosując układ przedstawiony na rys. 5.2 dokonywano pomiaru wydajności dyfrakcji mierząc natężenia pierwszych rzędów dyfrakcji I +1, I -1. Cały przedstawiony układ znajdował się na specjalnym stole tłumiącym drgania. Pokazany na rys.5.2 oraz 5.3 układ składał się ze źródła światła laserowego, którym w większości przypadków był 41
jednodomowy laser He-Ne (λ = 632,8 nm) i mocy 36 mw o wyszczególnionym kierunku polaryzacji wiązki. Wykorzystywano również laser He-Ca (λ = 442 nm) o mocy 8 mw oraz YAG (λ = 550 nm) o mocy 40 mw. Rys. 5.2. Schemat układu dwuwiązkowego zastosowanego do pomiaru wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych. a) b) Rys. 5.3. Zdjęcia układu badawczego a) stół z układem badawczym, b) aparatura pomiarowa. 42
W układzie stosowane były lustra odbijające jak i odbijająco/przepuszczające (gdzie stosunek wiązki odbitej do przepuszczonej był równy 50% mocy odbitej 50% przepuszczonej). Lustra umożliwiały dokładne pozycjonowanie padających na przetwornik ciekłokrystaliczny wiązek zapisujących oraz zmiana ich kąta padania (od 2 do 90 stopni). Kolejnym elementem układu był stolik. Na stoliku umieszczano przetwornik ciekłokrystaliczny. Stolik umożliwiał obrót przetwornika o 90 w kierunku X i Y, istniała także możliwość precyzyjnego pozycjonowania stolika wzdłuż osi X,Y,Z. Pomiar natężenia wiązek ugiętych przechodzących przez przetwornik ciekłokrystaliczny wykonano stosując miernik natężenia promieniowania oraz oscyloskop. Oba przyrządy były wyposażone w detektory promieniowania. Oscyloskop był stosowany w przypadku analizy procesów dynamicznych zachodzących pod wpływem oświetlenia przetwornika ciekłokrystalicznego. 5.3. Układ projekcyjny Pomiary właściwości przetworników ciekłokrystalicznych z metodą projekcyjną wykonywano w układzie pokazanym na rys. 5.4. Siatkę dyfrakcyjną w tej metodzie zapisywano w przetworniku ciekłokrystalicznym wykorzystując multimedialny projektora (DMD - Digital Micromirror Device). Rys. 5.4. Schemat układu służącego do zapisu siatek dyfrakcyjnych metodą projekcyjną. 43
Rys. 5.5. Ukłożenie przetwornika i wiązek (zapisującej i odczytującej) w metodzie projekcyjnej. Proste siatki dyfrakcyjne generowane komputerowo projektowano na przetwornik ciekokrystaliczny przy użyciu rzutnika DMD (światłem niekoherentnym). Odczyt siatek dyfrakcyjnych zapisanych metodą projekcyjną odbywał się wiązką koherentnego światła laserowego o dwóch zamieninie stosowanych dłogościach fal (rys. 5.5 i rys. 5.6). Określenie właściwości przetworników ciekłokrystalicznych polegało na projekcji prostych siatek dyfrakcyjnych zapisanych z różnym periodem Λ i kontrastem. Rys. 5.6. Zdjęcie układu projekcyjnego podczas pracy. Widoczne wiązki promieniowania laerowego odczytującego: zielona i czerwona. 44
5.4. Przetworniki ciekłokrystaliczne stosowane w eksperymentach 5.4.1. Elementy technologii wykonania przetwornika Budowę przetwornika ciekłokrystalicznego opisano w rozdz. 2.5.1. W podjętej pracy badano przetworniki różniące się właściwościami i technologią wykonania. Poniżej zostaną opisane najważniejsze elementy technologii wykonania przetworników badanych w pracy. Przetwornik składał się z dwóch płytek szklanych. Stosowane do budowy przetwornika płytki szklane posiadały grubość od 0,5 do 1,1 mm (najczęściej stosowane były płytki o grubości 0,7 mm). Bardzo ważnym parametrem płytek szklanych była ich płaskość. Płaskość płytek szklanych nie gwarantowała jednak końcowego sukcesu w postaci płaskorównoległej konstrukcji. Proces produkcyjny (oraz stosowane materiały) mógł prowadzić do powstania naprężeń co mogło zmienić płaskość szkła (efekt ten eliminuje się stosując opisane dalej procedury). Płytki szklane wstępnie były pokryte warstwą przewodzącą. Warstwę przewodzącą (elektrodę) stanowiło ITO (In 2 O 3 Indium Thin Oxcide) o grubości 60 100 nm. Za zastosowaniem tego materiału przemawiają miedzy innymi jego własności optyczne. Jest przeźroczysty dla promieniowania z zakresu widzialnego. Elektroda w zależności od potrzeb była pokrywana dodatkowymi warstwami. Pomijanie niektórych warstw wchodzących w skład konstrukcji przetwornika ciekłokrystalicznego miało na celu analizę ich wpływu na badane podczas eksperymentów parametry. Na elektrody nakładano warstwę izolatora - tlenku krzemu SiO x (rozdz. 2.5.2). Tlenek krzemu nanoszono poprzez fizyczne osadzanie z fazy lotnej [65] (bombardując wiązką elektronów umieszczoną w tyglu bryłę SiO x ). Grubość nakładanych warstw tlenku krzemu SiO x wynosiła od 50 nm do 100 nm. Ostatnią nakładaną na płytę szklaną warstwą był poliimid. Warstwę poliimidu stanowił materiał nazywany popularnie kaptonem (Kapton is a trademark of E.I. du Pont de Nemours). Kapton jest warstwą materiału, która w późniejszym procesie obróbki (odkształcanie mechaniczne) otrzymuje na swojej powierzchni delikatny relief i po tym procesie stanie się warstwą orientującą. Kapton będący 1% roztworem w DMF (N,N dimethyl formamide) rozprowadza się na powierzchni SiO x poprzez nawirowanie i odparowanie. Dodatkową zaletą kaptonu jest jego duża oporność oraz zalewanie niedoskonałości powstałych w tworzeniu warstwy tlenku krzemu. 45
W badanych przetwornikach warstwa orientująca miała grubość około 100 nm. Następnie poprzez odkształcenie mechaniczne na powierzchni poliimidu w wyniku np. pocierania otrzymuje się relief. Etapem kończącym wykonanie przetwornika jest nałożenie przekładki dystansująco-klejącej. Jako materiał na przekładkę dystansująco-klejąca stosowano kleje fotoutwardzane (NOA 65-94). Rolą przekładki było sklejenie ścian komórki jak i zaizolowanie układu od czynników zewnętrznych pozostawiając tylko otwór na wprowadzenie ciekłego kryształu. Przekładka oddzielająca zapewniała szczelinę między ścianami przetwornika w granicach od 6 do 9 µm. Uzyskanie powtarzalnych grubości przetworników możliwe było po zastosowaniu mikrometrowych rozmiarów dystansowników (ang. spacer; np. 6 µm). Dystansowniki nanoszone były na jedną ze ścian przetwornika metodą rozpylania. 5.4.2. Wstępne obserwacje i pomiary własności wykonanego przetwornika Ocena wizualna polegająca na dokładnej analizie stanu otrzymanego przetwornika była pierwszym etapem dopuszczającym go do dalszych procesów pomiarowych. Wykonane przetworniki charakteryzowały się różną płaskorównoległością (szkło, z jakiego wykonany jest przetwornik może być nierówne). Płaskorównoległość ścianek, szklanych w komórce prowadzi do zjawiska interferencji przechodzących fal świetlnych (obserwacji dokonuje się w świetle monochromatycznym) i pojawieniu się prążków Newtona w miejscach gdzie spełniony jest warunek (ilość prążków zależy od różnicy odległości - 1 prążek na pół długości fali): 1 d = N 2 λ [5.1] gdzie: N jest liczbą naturalną (1,2,3,...). Zaburzenia w płaskorównoległości mogą zachodzić już po napełnieniu przetwornika ciekłym kryształem w wyniku zmiany rozkładu sił oddziałujących na powierzchnie szklane. Dodatkowo dokonywano sprawdzenia oporności pustego przetwornika. Była to prosta metoda sprawdzenia stanu przetwornika po jego złożeniu i pozwala wyeliminować z dalszego eksperymentu przetworniki, które posiadają źle zaizolowane elektrody lub, w których doszło do zwarcia elektrod. Pomiaru oporności przetwornika dokonywano omomierzem. 46
Rys. 5.7. Obserwowane widmo interferencyjne pustego przetwornika. Pomiaru grubości przetwornika dokonywano wykorzystując spektrofotometr PREMA. Spektrofotometr był wyposażony w program interpretujący pokazane na rys. 5.7 widmo interferencyjne. Rolą użytkownika było wyznaczenie widma, z jakiego spektrofotometr miał obliczać grubość wykonanego przetwornika. Program dokonywał obliczenia grubości zgodnie ze wzorem: N d = 2 λ1 λ2 λ2 λ1 [5.2] gdzie: N ilość maksimów transmisji; λ 1 - długość fali dla pierwszego minimum transmisji w danym zakresie; λ 2 - długość fali dla ostatniego minimum transmisji w danym zakresie. Podczas eksperymentów przebadano około 200 przetworników o grubościach 6 i 9 µm. Dla przykładu na rys. 5.8 zaprezentowano histogram występowania przetworników o zadanej grubości 6 µm. Błąd wynikający z ustawienia miernika, którym dokonywano pomiaru grubości oszacowano na 1% 47
Rys. 5.8. Histogram grubości pustych przetworników dla zakładanej grubości 6 µm (wybrana losowo grupa 50 przetworników). W trakcie technologicznego procesu produkcyjnego wykonywane przetworniki minimalnie różniły się między sobą co do zaplanowanej grubości. Najwięcej przetworników posiadało grubość 5,7 µm. 48
6. Badania przetworników ciekłokrystalicznych w układzie dwuwiązkowym 6.1. Obserwacje i wstępne testy przetwornika ciekłokrystalicznego Wstępna analiza wykonanych przetworników ciekłokrystalicznych polegała na poddaniu ich działaniu zewnętrznych pól sterujących (elektrycznych, optycznych) i obserwacji ich funkcjonowania. Wykonywano przetworniki z różnymi warstwami (co zostanie omówione w późniejszym etapie pracy) i różnym ciekłym kryształem. Ciekłe kryształy, którymi napełniano przetworniki miały różną oporność (R = 10 7 10 12 Ω/cm 2 ) oraz materiały, z jakich wykonano przetwornik charakteryzowały się różnymi właściwościami (rozdz. 5.4.1). Dla większości badanych przetworników ciekłokrystalicznych obserwowano zjawisko rozpraszania przechodzącej wiązki (wiązek) zapisujących siatkę dyfrakcyjną. Zjawisko to było niepożądane i wprowadzało zakłócenia. Obserwacja rozpraszania pozwalała na wstępną selekcję przetworników ciekłokrystalicznych. Poszukiwano przetworników o jak najmniejszym rozpraszaniu. Dodatkowym efektem obserwowanym podczas testów wstępnych było rozproszenie powstałe na warstwach orientujących, które obserwowano w postaci smug. Efekt rozpraszania na warstwach orientujących był trudny do wyeliminowania. Rozpraszanie powstałe na warstwach orientujących starano się eliminować stosując odpowiednie techniki wykonania warstw orientujących. Stosowano warstwy, które były porządkowane poprzez oświetlanie przetwornika spolaryzowanym światłem z zakresu ultrafioletu (rozdz. 7.2). Analiza wpływu warstw orientujących na wydajność dyfrakcji została opisana w rozdz. 7. Przetworniki, w których nie udało się w znacznym stopniu wyeliminować rozproszenia pochodzącego od warstw orientujących ustawiano w układzie pomiarowym tak, by wpływ tych rozproszeń na wynik pomiaru był jak najmniejszy. Wstępne testy przeprowadzono w układzie pomiarowym dwuwiązkowym (rozdz. 5.2) zmieniając następujące parametry [66,67]: - wartość pola elektrycznego przyłożonego do przetwornika, - grubość i technologię wykonania przetwornika, - ustawienie wiązek zapisujących. Starano się uzyskać jak najlepszą wydajność dyfrakcji dla każdego przetwornika obserwując jednocześnie rozpraszanie. W tym eksperymencie, posługiwano się zwykle laserem He-Ne ( λ = 632,8 nm) i wiązkami zapisującymi o układzie polaryzacji typu S. 49
Rys. 6.1. Obraz rozpraszania wiązki zapisującej przechodzącej przez przetwornik. a) fotografia wiązki po przejściu przez przetwornik ciekłokrystaliczny; b) rozkład natężenia wiązki ze zdjęcia a) wzdłuż osi x uzyskany na drodze próbkowania. Efekt rozpraszania pojawiał się szczególnie przy napięciach określających elektryczny próg Freedericksza dla danego przetwornika ciekłokrystalicznego. Z punktu widzenia zapisu optycznego interesujący jest zakres zmian napięć sterujących w granicach progu Freedericksza, gdyż wtedy można uzyskać wzajemną kompensację sił i pól (sił oddziaływania powierzchni na ciekły kryształ i zewnętrznych pól sterujących) wewnątrz przetwornika, tak by udział zapisującej wiązki był największy. Na rys. 6.1 i rys. 6.2 pokazano dwa skrajne przypadki rozpraszania wiązek promieniowania laserowego padającego na przetwornik ciekłokrystaliczny. Rys. 6.1 przedstawia przypadek rozproszenia wiązki padającej na przetwornik ciekłokrystaliczny napełniony mieszaniną ciekłokrystaliczną o dużej oporności (rzędu 10 11 Ω/cm 2 ). Rys. 6.2. przedstawia fotografię rozpraszania wiązki padającej na przetwornik ciekłokrystaliczny napełniony mieszaniną ciekłokrystaliczną o niskiej oporności (rzędu 10 7 Ω/cm 2 ). Na rysunkach znajdują się zdjęcia oraz rozkład natężenia promieniowania rozproszonego wzdłuż osi x w postaci 256 poziomów odcieni szarości (zastosowana karta akwizycji umożliwiała pracę w 256 odcieniach szarości). Kolorem białym (poziom 255) oznaczono maksymalne natężenie rozpraszanej wiązki. Idealny z punktu zastosowań jest przetwornik posiadający jak najmniejsze rozproszenie (jak na rys. 6.1). 50
Rys. 6.2. Rozkład rozpraszania wiązki zapisującej przechodzącej przez przetwornik. Na zdjęciu a widać również rozproszenie pochodzące od warstw orientujących. a) fotografia wiązki po przejściu przez przetwornik ciekłokrystaliczny; b) rozkład natężenia wiązki ze zdjęcia a) wzdłuż osi x uzyskany na drodze próbkowania. Rozpraszanie można było zredukować w różny sposób. Wpływ na rozpraszanie ma oporność przetwornika ciekłokrystalicznego. Wraz ze spadkiem oporności przetwornika ciekłokrystalicznego rozpraszanie rosło. Wzrost rozpraszania dla przetworników ciekłokrystalicznych posiadających niską oporność jest spowodowany przepływającym przez taki przetwornik prądem. Jedną z metod, która przyczynia się do obniżenia wartości przepływającego prądu przez przetwornik jest metoda polegająca na zwiększaniu grubości warstw izolujących lub ich właściwości. Rozważania tego problemu przedstawiono w rozdz. 7.2. Podsumowując przeprowadzone obserwacje i testy określono, iż by ograniczyć zjawisko rozpraszanie w przetwornikach należy w miarę dostępności wybierać ciekłe kryształy o dużej oporności rzędu 10 12 Ω/cm 2. W trakcie badań i użytkowania należy zabezpieczać przetwornik ciekłokrystaliczny przed wpływem czynników zewnętrznych mogących zmniejszyć oporność (wilgoć, zanieczyszczenia) oraz zoptymalizować ustawienie przetwornika względem wiązek zapisujących siatkę dyfrakcyjną. Rozpraszanie w przetwornikach ciekłokrystalicznych zależy prawdopodobnie też od rodzaju i jakości warstw orientujących, co zostało szerzej omówione w rozdz. 7.2. 51
6.2. Pomiar periodu zapisywanych siatek dyfrakcyjnych Ważnym parametrem określającym właściwości przetwornika ciekłokrystalicznego mającego znaleźć zastosowanie w układach optycznego przetwarzania informacji jest rozdzielczość (rozdz. 3.3). Maksymalną rozdzielczość, z jaką można zapisywać siatki dyfrakcyjne w materiale można określić mierząc wydajność dyfrakcji przetwornika ciekłokrystalicznego przy różnych wartościach periodu zapisywanych siatek. Pomiaru periodu siatek dyfrakcyjnych dokonywano w układzie dwuwiązkowym opisanym w rozdz. 5.2. Period uzyskiwanej siatki dyfrakcyjnej był związany z kątem, jaki tworzyły dwie wiązki padające na przetwornik. Zmieniając kąt padających wiązek zmieniano period powstałej siatki dyfrakcyjnej. Układ pomiarowy umożliwiał sterowanie wiązkami lasera tak by spotykając się w objętości przetwornika tworzyły kąty w zakresie od 2 do 90 stopni (wartości otrzymywanego periodu wynosiła wtedy od 1 do 50 µm) [68]. Ograniczenia kątowe wynikały z konstrukcji przetwornika i parametrów układu pomiarowego. Uzyskiwane periody były jednak wystarczające z punktu widzenia potencjalnych zastosowań przetwornika ciekłokrystalicznego. Do tego eksperymentu wybrano przetworniki o grubościach 6 i 9 µm. Chcąc sprawdzić wpływ kąta na wydajność dyfrakcji posługiwano się zależnościami [4.3] i [4.5] zdefiniowanymi w rozdz. 4.1 pozwalającymi obliczyć period siatki [37]. Rozróżnia się dwa rodzaje siatek: siatki grube i cienkie. Siatki grube, w których istnieje możliwość obserwacji tylko jednego rzędu dyfrakcji (siatki Bragga - konieczne jest dopasowanie kątowe między siatką a wiązką odczytującą hologram). Siatki cienkie teoretycznie umożliwiają obserwację nieskończenie wielu rzędów dyfrakcji. Odczyt siatek dyfrakcyjnych jest oparty na zależnościach: 2πdλ Λ n Q 2 = oraz P 2 2 λ Λ n n = [6.1] gdzie: Λ - okres siatki, λ - długość fali dla wiązki odczytującej, d grubość siatki. Przy wartościach parametrów Q<<1 przyjmuje się przybliżenie siatek cienkich a w przypadku P>>1 przyjmuje się przybliżenie siatek grubych. 52
Wiarygodność i powtarzalność pomiaru starano się zapewnić dbając szczególnie o warunki przecięcia się wiązek w objętości przetwornika. W celu zachowania jednakowych warunków pomiaru obszar roboczy przetwornika ograniczono przysłoną. Ustawienie identycznych warunków pomiarowych dla różnych kątów polegało na takim zapewnieniu takiego ustawienia by powierzchnia interferujących wiązek lasera była w przybliżeniu porównywalna. Wiązki ze względu na swój przekrój wraz ze zmniejszaniem kąta padania względem siebie stawały się coraz trudniejsze do scentrowania na przetworniku. Obszar roboczy wiązek zmieniał się też z kątem. Rys. 6.3 przedstawia otrzymane wyniki wydajności dyfrakcji w zależności od kąta padania wiązek dla przykładowego przetwornika ciekłokrystalicznego o grubości d = 6 µm zawierającego mieszaninę 1294-1b ( n = 0,35) oraz 0,8% ilości wagowej barwnika błękitnego B7. Struktura barwnika błękitnego B7 znajduje się w dodatku A2. Rys. 6.3. Wykres wydajności dyfrakcji w zależności od powstałego periodu dla przetwornika ciekłokrystalicznego o grubości d = 6 µm. Dla przetwornika o grubości d = 9 µm napełnionego taką samą mieszaniną jak opisany wcześniej przetwornik zależność przedstawiona na rys. 6.3 miała niemal analogiczny charakter. Maksimum wydajności dyfrakcji przesunęło i występowało dla periodu równego 18 µm. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów można powiedzieć, iż maksimum wydajności dyfrakcji uzyskuje się dla siatek dyfrakcyjnych o periodzie równym podwójnej grubości przetwornika ciekłokrystalicznego, co potwierdza wcześniejsze dane literaturowe [25]. Przy konstrukcji układów wykorzystujących 53
przetworniki ciekłokrystaliczne należy zwrócić uwagę na rozdzielczość zapisywanych siatek dyfrakcyjnych i dobierać ją tak by ewentualny period był równy podwójnej grubości przetwornika. Uzyskane podczas tego eksperymentu rezultaty pokazują (rys. 6.3), że optymalna rozdzielczość zapisywanych siatek dyfrakcyjnych w przetwornikach ciekłokrystalicznych o grubości d = 6 µm i periodzie Λ = 12 µm wynosi około R = 80 linii na milimetr. Przy periodach znacznie mniejszych rzędu Λ = 1 2 µm zapis jest możliwy, ale należy się liczyć ze znacznym spadkiem wydajności, który może w niektórych przypadkach być wystarczający do celów aplikacyjnych. Do przedstawionych rezultatów odniesiono się również w rozdz. 9 omawiającym projekcyjną metodę zapisu siatek dyfrakcyjnych. 6.3. Pomiar wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych w zależności od wartości napięcia sterującego Ze względu na przyjętą metodę zapisu siatek dyfrakcyjnych postanowiono zbadać wpływ napięcia sterującego przetwornikiem ciekłokrystalicznym na wydajność dyfrakcji. W celu realizacji tego zadania posłużono się układem dwuwiązkowym opisanym w rozdz. 5.2. Obserwując natężenie kolejnych rzędów dyfrakcji (rys. 6.4) stabilizowano warunki pomiarowe i mierzono zachowania się pierwszego rzędu dyfrakcji przy pomocy detektora mocy promieniowania Labmaster Ultima firmy Coherent. Czułość detektora pozwalała wychwycić nawet najmniejsze zmiany natężenia wiązki ugiętej (rzędu nw) oraz wskazać jej maksymalną wartość w ustalonych warunkach. Przed przystąpieniem do pomiarów przetwornik formatowano. Formatowanie przetwornika polegało na wysterowaniu przetwornika napięciem stałym rzędu 30 V przez czas 5 15 minut [68,69]. Formatowanie miało na celu wstępne elektrolityczne rozseparowanie ładunków i ustabilizowanie na odpowiednim poziomie procesów generacji i rekombinacji ładunków w przetworników. 54
Rys. 6.4. Schemat zjawiska dyfrakcji dwóch wiązek przechodzących przez przetwornik ciekłokrystaliczny; E 1, E 2 wiązki promieniowania budujące siatkę dyfrakcyjną; E, E wiązki ugięte na siatce dyfrakcyjnej. Dobranie odpowiedniego napięcia sterującego przetwornikiem wymagało obserwacji zmian w zachowaniu się kolejnych rzędów dyfrakcji i poszukiwanie maksimum ich natężenia. Należy tutaj dodać, iż znalezienie maksimum wydajności dla pierwszego rzędu dyfrakcji nie zawsze było proste. Stół pomiarowy nie zawsze zapewniał dokładne wytłumienie drgań pochodzących z otoczenia. Zaburzenia zewnętrzne powodowały zmniejszenie się maksymalnej wydajności dyfrakcji. Aby wyeliminować wpływ chwilowych zakłóceń, miernik uśredniał chwilowe wartości z 1000 pomiarów wydajności dyfrakcji wykonywanych w ciągu 3 minut. Gdy zaobserwowano, iż wpływ warunków zewnętrznych mógł mimo to zmienić wynik pomiaru, pomiar powtarzano. Dla bardzo małych natężeń wiązek ugiętych (rzędu nw) pomiar był dość trudny. W takich przypadkach wykorzystywano funkcję TUNE miernika Labmaster, która umożliwiała pozostawienie układu przy danym napięciu zasilania i przyjęcie z bardzo dużym prawdopodobieństwem założenia, iż miernik po określonym czasie T natrafi na maksymalną wartość wydajności dyfrakcji [68]. Charakterystyki zmian wydajności dyfrakcji pod wpływem przyłożonego napięcia wyraźnie pokazały, iż dla większości przetworników ciekłokrystalicznych istnieje pewien zakres napięć, przy których wydajność jest bliska maksimum. 55
Rys. 6.5. Charakterystyka wydajności dyfrakcji η w zależności od napięcia sterującego u 5dla przykładowego przetwornika o grubości d = 6 µm. Rys. 6.5 przedstawia typową zmierzoną charakterystykę wydajności dyfrakcji w zależności od napięcia sterującego dla przetwornika ciekłokrystalicznego o grubości d = 6 µm zawierającego ciekły kryształ 1294-1b z dodatkiem barwnika błękitnego o stężeniu 0,8% wagowych. Dla większości przebadanych przetworników ciekłokrystalicznych charakterystyka wydajności dyfrakcji posiada podobny kształt do charakterystyki przedstawionej na rys. 6.5. Przetworniki ciekłokrystaliczne posiadają ściśle określone napięcie przy którym występuje maksymalna wartość wydajności dyfrakcji, co potwierdza dane literaturowe [25,37]. Utrzymanie maksymalnej wartości wydajności dyfrakcji na stałym poziomie dla większości przetworników było procesem skomplikowanym ze względu na równoczesny zapis i odczyt oraz wpływ czynników zewnętrznych na jakość zapisywanego hologramu [68]. Przypuszczano, iż wydajność dyfrakcji osiągała maksimum dla wartości natężenia zewnętrznego pola elektrycznego umożliwiającego kompensację oddziaływania sił pochodzących od warstw orientujących ciekły kryształ, a tym samym reorientację ciekłego kryształu. Dalsze zwiększenie pola elektrycznego powoduje spadek wydajności dyfrakcji. Można to wytłumaczyć, iż pojawiający się w miejscach oświetlonych foto-prąd był dużo mniejszy do wartości zewnętrznego pola elektrycznego, więc efekt jest słabo widoczny. W tab. 6.1 zawarto rezultaty pomiaru wydajności dyfrakcji dla wybranej reprezentatywnej grupy przetworników. 56
Zaobserwowano również, że maksimum wydajności dyfrakcji zmienia swoje położenie względem napięcia zasilającego w zależności od grubości przetwornika oraz budowy przetwornika. Tab. 6.1. Przykładowe wartości wydajności dyfrakcji dla przetworników o różnych grubościach zawierających mieszaninę 1294-1b ( n = 0,35). Grubość przetwornika [µm] Napięcie [V] Wartość wydajności dyfrakcji [j.w] U = 8,7 η = 52 d = 6 U = 7,9 η = 49 U = 8,2 η = 47 U = 9,8 η = 42 d = 9 U = 10,7 η = 37 U = 9,6 η = 46 Mierząc wydajność dyfrakcji zauważono, iż przetworniki o różnych właściwościach reagują w odmienny sposób na gwałtowne zmiany napięcia sterującego. Przeprowadzone eksperymenty pozwoliły umownie podzielić przetworniki ciekłokrystaliczne na: - przetworniki o długich czasach reakcji, w których reakcja na zmiany w zapisywanej siatce dyfrakcyjnej zachodzi bardzo wolno, przez co zapisana siatka jest bardzo stabilna, ale bardzo mało dynamiczna (maksimum wydajności dyfrakcji dla wysterowanego przetwornika uzyskiwano nawet po kilkudziesięciu sekundach od chwili oświetlenia przetwornika wiązkami zapisującymi), - przetworniki, w których reakcja na zmiany natężenia wiązek zapisujących siatkę dyfrakcyjną zachodzi bardzo szybko (maksimum wydajności dyfrakcji dla wysterowanego przetwornika uzyskiwano po czasie rzędu kilkunastu milisekund). Przetworniki takie charakteryzują się zadowalającymi parametrami czasowymi zapisu i odczytu z punktu widzenia zastosowań w holografii dynamicznej [69,70]. Dokładna analiza właściwości dynamicznych przetworników ciekłokrystalicznych zostały omówione w rozdz. 8, przy okazji właściwości przetworników ciekłokrystalicznych. 57
Pomiary wydajności dyfrakcji dokonane w układzie dwuwiązkowym obarczone były następującymi błędami: - U błąd wynikający z ustawienia wartości napięcia sterującego przetwornikiem. Jako urządzenie kontrolno-pomiarowe wykorzystano multimetr cyfrowy. Błąd pomiaru oszacowano na 1%. - I błąd pomiaru natężenia wiązki ugiętej na zbudowanej w przetworniku ciekłokrystalicznym siatce dyfrakcyjnej. Pomiar natężenia wiązki ugiętej wykonywano miernikiem mocy promieniowania Labmaster Ultima. Miernik mocy promieniowania umożliwiał odczyt wartości mierzonego sygnału optycznego z dokładnością 1%. 6.4. Wpływ zmiany anizotropii optycznej ciekłego kryształu na wydajność dyfrakcji Rozważania teoretyczne oraz rezultaty innych prac pozwalały przypuszczać, iż wartość anizotropii ciekłego kryształu znacznie wpływa na wydajność dyfrakcji [3,5]. Postanowiono sprawdzić, jaki wpływ na wydajność dyfrakcji ma zmiana anizotropii optycznej materiału ciekłokrystalicznego. Eksperymenty wykonano w układzie dwuwiązkowym (opisanym w rozdz. 5.2), z wykorzystaniem przetworników o konstrukcji opisanej w rozdz. 5.4.1 i grubości 6 i 9 µm (przetworniki bez warstw fotoczułych). W związku z powyższym przeprowadzono eksperymenty z przetwornikami zawierającymi ciekłe kryształy o następujących wartościach anizotropii optycznej: n = 0,35, 0,4, 0,6 [70,71]. W tab. 6.2 zawarto wyniki eksperymentu dla wybranej reprezentatywnej grupy przetworników [86]. Badane były przetworniki zarówno z czystym jak i domieszkowanym ciekłym kryształem. Dla przetworników napełnionych ciekłym kryształem większą wydajność dyfrakcji obserwowano tam, gdzie występowała niewielka absorpcja w tzw. paśmie związanym z efektem charge transfer [86]. Istnieje przypuszczenie, że większa absorpcja w tym paśmie może wpłynąć pozytywnie na wzrost wydajności dyfrakcji. Przetworniki ciekłokrystaliczne zawierające ciekły kryształ o anizotropii optycznej n = 0,6 posiadały największą wydajność dyfrakcji (rys. 6.6). Stosując wzór 3.9 przedstawiony w rozdz. 3.3 obliczono przybliżoną rzeczywistą wartość wydajności dyfrakcji dla przetworników ciekłokrystalicznych. Obliczona wydajność dyfrakcji wynosiła odpowiednio η = 1 % dla przetwornika z ciekłym kryształem o anizotropii optycznej n = 0,35 i η = 15 % dla przetwornika z ciekłym kryształem o anizotropii optycznej n = 0,6. Jak widać z rys. 6.6 wydajność dyfrakcji rośnie wraz ze wzrostem 58
anizotropii optycznej ciekłego kryształu. Dalszy wzrost anizotropii optycznej do wartości nawet n 1 (z informacji prywatnych wiadomo, że synteza ciekłego kryształu o tak dużej anizotropii jest możliwa) pozwoli prawdopodobnie na uzyskanie jeszcze lepszych parametrów wydajności dyfrakcji. Takie materiały byłyby bardzo interesujące dla urządzeń optycznego przetwarzania informacji [71,72]. Tab. 6.2. Przykładowe wartości wydajności dyfrakcji dla przetworników o różnych grubościach i anizotropii współczynników załamania. Grubość przetwornika [µm] d = 6 d = 9 Anizotropia współczynników załamania Napięcie, przy którym występowało maksimum wydajności dyfrakcji [V] Wartość wydajności dyfrakcji [j.w] n = 0,35 U = 8,7 η = 5,8 n = 0,40 U = 9,8 η = 13,6 n = 0,60 U = 5,5 η = 71,2 n = 0,35 U = 9,8 η = 5,5 n = 0,40 U = 11,2 η = 12,0 n = 0,60 U = 7,9 η = 74,0 η[ j.w. ] mieszanina Rys. 6.6. Wydajność dyfrakcji dla przetworników o grubości d = 6 µm, zawierających ciekłe kryształy o anizotropii optycznej: 1- n = 0, 35; 2- n = 0,4; 3- n = 0,6. 59
6.5. Wpływ zmiany składu chemicznego mieszanin ciekłokrystalicznych na wydajność dyfrakcji Podczas badań zaobserwowano, iż przetworniki zawierające mieszaniny ciekłokrystaliczne o zbliżonej wartości anizotropii optycznej, ale różnym składzie chemicznym zachowywały się w sposób zróżnicowany. W wielu przypadkach posiadały różną wydajność dyfrakcji. Istotne było zatem zbadanie wpływu zmian składu chemicznego mieszanin ciekłokrystalicznych na wydajność dyfrakcji [72,73]. Wyselekcjonowana wcześniej mieszanina ciekłokrystaliczna o symbolu 1294-1b posiadała 14 składników ( n = 0,35; skład chemiczny oraz wykaz składników zamieszczono w przypisach). Większość eksperymentów wykonano napełniając przetworniki mieszaniną ciekłokrystaliczną 1294-1b (ze względu na jej dostępność oraz właściwości). Jak wspomniano w rozdz. 6.4 podstawowe składniki mieszaniny ciekłokrystalicznej 1294-1b posłużyły do opracowania w WAT innych mieszanin ciekłokrystalicznych o unikalnych właściwościach i jeszcze większej wartości anizotropii optycznej. Ze związków tworzących 1294-1b utworzono trzy inne mieszaniny. Skład tych mieszanin przedstawiono w tab. 6.3. Składniki trzynaście i czternaście, które pozostały po rozdzieleniu 1294-1b mają wpływ jedynie na zakres fazy ciekłokrystalicznej całej mieszaniny i obniżają temperaturę krzepnięcia ciekłego kryształu do 3 C. Składniki 13 i 14 nie były uwzględniane podczas ustalania składu mieszanin ciekłokrystalicznych powstałych z 1294-1b. Obserwację zachowania się przetworników ciekłokrystalicznych w całym zakresie mezofazy umożliwiał układ eksperymentalny wyposażony w specjalną komorę termiczną (rozdz. 5.1). Komora termiczna umożliwiała ustawianie temperatury przetwornika w zakresie od -30 do +80 stopni. Pomiary zostały wykonane w przetwornikach o grubości d = 6 µm. Kąt tworzony między padającymi wiązkami dobrany został tak by spełnić wymagania reżimu Ramana - Natha (okres siatki Λ = 12 µm). Eksperymenty z przetwornikami ciekłokrystalicznymi zawierającymi mieszaniny ciekłokrystaliczne powstałe ze składników 1294-1b nie wymagały stosowania tak dużego zakresu temperatur. W skrajnym przypadku przejście ze stanu stałego w ciekłokrystaliczny występowało dla temperatury 47,2 C. Wszystkie eksperymenty (omawiane w tym rozdziale) rozpoczynano w temperaturze pokojowej wynoszącej 20 C. 60
Wraz ze wzrostem temperatury obserwowano fazę przejścia ze stanu stałego w ciekłokrystaliczny. W fazie ciekłokrystalicznej obserwowano pojawienie się siatki dyfrakcyjnej (rys. 6.7). Temperaturę w komorze stopniowo zwiększano do 80 C, w celu obserwacji zaniku wydajności dyfrakcji w przetworniku. Tab. 6.3. Składy i parametry badanych mieszanin ciekłokrystalicznych [72]. Nazwa 1294-1b Skład Zakres teperatury mezofazy [ C] Wartość anizotropii optycznej dla 50 0 C Wszystkie 14 składników 3 155 n = 0.35 1294-1-2 Osiem głównych składników mieszaniny 1294-1b 47.2 230 n = 0.28 1294-1-3 Mieszanina 1294-1-2 plus składniki 9 i 10 26 220 n = 0.31 1294-1-1 Miszanina 1294-1-3 plus składniki 11 i 12 22 160 n = 0,35 Eksperyment rozpoczęto od przebadania przetworników zawierających ciekły kryształ o symbolu 1294-1-3. Krzywą wydajności dyfrakcji dla przykładowego przetwornika ciekłokrystalicznego przedstawiono na rys. 6.7. Zaobserwowano, iż w trakcie schładzania komory termicznej do temperatury pokojowej wartość wydajności dyfrakcji rosła. Sposób chłodzenia umożliwia obniżenie temperatury w całej komorze w bardzo szybkim czasie - możliwy jest spadek temperatury od 80 do -10 C w zaledwie 5 minut. Obserwowano również wydajności dyfrakcji poniżej temperatury przejścia ciekłego kryształu w stan stały. W badanych przetwornikach obserwowano efekt przechłodzenia - wydajność dyfrakcji była widoczna nawet poniżej 30 C (poniżej temperatury krzepnięcia rys. 6.8). Identyczny eksperyment z powyższym został powtórzony dla przetworników ciekłokrystalicznych zawierających mieszaninę ciekłokrystaliczną 1284-1-2. Charakter zaobserwowanych krzywych wydajności jest bardzo podobny, ale wydajność dyfrakcji jest mniejsza o około 50%. Nie zaobserwowano budowania się siatki dyfrakcyjnej 61
w przetworniku zawierającym mieszaninę 1294-1-1. Mimo tego, iż faza ciekłokrystaliczna dla mieszaniny 1294-1-1 zaczyna się w temperaturze 22 C, w tym przypadku nie zaobserwowano jakiegokolwiek efektu świadczącego o budowie siatki w przetworniku ciekłokrystalicznym. Rys. 6.7. Wydajność dyfrakcji w funkcji temperatury dla przetworników zawierających ciekłe kryształy: a) 1294-1-3, b) 1294-1-2; grubość przetworników d = 6 µm. Rys. 6.7. Wydajność dyfrakcji w funkcji temperatury dla przypadku bardzo szybkiego schładzania przetworników zawierających ciekłe kryształy: a) 1294-1-3, b) 1294-1-2; grubość przetworników d = 6 µm. 62
Przeprowadzone eksperymenty pozwoliły stwierdzić, iż skład tej mieszaniny posiada stosunkowo dobre właściwości fotorefrakcyjne. Utworzone trzy pochodne mieszaniny ciekłokrystaliczne nie wykazują samodzielnie tak dobrych parametrów jak 1294-1b [72,73]. Proces przechłodzenia ciekłych kryształów jest zjawiskiem na ogół znanym lecz jak zaobserwowano mogącym polepszyć wydajność dyfrakcji, co jednak z aplikacyjnego punktu widzenia jest trudne do uzyskania poza warunkami laboratoryjnymi. W potencjalnych zastosowaniach niepożądanym zjawiskiem może być także spadek wydajności dyfrakcji wraz ze wzrostem temperatury przetwornika. W praktyce oznaczałoby to stabilizację temperaturową urządzenia wykorzystującego tego typu przetwornik. 6.6. Wpływ zmiany temperatury na parametr uporządkowania ciekłego kryształu i wydajność dyfrakcji Jak wspomniano w rozdz. 6.5 wydajność dyfrakcji jest zależna od temperatury. Postanowiono zwrócić uwagę na jeszcze jeden czynnik mogący mieć wpływ na wydajność dyfrakcji, jakim jest parametr uporządkowania S (rozdz. 2.4). Zmiana parametru uporządkowania ciekłego kryształu wraz z temperaturą jest powszechnie znaną zależnością [27]. Zbadanie wpływu temperatury na parametr uporządkowania ciekłego kryształu (szczególnie w zakresie wysokich temperatur) i powiązanie tych wartości ze zmianą wydajności dyfrakcji wymagało zastosowania układu służącego do pomiaru charakterystyk przełączania (układ opisano w rozdz. 5.1). Układ dodatkowo wyposażono w spektrofotometr. Zastosowanie spektrofotometru miało na celu pomiar zmian wartości absorpcji przetwornika ciekłokrystalicznego dla promieniowania z zakresu widzialnego.. W tym przypadku badania wykonano dla przetworników ciekłokrystalicznych z dodatkiem barwnika (grubość d = 6 µm; mieszanina ciekłokrystaliczna 1294-1b z barwnikiem B7 w ilości 0,8% wagowych). Parametr uporządkowania wyliczano zgodnie ze wzorem: S = (A - A )/ (A +2A ) [6.3] gdzie: A - oznaczało absorpcję przetwornika w świetle spolaryzowanym liniowo, równolegle do kierunku direktora n, A - oznaczało absorpcję przetwornika w świetle spolaryzowanym liniowo, prostopadle do kierunku direktora n. 63
W trakcie pomiaru stabilizowano temperaturę przetwornika. Pomiarów dokonywano przy ustabilizowanej temperaturze z dokładnością szacowaną na 0,1 C. Kontrola temperatury wykonywana była z zastosowaniem termometru cyfrowego. Wyznaczone zmiany parametru uporządkowania przedstawiono na rys. 6.9 a. Rys. 6.9. Zmiany wartości parametrów przetwornika z mieszaniną ciekłokrystaliczną w funkcji temperatury: a) zmiana parametru uporządkowania dla mieszaniny 1294-1-3; b,c) zmiana wydajności dyfrakcji dla przetworników z mieszaninami 1294-1-3, 1294-1-2 Jak widać z przeprowadzonego eksperymentu zwiększenie temperatury przetwornika ciekłokrystalicznego może prowadzić do spadku parametru uporządkowania S (ma charakter liniowy). Parametr uporządkowania zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, co prowadzi do zmian w zapisanej siatce dyfrakcyjnej [72]. Mierzona jednocześnie wydajność dyfrakcji zmniejsza się, natomiast charakter tych zmian jest nieco inny. Podobne zależności obserwowano dla innych badanych przetworników. 64
6.7. Efekty pamięciowe i ich wpływ na zapis siatek dyfrakcyjnych w przetworniku ciekłokrystalicznym W niektórych badanych przetwornikach oprócz zapisów dynamicznych obserwowano również trwały zapis siatek dyfrakcyjnych. Dotyczyło to szczególnie przetworników posiadających warstwy izolujące (rozdz. 2.5). Po zakończeniu zapisu (fizycznym odłączeniu przetwornika ciekłokrystalicznego) siatka dyfrakcyjna pozostawała i zanikała z upływam czasu. Dla badanych przetworników czas ten wynosił maksymalnie kilkadziesiąt minut. Pewnego rodzaju efekt pamięciowy powstawał podczas procesu tzw. formatowania przetwornika ciekłokrystalicznego. Formatowanie przetwornika polegało na spolaryzowaniu przetwornika zewnętrznym polem elektrycznym. W tym samym czasie obserwowano rozproszenie, jakiego doznawała wiązka światła przechodzącego przez przetwornik ciekłokrystaliczny. Zmiany natężenia powstałego rozproszenia miały charakter dynamiczny (zmieniało się natężenie rozproszenia). Po kilku minutach utrzymywania stałego napięcia na przetworniku ciekłokrystalicznym dynamika zanikała i rozproszenie stabilizowało się (rozdz. 6.1). Zmiana polaryzacji objawiała się zazwyczaj spadkiem wydajności dyfrakcji. Był to szczególnie uciążliwy proces podczas przeprowadzania serii wielokrotnych badań z różnymi przetwornikami. Praktycznie za każdorazowym umieszczeniem przetwornika w uchwycie eksperymentalnym, należało najpierw poszukać maksimum wydajności dyfrakcji zmieniając polaryzacje i ustawienie przetwornika. Postanowiono sprawdzić czy zmiana polaryzacji pozwoli przywrócić stan pierwotny przetwornika Zbadano sześć typowych ustawień dla przetwornika ciekłokrystalicznego i sprawdzono wpływ polaryzacji pola elektrycznego i wiązek zapisujących na wydajność dyfrakcji. Badania przeprowadzono dla przetworników o grubości d = 6 µm, zawierających mieszaniny ciekłokrystaliczne o anizotropii optycznej: n = 0, 35; n = 0,4; n = 0,6. Eksperymenty przeprowadzono w układzie dwuwiązkowym (rozdz. 5.2) zasilając przetworniki ciekłokrystaliczne napięciem umożliwiającym uzyskanie maksimum wydajności dyfrakcji (rozdz. 6.3). Na rys. 6.10 przedstawiono ułożenia przetwornika podczas eksperymentu oznaczone jako a,b,c,d,e (następowały one kolejno po sobie). Okładziny przetwornika oznaczono kolorem niebieskim i czerwonym dla 65
przejrzystości rysunku. W etapie d) na rys. 6.10. ustawienie przetwornika pozostaje bez zmian. Zmienia się tylko kierunek polaryzacji wiązek zapisujących. Jak można zaobserwować na rysunku etapy eksperymentu a) i c) są identyczne. Przyjęto taką procedurę celem sprawdzenia wpływu, jaki wywarło ustawienie przetwornika w etapie b) na wydajność dyfrakcji w przetworniku ciekłokrystalicznym. Przed wyznaczeniem maksimum wydajności dyfrakcji, każde z ustawień było poprzedzone formatowaniem napięciem stałym o wartości 30V przez czas 5 minut (polaryzacja zgodna z oznaczeniami na rysunku). Napięcie oraz czas formatowania wyznaczono na drodze eksperymentalnej (rozdz. 6.3). Dla zbadanych przetworników po około 5 minutach zasilania napięciem o odwróconej polaryzacji obserwowano zanik wszelkich efektów pamięciowych. Tab. 6.2. zawiera zestawienie wyników otrzymanych dla poszczególnych ustawień przetwornika. Rys. 6.10. Ustawienia przetwornika względem kierunku polaryzacji wiązek zapisujących oraz stan polaryzacji napięcia zasilającego w etapach eksperymentu; WZ wiązka zapisująca, P kierunek polaryzacji wiązki zapisującej względem kierunku orientacji ciekłego kryształu w przetworniku. Podsumowując wyniki przedstawione w tab. 6.2 można powiedzieć, iż polaryzacja napięcia zasilającego (jego zmiana) ma istotny wpływ na wydajność dyfrakcji (ustawienie a) oraz e) na rys. 6.10) [73,76]. Mimo zaniku wybudowanej siatki dyfrakcyjnej przetwornik pozostawał niesymetryczny. Wyeliminowanie niesymetryczności było bardzo trudne. Zmiana polaryzacji wiązek zapisujących/odczytujących (ułożenie d) rys. 6.10) powodowało spadek wydajności dyfrakcji. Zostało to dokładniej opisane w rozdz. 7.1. 66
Tab. 6.2. Zestawienie wyników wydajności dyfrakcji dla serii eksperymentów wykonanych w przetwornikach o grubości d = 6 µm (ustawienia z rys. 6.10). Wartość anizotropii optycznej [ n] Wydajność dyfrakcji η [j.w.] w etapach eksperymentu a b c d e 0,35 5,95 5,30 8,50 0,20 4,12 0,35 4,18 3,29 5,60 1,80 3,92 0,40 4,81 5,47 9,96 2,20 3,20 0,40 5,03 5,22 13,41 2,87 3,28 0,60 30,35 10,90 70,30 2,20 1,69 0,60 70,88 51,40 68,40 18,4 7,22 Niesymetryczność przetwornika ciekłokrystalicznego jest prawdopodobnie wynikiem wbudowywania się zanieczyszczeń znajdujących się w ciekłym krysztale w warstwy miękkiego poliimidu jak również zależy od właściwości warstw [74,75]. W badanych przetwornikach przy wzroście anizotropii optycznej nie zaobserwowano relacji między wartościami anizotropii optycznej a efektami pamięciowymi, które są procesami związanymi z konstrukcją przetwornika ciekłokrystalicznego i właściwościami ciekłego kryształu. W późniejszych eksperymentach próbowano rozwiązać problem niesymetryczności m.in. stosując oznaczenia na elektrodach przetworników ciekłokrystalicznych. 67
6.8. Wpływ koncentracji barwnika na wydajność dyfrakcji Analizując dane literaturowe oraz wyniki badań przedstawionych w pracach [14,22] stwierdzono, ze czułość przetwornika ciekłokrystalicznego można zwiększyć domieszkując ciekłe kryształy barwnikami. Przetworniki z ciekłym kryształem domieszkowanym barwnikami pozwalały uzyskać większą wydajność dyfrakcji i w związku z powyższym postanowiono sprawdzić wpływ koncentracji barwnika na wydajność dyfrakcji. Stężenie barwnika w ciekłym krysztale postanowiono sprawdzić bazując na mieszaninie ciekłokrystalicznej 1294-1b (ze względu na jej dostępność). Do tego eksperymentu zdecydowano się wybrać barwnik B7 ze względu na długość fali świetlnej, przy której zamierzano zapisywać siatki dyfrakcyjne (laser He-Ne 632,8 nm). Stężenie barwnika określono na podstawie danych literaturowych [14,22]. Strukturę barwnika B7 zamieszczono w przypisach. Maksimum absorpcji barwnika B7 występowało przy długości fali λ max = 610 nm. Przystępując do eksperymentu, mieszaninę ciekłokrystaliczną 1294-1b domieszkowano barwnikiem B7 (błękitnym), od 0,2% wagowego zwiększając koncentrację, co 0,2% aż do 1% wagowego. Stosując układ pomiarowy dwuwiązkowy opisany w rozdz. 5.2. oraz przetworniki o grubości d = 6 µm przeanalizowano wpływ koncentracji barwnika na wydajność dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych z barwnikiem. Jak można zaobserwować z tab. 6.3. i rys. 6.11, najlepszym stosunkiem wydajność dyfrakcji/koncentracja barwnika wykazał się przetwornik z mieszaniną ciekłokrystaliczną 1294-1-b domieszkowany barwnikiem o stężeniu 0,8% wag. Wyniki eksperymentu pokazały, iż dalsze zwiększanie koncentracji barwnika powyżej 0,8% wag. powodowało spadek wydajności dyfrakcji. Osiągnięte optimum koncentracji barwnika zostało potwierdzone podczas kolejnego eksperymentu. Dla przetwornika zawierającego mieszaninę ciekłokrystaliczną z barwnikiem o koncentracji równej 1% zaobserwowano spadek wydajności dyfrakcji i wzrost absorpcji wiązek zapisujących. Wzrost absorpcji miał prawdopodobnie wpływ na lokalne zmiany temperatury przetwornika z ciekłym kryształem, rozkład chemiczny lub anomalie strukturalne w obszarze obejmowanym przez wiązki zapisujące. Spodziewając się, iż wpływ na ww. efekt może mieć moc wiązek zapisujących zastosowano zespół filtrów zmniejszających moc wiązek zapisujących. Efekt wydajności dyfrakcji był nieobserwowalny przy zmniejszeniu mocy wiązek o 50% (moc wiązek przed 68
zastosowaniem filtrów wynosiła 18 mw każda). Z przeprowadzonych badań dla tej mocy wiązek ustalono, że optymalna koncentracja barwnika wynosiła 0,8 % wagowego. Tab. 6.3. Zestawienie wyników wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych zawierających mieszaninę ciekłokrystaliczną 1294-1b domieszkowaną barwnikiem B7. Stężenie barwnika [% wagi] Wydajność dyfrakcji η[j.w.] 0,2 0,4 0,6 0,8 1 4,9 5,4 9,2 12,6 11,3 Rys. 6.11. Zestawienie wydajności dyfrakcji dla przetworników ciekłokrystalicznych przy różnym stężeniu wagowym barwnika błękitnego B7. Grubość przetwornika 6 µm. Zwiększenie koncentracji dla tej grubości przetworników powoduje wzrost rozpraszania przechodzących wiązek oraz spadek wydajności dyfrakcji. Spadek wydajności dyfrakcji może być spowodowany fluktuacjami termicznymi spowodowanymi dużym pochłanianiem promieniowania przez barwnik. Zbyt duże stężenie barwnika oraz duże natężenie wiązek oświetlających prowadziło do destrukcji przetwornika ciekłokrystalicznego i utraty jego właściwości. Przypuszczano, że rezultaty badań koncentracji barwników dla przetworników zawierających ciekły kryształ 1294-1b powinny być analogiczne dla innych ciekłych kryształów. 69
7. Warstwy orientujące i oraz ich wpływ na wydajność dyfrakcji 7.1. Zależności kierunku ułożenia warstw orientujących w stosunku do polaryzacji wiązek zapisujących i odczytujących Przetwornik ciekłokrystaliczny, którego schematyczną budowę opisano w rozdz. 2.5 posiada warstwy orientujące ułożone w jednym kierunku (warstwa ciekłego kryształu nie była skręcona). W opisywanych w poniższym rozdziale eksperymentach przyjęto zasadę, że przez ułożenie przetwornika rozumie się ułożenie warstw orientujących (np. względem polaryzacji wiązek zapisujących siatkę dyfrakcyjną). Ponieważ wiązka odczytująca hologram w układzie projekcyjnym ma określony kierunek polaryzacji (rozdz. 5.3), poszukiwanie maksymalnej wydajności dyfrakcji dla przetworników ciekłokrystalicznych sprowadzało się do ustalenia położenia przetwornika względem polaryzacji wiązek odczytujących/zapisujących oraz określenia napięć sterujących [77,78]. Eksperymenty przeprowadzano w układzie dwuwiązkowym opisanym w rozdz. 5.2. W przeprowadzonych eksperymentach posłużono się dwoma typami przetworników, różniących się między sobą kierunkiem warstw orientujących. Zastosowano przetworniki z orientacją homogeniczną równoległą oraz typu skręconego tematyka. Pomiar polegał na umieszczeniu przetwornika ciekłokrystalicznego z naklejoną przysłoną w uchwycie i wykonaniu obrotu o 360 stopni (rys. 7.1). Pomiar rozpoczynano od ułożenia przetwornika ciekłokrystalicznego równoległego względem polaryzacji wiązek zapisujących. Rys. 7.1. Kierunki obrotu przetwornika ciekłokrystalicznego. Przyjęto, że od tego ustawienia będzie liczony kąt obrotu. Obracając przetwornik ze skokiem 10 stopni wykonywano pomiar maksymalnej wartości wydajności dyfrakcji dla 70
badanego przetwornika ciekłokrystalicznego zgodnie z procedurą opisaną w rozdz. 6.3. Jak stwierdzono, zależność kąta obrotu przetwornika ciekłokrystalicznego względem polaryzacji wiązek zapisujących jest bardzo znacząca. Jednocześnie w tym układzie zastosowano dodatkowe źródła światła odczytującego siatkę dyfrakcyjną. Stosowano w tym przypadku zamiennie: laser He-Ne (632,8 nm o mocy 1,6 mw) oraz laser He-Ca (442 nm o mocy 0,4 mw). Zastosowanie dwóch źródeł o tak małej mocy, nie wywoływało destrukcji zapisanych siatek dyfrakcyjnych. Z drugiej strony przy zastosowaniu przetwornika ciekłokrystalicznego z ciekłym kryształem domieszkowanym barwnikiem B7, promieniowanie lasera He-Ca nie było pochłaniane przez barwnik i wydawał się być w tym układzie idealnym źródłem światła odczytującego hologram. Jako źródło zapisujące stosowano laser He-Ne 632,8 nm o mocy 36 mw. Przetworniki o grubości d = 6 µm napełnione ciekłym kryształem 1294-1b mocowano w uchwycie i sterując napięciem zewnętrznym poszukiwano maksimum wydajności dyfrakcji dla każdego ułożenia (rys. 7.2. i 7.3). Rys. 7.2. Wydajność dyfrakcji dla przetwornika ciekłokrystalicznego posiadającego równoległe ułożenie warstw orientujących. Źródło odczytujące: laser He-Ne [77]. Przeanalizowano następujące ułożenia przetworników ciekłokrystalicznych w stosunku do polaryzacji wiązek zapisujących i odczytujących: RR równoległa zapisująca, równoległa 71
odczytująca; RP - równoległa zapisująca, prostopadła odczytująca; PP - prostopadła zapisująca, prostopadła odczytująca; PR - prostopadła zapisująca, równoległa odczytująca. Dla przetwornika typu skręconego nematyka, ułożenie równoległe w stosunku do padających wiązek rozumiano jako ułożenie równoległe warstwy orientującej, przez którą światło padało na przetwornik. Obserwowano i mierzono natężenie pierwszego rzędu dyfrakcji (wiązki ugiętej). Na podstawie uzyskanych podczas pomiaru wartości zgodnie ze wzorem przedstawionym w rozdz. 3.3 obliczano wydajność dyfrakcji η. Rys. 7.3. Wydajność dyfrakcji dla przetwornika ciekłokrystalicznego typu skręconego nematyka. Źródło odczytujące: laser He-Ca. Zaobserwowano istnienie zależności między natężeniem wiązki ugiętej na siatce dyfrakcyjnej a kierunkiem warstw orientujących. Na podstawie otrzymanych wyników (rys. 7.2, 7.3), można wyciągnąć wniosek, iż najistotniejsze jest utrzymanie polaryzacji wiązki odczytującej w pozycji równoległej do warstw orientujących [72]. W przypadku przetwornika typu skręconego tematyka istotne było, by warstwa orientująca, na którą padało światło była równoległa do polaryzacji wiązki odczytującej. Pomiary wykonane w układzie projekcyjnym potwierdziły te zależności. Otrzymane rezultaty badań należy mieć na uwadze przy zapisie hologramów metodą projekcyjną. W procesie zapisu hologramu nie jest istotne ułożenie warstw orientujących przetwornika w stosunku do kierunku polaryzacji wiązek zapisujących. Był to ważny 72
wniosek, który wykorzystano przy metodzie projekcyjnej zapisu hologramu. Hologram w tego typu przetwornikach może być zapisywany wiązką z projektora, która nie jest spolaryzowana, należy w tym przypadku odpowiednio dobrać parametry źródła odczytującego hologram. Zależność potwierdzono dla wielu przetworników, co zostanie dokładnie omówione w rozdz. 9. 7.2. Badania właściwości przetworników ciekłokrystalicznych z różnymi warstwami Wcześniejsze badania pozwoliły zaobserwować, iż podczas procesu formatowania wstępnego przetwornika ciekłokrystalicznego dochodzi do prawdopodobnego wbudowania jonów zanieczyszczeń w warstwy posiadających kontakt z ciekłym kryształem [75]. Warstwy oddzielające ciekły kryształ od elektrod, są jednym z najistotniejszych elementów konstrukcyjnych przetwornika ciekłokrystalicznego. Postanowiono sprawdzić wpływ oraz parametry warstw orientujących i izolujących ciekły kryształ od elektrod. Rozróżniano następujące rodzaje przetworników ciekłokrystalicznych: - przetworniki posiadające warstwę poliimidową orientującą i warstwę dielektryka izolującego od elektrod w postaci SiO 2 o grubości od 50 do 100 nm, - przetworniki posiadające warstwę orientującą (fotoorientowaną) PVCN-F (fluorinatedpolyvinyl-cinnamate). Taki wybór warstw wchodzących w skład budowy przetwornika był umotywowany tym, że istniała prosta metoda modyfikacji ich grubości w procesie wytwarzania. Można je było dowolnie konfigurować pod względem kolejności i właściwości. Zastosowanie warstwy orientowanej metodami optycznymi w postaci PVCN-F miało za zadanie wyeliminowanie rozproszeń powstałych przy przejściu przez przetwornik wiązek zapisujących. Rozproszenia te, były jak przypuszczano, skutkiem oddziaływania warstw orientujących ze światłem. Wyniki eksperymentów dla przetworników ciekłokrystalicznych posiadających różne warstwy orientujące zostały przedstawione na rys. 7.4 [77,78]. Eksperymenty wykonano w układzie dwuwiązkowym opisanym w rozdz. 5.2 oraz przetwornikach o grubości d = 6 µm. 73
η Rys. 7.4. Wydajność dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych z różnymi warstwami orientującymi przy zasilaniu napięciem stałym (grubość przetworników d = 6 µm, ciekły kryształ 1294-1b), a) ITO+SiO 2 (50 nm) + poliimidowe warstwy orientujące, b) ITO+SiO 2 (100 nm) + poliimidowe warstwy orientujące, c) ITO+PVCN-F. Jak pokazano na na rys. 7.4 (a) najlepszą wydajność dyfrakcji uzyskano dla przetworników ciekłokrystalicznych posiadających warstwy elektrod pokrytych izolatorem o grubości 50 nm oraz poliimidowe warstwy orientujące. Maksymalna wartość wydajności dyfrakcji dla przetworników z elektrodami pokrytymi izolatorem o grubości 100 nm oraz poliimidowymi warstwami orientującymi była niewiele mniejsza (do przetworników z warstwami izolującymi o grubości 50 nm). Maksimum wydajności dyfrakcji występowało dla większej wartości napięć sterujących, co można wytłumaczyć zwiększoną opornością warstw. Zaobserwowano jednak zmiany napięcia sterującego, przy którym występowała maksymalna wartość wydajności dyfrakcji. Zmiana grubości warstw izolujących nie wpływała jednak znacząco na maksymalną wartość wydajności dyfrakcji i rozproszenie. Przetworniki ciekłokrystaliczne z naniesionymi warstwami porządkowanymi metodami optycznymi (PVCN-F) posiadały mniejszą wydajność dyfrakcji. Dla przetworników z tymi warstwami niestety nie udało się wyeliminować zjawiska rozpraszania. Sprawdzono również zachowanie się przetworników ciekłokrystalicznych w przypadku obrotu przetwornika w stosunku od osi X (schemat układu oraz oznaczenie 74
osi X zawarto w rozdz. 5.2 rys. 5.2), co jak się spodziewano powinno zwiększyć wydajność dyfrakcji [37]. Największe wartości wydajności dyfrakcji udało się uzyskać dla przetworników ciekłokrystalicznych posiadających warstwy elektrod pokrytych izolatorem o grubości 50 nm oraz poliimidowe warstwy orientujące i otrzymano je, gdy komórka była obrócona o 45 stopni do osi X. Wyniki tego eksperymentu są pokazane na rys. 7.5 [78]. η Rys. 7.5. Zależność wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych z różnymi warstwami w funkcji kąta obrotu względem wiązek zapisujących (przy zasilaniu przetworników napięciem stałym). Przetworniki zawierały mieszaninę ciekłokrystaliczną o wartości n = 0.35, a) ITO+SiO 2 (50 nm) + poliimidowe warstwy orientujące, b) ITO+SiO 2 (100nm) + poliimidowe warstwy orientujące, c) ITO + poliimidowe warstwy orientujące. Przedstawiona na rys. 7.5 krzywą (c) przedstawia zależność wydajności dyfrakcji dla przetwornika ciekłokrystalicznego bez warstw izolatora. Brak warstw izolatora powodował turbulencje zaburzające proces budowania siatki dyfrakcyjnej obserwowane jako rozproszenie, a wywołane przepływającymi ładunkami. W tym przypadku występował wzrost wartości prądu płynącego przez przetwornik. Wydajności dyfrakcji zmieniała się i nie udało się jej utrzymać na stałym poziomie. 75
Rys. 7.6. Zależność wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych z różnymi warstwami w funkcji obrotu względem wiązek zapisujących (przy zasilaniu przetworników napięciem stałym) zawierające ITO + SiO 2 (50 nm) + poliimidowe warstwy orientujące oraz ciekły kryształ o anizotropii optycznej: a) n = 0.6), b) n = 0.4), c) n = 0.35. Na rys. 7.6 przedstawiono wyniki eksperymentu polegającego na obrocie przetworników ciekłokrystalicznych zawierających nematyczne mieszaniny ciekłokrystaliczne o anizotropii optycznej równej: n = 0.35, n = 0.4, n = 0.6. Najwyższą wartością wydajności dyfrakcji wykazały się przetworniki zawierające ciekły kryształ o n = 0,6 (analogicznie do rezultatów badań uzyskanych w rozdz. 6.4). Czas potrzebny na zapisanie (osiągnięcie maksymalnej wydajności dyfrakcji) siatki dyfrakcyjnej w przetwornikach zawierających ciekły kryształ o wartości anizotropii optycznej n = 0.6 był nieporównywalnie krótszy (około 5 sekund) niż w przypadku przetworników zawierających ciekły kryształ o n = 0.4 (około 30 sekund). Dalsze rozważania dynamiki zapisu siatek dyfrakcyjnych zostały przedstawione w rozdz. 8. Jak wynika z przeprowadzonych badań, najbardziej korzystne było zastosowanie przetworników posiadających elektrody, warstwy izolujące o grubości 50 nm i poliimidowe warstwy orientujące takie jak w typowym przetworniku ciekłokrystalicznym omówionym w rozdz. 5.4.1 [77,78]. Zwiększenie grubości niektórych warstw pozwalają uzyskać porównywalną wydajność dyfrakcji (lecz przy wyższych napięciach). 76
Przetworniki ciekłokrystaliczne, w których zwiększa się grubość izolatora (w badanym przypadku do 100 nm) posiadają zbliżoną wartość wydajności dyfrakcji do przetworników o grubości izolatora 50 nm. Zmiana grubości warstw w zakresie od 50 do 100 nm nie wpłynęła na rozproszenie. Takie wnioski potwierdziło zastosowanie warstwy fotoorientowalnej PVCN-F. Próba zmniejszenia rozpraszania nie dała zadowalających rezultatów mimo porządkowania warstwy PVCN-F promieniowaniem ultrafioletowym. Powstające rozproszenie miało prawdopodobnie charakter objętościowy i powstawało w ciekłym krysztale lub na granicy warstwy orientującej i ciekłego kryształu. Analiza wpływu kąta obrotu przetwornika względem wiązek zapisujących wykazała maksimum dla kąta 45 0. (co było zgodne z danymi literaturowymi) [3]. Mimo iż takie ustawienie przetwornika ciekłokrystalicznego zwiększa wydajność dyfrakcji to umieszczenie przetwornika w układzie aplikacyjnym (układ projekcyjny) pod kątem 45 0 było utrudnione. 77
8. Właściwości dynamiczne przetworników ciekłokrystalicznych 8.1. Dynamika zapisu holograficznego przy sterowaniu przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem zmiennym Podczas odłączania przetworników od źródła zasilania obserwowano zwykle chwilowy wzrost wydajności dyfrakcji. Zauważono także, że przetworniki ciekłokrystaliczne charakteryzują się różnymi odpowiedziami optycznymi na zmiany wartości i kształt napięcia zasilającego. Wzrost lub spadek wartości napięcia sterującego w czasie kilkuset milisekund ze stanu wysterowania do zera powodował równoczesną modulację wydajności dyfrakcji. Ponieważ właściwości dynamiczne są jednym z najistotniejszych kryteriów, jakim należało się kierować przy poszukiwaniu przetworników ciekłokrystalicznych, postanowiono zaobserwować charakter zmian wartości wydajności dyfrakcji wraz ze zmianami wartości napięcia sterującego. Zastosowanie zmiennych napięć sterujących przetwornikami ciekłokrystalicznymi może skrócić czasy zapisu i kasowania hologramu. W związku z powyższym postanowiono zbadać wpływ zmiennych napięć sterujących (o różnym kształcie, współczynniku wypełnienia, częstotliwości) przetwornikiem ciekłokrystalicznym na wydajność dyfrakcji. Ze względu na dostępność prowadzonym eksperymencie zdecydowano się korzystać z przetworników ciekłokrystalicznych o grubości d = 6 µm i zawierających mieszaninę ciekłokrystaliczną 1294-1b ( n = 0.35). Badania wykonano w układzie dwuwiązkowym opisanym w rozdz. 5.2. Układ pomiarowy umożliwiał obserwację procesów dynamicznych zachodzących w przetworniku ciekłokrystalicznym. Badano przede wszystkim: wpływ kształtu i częstotliwości napięć sterujących na wydajność dyfrakcji, zmiany prądu przepływającego przez badane przetworniki. Przeprowadzono badania polegające na zasianiu przetworników ciekłokrystalicznych napięciami o różnym kształcie zmiennymi jak i przemiennymi. Rysunki zamieszczone w tym rozdziale dotyczące przeprowadzonych badań są odwzorowaniem przebiegów odczytanych z oscyloskopu. 78
Przetworniki zasilano wstępnie napięciem o kształcie sinusoidalnym wolnozmiennym (0,1 3 Hz). Zaobserwowano, iż zwiększanie częstotliwości napięcia sterującego w tym zakresie działało niekorzystnie na wartość wydajności dyfrakcji. Krzywa zmian wydajności dyfrakcji w funkcji czasu, będąca skutkiem przyłożonego napięcia zmiennego została pokazana na rys. 8.1 i 8.2. Największa wydajność dyfrakcji występowała, gdy następował wzrost lub spadek napięcia zasilającego. Wartość maksymalna wydajności dyfrakcji w prezentowanym przypadku (częstotliwość napięcia zasilającego f = 0,3 Hz) zwiększała się nawet pięciokrotnie (w impulsie) w stosunku do tego samego przetwornika pracującego przy zasilaniu napięciem stałym. Rys. 8.1. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) f = 0,3 Hz, U = 20 VPP, b) wydajność dyfrakcji [76]. Na podstawie wykresów przedstawionych na rys. 8.1 i 8.2 można przypuszczać, iż obniżenie wydajności dyfrakcji wraz ze wzrostem częstotliwości napięcia sterującego może być spowodowane nałożeniem się mechanizmów pochodzących od dwóch efektów: generowanego foto-prądu oraz jednoczesnej reorientacji ciekłego kryształu. Powstały fotoprąd w przypadku statycznym (przy zasilaniu przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem stałym) powoduje zaburzenia w przeorientowanej warstwie ciekłego kryształu. Zaburzenie to polega na zmianie wartości lokalnego pola elektrycznego (w miejscach oświetlonych) w przetworniku ciekłokrystalicznym i częściowym przeorientowaniu ciekłego kryształu. Jak przedstawiono na rys. 8.1 i 8.2, zapis siatki dyfrakcyjnej jest w przypadku zasilania przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem sinusoidalnym wolnozmiennym, ciągle zaburzany przez zmiany zewnętrznego napięcia sterującego. 79
Jednym ze sposobów pozwalających na utrzymanie stałej wartości wydajności dyfrakcji wraz ze wzrostem częstotliwości napięcia zasilania, było zwiększanie wartości napięcia sterującego przetwornikiem ciekłokrystalicznym (co zostało przedstawione w dalszej części tego rozdziału). Rys. 8.2. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) f = 3 Hz, U = 20 VPP, b) wydajność dyfrakcji. Szybkie zmiany polaryzacji napięcia zasilającego o małej amplitudzie (ale powyżej tzw. progu przejścia Freedericksza rozdz. 2.6) powodowały reorientację molekuł. W trakcie zmiany wartości sinusoidalnego napięcia sterującego (krzywa (a) rys. 8.2) nie występowało w tym przypadku pełne wysterowanie przetwornika. W przetworniku ciekłokrystalicznym powstawał pewnego rodzaju stan niestabilny. Siatka dyfrakcyjna była zapisywana przy ciągłej zmianie orientacji direktora ciekłego kryształu w przetworniku. Dopiero przy maksymalnej wartości napięcia sterującego przetwornik był w pełni wysterowany. Na rys. 8.2 można zaobserwować dwa piki wydajności dyfrakcji (np. wywołane zboczem opadającym sinusoidalnego napięcia sterującego, zaznaczone jako 1 i 2 rys. 8.2). Krzywa wydajności dyfrakcji w punktach 1 i 2 powstaje prawdopodobnie w wyniku złożenia dwóch mechanizmów: przeorientowania ciekłego kryształu i zaobserwowanej niesymetryczności przetwornika ciekłokrystalicznego (rozdz. 6.7). Jak łatwo zauważyć, pierwszy z pików świadczący o wydajności dyfrakcji i jest wywołany przez zbocze opadające sinusoidalnego napięcia zasilającego( krzywa (1) rys. 8.2). Zmiana wartości napięcia sterującego powoduje wytworzenie w objętości przetwornika stanu quasi-stabilnego. W takim stanie, wartość napięcia sterującego jest niższa od wartości wymaganej do pełnego wysterowania przetwornika. 80
Proces zapisu odbywa się w czasie powrotu direktora ciekłego kryształu do stanu wymuszonego przez warstwy orientujące (rozdz. 2.6). Foto-prąd generowany w wyniku oddziaływania wiązek zapisujących z ciekłym kryształem rozpływając się wywołuje lokalne zmiany rozkładu pola elektrycznego wewnątrz przetwornika, co powoduje powstanie lepszych warunków do odkształcenia. Omówione wyżej zależności obserwowano dla większości zbadanych przetworników ciekłokrystalicznych. Na rys. 8.1 i 8.3 dokładnie widać również że dwa piki są niejednakowej wielkości (różnice w maksymalnej wartości wydajności dyfrakcji dla sinusoidalnego napięcia sterującego), co wynika z niesymetryczności przetwornika ciekłokrystalicznego (rozdz. 6.7). Powstawanie drugiego piku wydajności dyfrakcji jest obserwowane przy narastaniu wartości napięcia zasilającego (napięcia sterującego o odwrotnej polaryzacji - pik (2) rys. 8.2)). Zwiększenie amplitudy napięcia sterującego powodowało szybszą reorientację i zapis siatki dyfrakcyjnej w stanie pełnego wysterowania przetwornika. Dla badanych przetworników ciekłokrystalicznych pełne wysterowanie pojawiało się zaraz po rozpoczęciu narastania bardzo stromego zbocza napięcia zasilającego (warunki i napięcia progowe zostały omówione w rozdz. 2.7). Wydajność dyfrakcji rosła wraz ze wzrostem pola elektrycznego aż do napięć granicznych, przy których następowało przebicie przetwornika. Eksperymentalnie stwierdzono, że dla przetwornika o grubości d = 6 µm posiadającego 50 µm warstwy izolujące napięcie przebicia wynosiło poniżej U = 100 V. Rys. 8.3. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) f = 0,3 Hz, U = 20 VPP, U offset = 0V; b) wydajność dyfrakcji. 81
Przeprowadzono również próby z innymi wartościami napięć zasilających. Przykładem może być dodanie składowej stałej (ang. offset) do napięcia przemiennego. Składowa stała powodowała zmianę charakteru napięcia zasilającego z przemiennego na zmienne (np. z napięcia 10 +10 V na napięcie 0 +20 V). Opisaną sytuację ilustrują oscylogramy pokazane na rys. 8.3, 8.4. Dodanie składowej stałej spowodowało znaczący wzrost wydajności dyfrakcji. Na wykresach 8.3 i 8.4 ze względu na wzrost wydajności dyfrakcji oscylogramy wydajności dyfrakcji wykonano przy zmienionej skali (w porównaniu do pomiarów wydajności dyfrakcji przedstawionych na rys. 8.1). Dodanie składowej stałej spowodowało zmianę warunków zapisu i kasowania siatki dyfrakcyjnej a tym samym zmianę kształtu pików wydajności dyfrakcji (rys. 8.4). Rys. 8.4. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) f = 0,3 Hz, U = 20 VPP, U offset = 10V; b) wydajność dyfrakcji [74,77]. Rys. 8.5. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) f = 1 Hz, U = 10 VPP, U offset = 3V; b) wydajność dyfrakcji; c) prąd płynący przez przetwornik. 82
Przypuszczano, iż czasy potrzebne do osiągnięcia maksymalnej wartości wydajności dyfrakcji są zależne również od kształtu krzywej napięcia zasilającego. Sprawdzono warunki zapisu przy wysterowaniu przetworników ciekłokrystalicznych napięciem o kształcie prostokątnym. Rys. 8.6. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) f = 1 Hz, U = 10 VPP, U offset = 8V; b) oscylogram natężenia wiązek ugiętych na siatce dyfrakcyjnej; c) prąd płynący przez przetwornik. Wyznaczone zależności dla przypadku sterowania przetwornika napięciem o kształcie prostokątnym, przedstawiono na rys. 8.5 i 8.6. Na podstawie rys. 8.5 i 8.6 można wywnioskować, iż zmiana kształtu napięcia z sinusoidalnego na prostokątny dla częstotliwości f = 1 Hz zwiększa wydajność dyfrakcji przetwornika ciekłokrystalicznego. Rys. 8.7. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego; a) f = 1,5Hz, U = 12 VPP, U offset = 6V, wypełnienie = 50 %; b) wydajność dyfrakcji. 83
Wydajność dyfrakcji dla napięcia sterującego ze składową stałą (napięcie o kształcie prostokątnym, składowa stała np. dla U = 20 VPP U offset = 10 V) osiągnęła wartości porównywalne z przypadkiem zasilania przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem sterującym o kształcie sinusoidalnym. Okazuje się, iż zbyt długi czas trwania impulsu napięcia zasilającego (powyżej 300 ms) powoduje obniżenie wydajności dyfrakcji (krzywa (b) na rys 8.6). Uzyskanie lepszej wydajności dyfrakcji może być osiągnięte poprzez zmianę współczynnika wypełnienia napięcia sterującego. Przeprowadzono doświadczenia zmieniając współczynnik wypełnienia napięcia sterującego przetwornikiem ciekłokrystalicznym. Próbowano w ten sposób dobrać wartość współczynnika wypełnienia napięcia zasilającego tak by jeszcze zwiększyć wydajności dyfrakcji. Zaobserwowane przypadki zostały zilustrowane rys. 8.7 8.10. Rys. 8.8. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji prądu płynącego przez przetwornik, a) przepływający przez przetwornik prąd, wypełnienie = 50 %, b) wydajność dyfrakcji. Rys. 8.9. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego; a) f = 1,5Hz, U = 12 VPP, U offset = 6V, wypełnienie = 20 %; b) wydajność dyfrakcji. 84
Utrzymanie stałej wartości wydajności dyfrakcji przy wyższych częstotliwościach (większych niż 10 Hz) wymagało zmian w częstotliwości, składowej stałej oraz współczynniku wypełnienia. Zaobserwowano iż dla niskich częstotliwości ( f = 0,1 5 Hz ) wydajność dyfrakcji rosła wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia (a konkretnie jego zwiększenie powyżej 50% - rys. 8.9 i 8.10). Nie zaobserwowano też korelacji pomiędzy krzywą wydajności dyfrakcji a krzywą obrazującą przepływający przez przetwornik ciekłokrystaliczny prąd. Zmiany prądu jak można zaobserwować na rys. 8.8 i 8.10 są nieporównywalnie szybsze od zmian wydajności dyfrakcji. Najlepszą wydajności dyfrakcji otrzymano w przypadku sterowania przetwornika napięciem o kształcie sinusoidalnym i prostokątnym (przeprowadzono również próby z napięciami o kształcie prostokątnym i trójkątnym). Rys. 8.10. Oscylogram wydajności dyfrakcji i prądu płynącego przez przetwornik dla napięcia zasilającego o parametrach f = 1,5Hz, U = 12 VPP, U offset = 6V, wypełnienie = 20 %; a) prąd; b) wydajność dyfrakcji. 85
Rys. 8.11. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego; a) f = 10 Hz, U = 12 VPP, U offset = 6V, wypełnienie = 20 %; b) wydajność dyfrakcji. Przedstawione na rys. 8.11 i 8.12 zestawienie oscylogramów pozwalają ocenić, iż dobierając odpowiednią wartość współczynnika wypełnienia napięcia sterującego można dodatkowo poprawić wydajności dyfrakcji. Wartość wydajności dyfrakcji dla częstotliwości f = 10 Hz i f = 1,5 Hz jest porównywalna. Dodatkowo czas trwania impulsu i jego kształt pokazują, iż zapis i kasowanie siatki dyfrakcyjnej odbywa się w czasie pojedynczych milisekund. Krótkie czasy zapisu i kasowania siatek dyfrakcyjnych obserwowane na rys. 8.12 są zadowalające z punktu widzenia zastosowania przetworników ciekłokrystalicznych w holografii dynamicznej. Rys. 8.12. Oscylogram wydajności dyfrakcji w funkcji napięcia sterującego a) napięcie f = 10 Hz, U = 12 VPP, U offset = 6V, wypełnienie = 80 %; b) wydajność dyfrakcji; c) krzywa wydajności dyfrakcji dla parametrów napięcia zasilającego: f = 1,5 Hz, U = 12 VPP, U offset = 6V, wypełnienie = 20 % [74]. 86
Analizując rezultaty przeprowadzonych badań można stwierdzić, iż w przypadku zasilania przetwornika ciekłokrystalicznego napięciami przemiennymi, wydajność dyfrakcji osiąga wartości maksymalne podczas zmian napięcia zasilającego. Dla wszystkich badanych przetworników przy ich sterowaniu napięciami przemiennymi w zakresie małych częstotliwości wydajność dyfrakcji zawsze wzrastała w stosunku do takowych zasilanych napięciem stałym. Dla sterowania przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem sinusoidalnym wydajności były największe, ale czasy zapisu i kasowania były długie. Czasy zapisu i kasowania udało się skrócić stosując napięcie o kształcie prostokątnym. W tym przypadku wystąpiły najkorzystniejsze warunki do reorientacji direktora poprzez wyidukowany foto-prąd [76]. W przypadku wyższych częstotliwości (powyżej 10 Hz), istotne znaczenie ma odpowiednie dobranie wartości składowej stałej napięcia sterującego, tak by przebieg napięcia przemiennego stał się napięciem zmiennym. Zaburzenia wydajności dyfrakcji zilustrowane na rys. 8.7 i 8.12 można wytłumaczyć analogicznie jak w przypadku zasilania przetwornika napięciem o kształcie sinusoidalnym. Na rys. 8.7 zaznaczono numery pików odpowiadające opisowi działania przetwornika w przypadku zasilania go napięciem o kształcie sinusoidalnym. Poza napięciami o kształcie sinusoidalnym i prostokątnym przeprowadzono badania wydajności dyfrakcji przetworników zasilanych napięciami o kształtach: trójkątnym i piłokształtnym. Wydajności dyfrakcji dla tych napięć były niższe niż w przypadku zasilania przetwornika napięciami: prostokątnym i sinusoidalnym. Krzywa przepływu prądu (maksymalnie rzędu pojedynczych µa) w przetworniku ciekłokrystalicznym miała inny charakter niż krzywa wydajności dyfrakcji [76]. 8.2. Badania właściwości dynamicznych przetworników ciekłokrystalicznych Po dokonaniu pomiarów wartości wydajności dyfrakcji w warunkach statycznych, bardzo istotne okazało się przeanalizowanie dynamicznego zapisu siatek dyfrakcyjnych. Jest to niezwykle istotne z punktu widzenia zastosowań. Właściwości dynamiczne badano w układzie dwuwiązkowym (rozdz. 5.2) z czoperem modulującym czas trwania impulsu zapisującego. W układzie badano przetworniki ciekłokrystaliczne o grubości d = 6 µm zawierające ciekłe kryształy o anizotropii optycznej: n = 0,35, n = 0,4 i n = 0,6. 87
Przetworniki ciekłokrystaliczne w przedstawionych badaniach były zasilane napięciem stałym o wartości pozwalającej uzyskać maksymalną wydajność dyfrakcji. Rys 8.13. Oscylogram zmian wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych w funkcji czasu dla prostokątnego impulsu zapisującego siatkę dyfrakcyjną (zbocze narastające) : a) n = 0,6; b) n = 0,4; c) n = 0,35. Istotne było sprawdzenie czasów zapisu się siatki dyfrakcyjnej w przetworniku ciekłokrystalicznym (rys. 8.13). Jak pokazano na rysunku najlepszą wydajność dyfrakcji otrzymano dla przetwornika zawierającego ciekły kryształ o anizotropii optycznej n = 0,6. Ten sam rysunek pokazuje także, iż najkrótsze czasy zapisu osiągnięto dla przetworników napełnionych mieszaninami ciekłokrystalicznymi posiadającymi anizotropię optyczna równą n = 0,35 i n = 0,6 (odpowiednio czas zapisu siatek wynosił t 0,35 100 ms, t 0,4 20 s, t 0,6 10 s). Analogiczna sytuacja występowała dla czasów kasowania siatek dyfrakcyjnych, jak to pokazano na rys. 8.14. Najdłuższe czasy kasowania osiągnięto dla przetwornika ciekłokrystalicznego napełnionego mieszaniną ciekłokrystaliczną o anizotropii optycznej n = 0,4 (odpowiednio czas kasowania siatek wynosił t 0,35 100 ms, t 0,4 30 m, t 0,6 200 ms). Długi czas kasowania siatki dyfrakcyjnej (jak było to obserwowanie dla przetwornika z ciekłym kryształem o anizotropii optycznej n = 0,4) nie dyskwalifikuje takiego przetwornika. Zapisana siatka nie zanikała przez okres czasu od 10 do 30 minut. Wystąpił tzw. efekt pamięciowy siatka dyfrakcyjna nie zanikała całkowicie (rys. 8.14). 88
Rys 8.14. Oscylogram zmian wydajności dyfrakcji przetworników ciekłokrystalicznych w funkcji czasu dla prostokątnego impulsu świetlnego zapisującego siatkę dyfrakcyjną (zbocze opadające): a - n = 0,6; b - n = 0,4; c - n = 0,35. Zbadano również wydajność dyfrakcji przetworników zawierających warstwy fotoczułe (stosowano PVK poliwinylokarbazol rozdz. 2.5) [39]. Przykładowe wyniki przedstawiono dla przetwornika z mieszaniną ciekłokrystaliczną o n = 0,35. Jak pokazano na rys. 8.15, dodanie warstwy fotoczułej znacząco poprawiło czasy zapisu i kasowania siatki w przetworniku ciekłokrystalicznym. Czasy zapisu i kasowania siatki dyfrakcyjnej skróciły się do około 30 ms (rys. 8.16). Można zaobserwować, iż kształt krzywej wydajności dyfrakcji w stosunku do impulsu zapisującego jest bardziej prostokątny, co odpowiada kształtowi impulsu zapisującego. Rys 8.15. Oscylogram zmian wydajności dyfrakcji przetwornika ciekłokrystalicznego zawierającego warstwę PVK w funkcji czasu dla impulsu zapisującego siatkę dyfrakcyjną. Zielone strzałki wyznaczają krótkotrwały zapis pamięciowy. Przetwornik o grubości d = 6 µm, mieszanina ciekłokrystaliczna o n = 0,35. 89
Rys 8.16. Oscylogram wydajności dyfrakcji otrzymany dla przetwornika z mieszaniną ciekłokrystaliczną o n = 0,35 i grubości d = 6 µm, a) przetwornik z warstwą PVK, b) przetwornik z warstwą poliimidu. Czasy kasowania siatek dyfrakcyjnych są zależne od konstrukcji przetwornika i ciekłego kryształu (rys. 8.16). Decydującą role odgrywają w tym przypadku warstwy wchodzące w skład budowy przetwornika i procesy, które zachodzą na granicy warstwa ciekły kryształ [70]. Na podstawie przeprowadzonych badań wynika, że impuls światła zapisujący siatkę może trwać bardzo krótko, a i tak siatka dyfrakcyjną w przetworniku ciekłokrystalicznym zostanie zapisana, co pośrednio można wnioskować na podstawie krzywej z rys. 8.15 i zostało przedstawione w pracy [37 ]. Podsumowując, można powiedzieć, że dodatkowe warstwy w przetworniku, mogą wywoływać zarówno efekty pożądane jak i niepożądane. Jak wynika z przeprowadzonych badań czas kasowania hologramu w przetworniku można wydłużyć uzyskując efekt pamięciowy, a tym samym zaburzyć proces zapisu następnej siatki dyfrakcyjnej [78]. Dodanie do przetwornika warstw fotoczułych takich jak PVK może skrócić czas zapisu i kasowania siatki dyfrakcyjnej w przetworniku. Czas potrzebny na zapisanie siatki dyfrakcyjnej w przetworniku z warstwą PVK skrócił się z około 150 ms (rys. 8.13 (c)) do około 30 ms (rys. 8.16 (a)). Analogiczne zależności były obserwowane dla czasów kasowania siatki dyfrakcyjnej. Czas kasowania siatki w przetworniku ciekłokrystalicznym skrócił się z około 100 ms (rys. 8.14 (c)) do około 30 ms (rys. 8.16 (a)). Mimo, że wartości lepkości dla stosowanych materiałów ciekłokrystalicznych mogły się nieznacznie różnić to zaistniałych relacji między czasami zapisu/kasowania nie da się wytłumaczyć tylko jej zmianami. 90
Odpowiednio dobrane parametry zasilania w powiązaniu z modulacją wiązki mogą spowodować wzrost wydajności dyfrakcji szczególnie dla częstotliwości około 20 Hz, które są niezbędne w przypadku metody projekcyjnej (rozdz. 9) oraz skrócić czas kasowania siatki (rozdz. 8.1). W czasie badań zaobserwowano, że najkorzystniejsze warunki zapisu siatek dyfrakcyjnych pojawiają się w przetworniku ciekłokrystalicznym przy zmianach polaryzacji napięcia sterującego jak pokazano na rys. 8.1 i 8.4 (szczególnie podczas zmniejszania wartości tego napięcia). W tym przypadku wzrost wydajności dyfrakcji w stosunku do zasilania przetwornika ciekłokrystalicznego napięciem stałym był nawet kilkukrotny. Zastosowanie napięcia o kształcie prostokątnym miało za zadanie skrócić czasy zapisu i kasowania siatek dyfrakcyjnych w przetworniku ciekłokrystalicznym. Jak się okazało napięcie o kształcie prostokątnym pozwoliło nie tylko skrócić czasy zapisu i kasowania (z 200 ms dla napięcia o kształcie sinusoidalnym rys. 8.4 do 30 ms rys. 8.12) ale również poprzez zwiększenie współczynnika wypełnienia powyżej 50 % utrzymać maksymalną wartość wydajności dyfrakcji na stałym poziomie nawet przy częstotliwościach rzędu kilkunastu Hz (rys. 8.12). Opisane w tym podrozdziale badania dotyczyły tylko przetworników zawierających niedomieszkowane ciekłe kryształy. Przeprowadzono również eksperymenty z przetwornikami zawierającymi ciekłe kryształy domieszkowane barwnikiem B7. Nie zaobserwowano jednak różnic w dynamice zapisu i kasowania w porównaniu do przetworników zawierających niedomieszkowane ciekłe kryształy. 91
9. Badania przetworników ciekłokrystalicznych w układzie projekcyjnym 9.1. Zapis prostych siatek dyfrakcyjnych Przetworniki charakteruyzujące się najlepszymi parametrami takimi jak wydajność dyfrakcji i dynamika, zostały wykorzystane do zapisu hologramów metodą projekcyjną. Jak wynikało z przeglądu dostępnej literatury nie dokonywano dotychczas tego typu zapisów na świecie. Poraz pierwszy metoda projekcyjna została zrealizowana w Wojskowej Akademii Technicznej i Politechnice Warszawskiej [13,24]. Eksperyment został wykonany w układzie opisanym w rozdz. 5.3. Odczyt hologramu realizowano z zastosowaniem lasera He-Ne. Wykorzystano przetworniki ciekłokrystaliczne o grubości d = 6 µm, napełnione mieszaniną ciekłokrystaliczną 1294-1b ( n = 0,35). Przetwornik ciekłokrystaliczny napełniony mieszaniną 1294-1b charakteryzował się największą dynamiką zapisu (rozdz. 8.2). Jak wiadomo badane przetwornki posiadają wyróżniony kierunek orientacji molekuł (rozdz. 2.5). Zaobserwowano, iż w metodzie projekcyjnej kierunek ułożenia prążków projektowanaej siatki na przetwornik ciekłokrystaliczny w stosunku do ułożenia warstw orientujących nie ma znaczenia. Natomiast bardzo istotny jest kierunek polaryzacji wiązki odczytującej. W przypadku niewłaściwego ustawienia przetwornika w stosunku do polaryzacji wiązki odczytującej obserwacja hologramu była utrudniona a czasami wręcz niemożliwa. Na przetwornik ciekłokrystaliczny były projektowane wygenerowane komputerowo obrazy prążkowe w postaci prostych siatek o różnym kontraście, kształcie i rozdzielczości. [83]. Period projektowanych siatek zmieniał się od Λ = 13,6 µm do Λ = 54,4 µm. Kontrast projektowanych prążków definiowano jako: T C = T max max T + T min min ( 100%) gdzie: T max, T min natężenie światła uzyskiwane przy skrajnych poziomach szarości (czerń i biel) dla wykorzystywanego rzutnika multimedialnego. 92
Rys. 9.1. Zależność wydajności dyfrakcji przetwornika z mieszaniną ciekłokrystaliczną 1294-1b dla różnych wartości kontrastu projektowanych prążków i rozdzielczości: a) 13,6 µm; b) 27,2 µm; c) 40,8 µm; d) 54,4 µm. Na rys. 9.1 przedstawiono krzywe zależności wydajności dyfrakcji w funkcji zmienającego się kontrastu prążków dla róznej wartości rozdzielczości hologramu (periodu zapisywanej siatki). Zależności dotyczące periodu, otrzymane podczas badań przetworników ciekłokrystalicznych w układzie dwuwiązkowym, zostały potwierdzone w układzie projekcyjnym (rozdz. 6.2) [84,85]. Najlepszą wydajność dyfrakcji otrzymano, tak jak w układzie dwuwiązkowym, dla periodu równego około 13 µm. Zaobserwowano spadek wydajności dyfrakcji po przekroczeniu wartości kontrastu powyżej 70%. Efekt ten na obecnym stadium badań przypisano rozbudowanemu układowi optycznemu, który jak sprawdzono mógł wprowadzać zmniejszenie kontrastu w przypadku obrazów prążkowych o małym periodzie [68,82]. 9.2. Obserwacje hologramów prostch obiektów Podczas badań napotkano na kilka bardzo istotnych ograniczeń technicznych, układu projekcyjenego zbudowanego na bazie multimedialnego rzutnika DMD w wersji 93
komercyjnej. Dla potrzeb eksperymentu w rzutniku DMD rozbudowano układ optyczny tak by umożliwiał projekcję hologramów na przetwornik ciekłokrystaliczny. Rozbudowany układ optyczny powodował straty w natężeniu i kontraście projektowanych obrazów prążkowych. Odtworzone hologramy dla projektowanych siatek o róznych periodach zaprezentowano w tab. 9.1. Tabela 9.1. Przykładowe hologramy syntetyczne oraz ich odwzorowania uzyskane podczas badań. Obserwowany hologram Period siatki 54,4 µm Projektowany obraz prążkowy 40,8 µm 27,2 µm 13,6 µm 40,8 µm 94
Rys. 9.2. Przykładowa siatka dyfrakcyjna litery Z. Rys. 9.2. Przykładowy hologram litery O. W układzie projekcyjnym realizowano również projekcje hologramów syntetycznych obiektów bardziej skomplikowanych. Przykładem jest uzyskana na drodze symulacji komputerowej jest siatka dla litery Z przedstawiona na rys. 9.2, oraz otrzymany metodą projekcyjną hologram litery O, przedstawiony na rys. 9.3. Rozdzielczość projektowanej siatki dyfrakcyjnej w metodzie projekyjnej była ograniczona parametrami konstrukcyjnymi rzutnika i wynosiła 1024 x 768 pikseli. Siatka o takiej rozdzielczości była projektowana na obzar przetwornika o rozmiarach 7 x 5 mm. Wynikająca z tego rozdzielczość wynosiła około R = 100 linii na milimetr. Do profesjonalnych zastosowań rozdzielczość powinna być większa (powyżej 1000 linii na milimetr). Metoda projekcyjna umożliwiała również projekcję dynamicznych zobrazowań holograficznych. Uzyskanie wyższych częstotliwości zapisywanych filmów wiązało się ze spadkiem wydajności dyfrakcji co skutkowało zmniejszeniem kontrastu w odtworzonym hologramie. Podsumowując rezultaty eksperymentów przeprowadzonych w układzie 95