В отличие от обычных жидкокристаллических экранов, которые просто затемняют картинку, разработка ученых Дальневосточного федерального университета и Ереванского государственного университета позволяет электричеством поворачивать луч света, не искажая его и не теряя яркости. Эта технология толщиной 8 микрон обещает избавить сложные оптические приборы от громоздких вращающихся деталей, делая их компактнее и надежнее, сообщает «Научная Россия».
Поляризация света — это направление колебаний световой волны. Управление этим параметром необходимо в фотонике, лазерной технике, дисплейных технологиях, оптических датчиках и системах связи. Обычно для этого используются специальные оптические элементы, требующие сложной настройки, однако жидкие кристаллы позволяют менять свойства среды электрическим полем, без механической перестройки устройства.
Ученые работали с холестерическими жидкими кристаллами — материалами, в которых молекулы образуют спиральную структуру. В исходном состоянии молекулы ориентированы перпендикулярно подложкам ячейки — такая конфигурация реализуется при толщинах ячейки ниже критического значения. Под действием внешнего электрического поля структура перестраивается и переходит в так называемую трансляционно-инвариантную конфигурацию, в которой ориентация молекул однородна в плоскости подложек, но закономерно меняется по толщине ячейки.
«В оптике часто приходится выбирать между точностью и универсальностью, когда элемент хорошо работает либо для определенной длины волны, либо для строго заданной ориентации света. Нам удалось показать, что тонкая жидкокристаллическая ячейка может сохранять линейность света и при этом поворачивать его поляризацию в достаточно широком спектральном диапазоне — от синего до красного. Это очень важное качество для управляемой оптики, так как открывает путь к более компактным перестраиваемым элементам для фотоники, где управление светом должно быть быстрым, точным и без механических движущихся частей», — рассказал один из авторов исследования, доктор физико-математических наук, профессор Департамента общей и экспериментальной физики Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Ашот Геворгян.
Экспериментальная установка включала суперконтинуумный лазер, жидкокристаллическую ячейку под электрическим полем, две ахроматические полуволновые пластинки и поляризационную камеру. Исследователи работали с жидкокристаллической смесью толщиной всего 8 мкм и шагом холестерической спирали 20 мкм. Управляющее переменное напряжение подавалось в диапазоне до 20 В.
Ключевой результат работы состоит в том, что одна и та же жидкокристаллическая ячейка может формировать разные состояния поляризации в зависимости от приложенного поля. В выбранной области размером 172,5 × 172,5 мкм степень линейной поляризации возрастала примерно от 0,5 при низких напряжениях до 0,9 при увеличении напряжения. При этом эффект слабо зависел от длины волны в диапазоне 400–600 нм, то есть работал сходным образом для разных цветов в указанной части видимого спектра.
«Мы рассматривали ячейку толщиной всего 8 микрон и в рамках теоретической модели показали, как под действием электрического поля должно меняться состояние поляризации проходящего света. Важно, что это не просто эффект включения и выключения — одна и та же ячейка теоретически может давать разные состояния поляризации в зависимости от приложенного напряжения, и эксперимент, проведенный нашими коллегами из Еревана, это подтвердил», — отметил соавтор исследования, сотрудник Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Андрей Малинченко.
Авторы работы отмечают, что полученные результаты могут быть полезны для разработки перестраиваемых фотонных элементов, электрооптических модуляторов и устройств управления поляризацией света. В дальнейшем исследователи планируют изучить прохождение через подобные структуры не только линейно, но и эллиптически поляризованного света.
В исследовании участвовали специалисты Ереванского государственного университета и Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ. Со стороны ДВФУ в работе приняли участие Андрей Малинченко и Ашот Геворгян.
