Применение жидких кристаллов в оптоэлектронике

В виду разной изученности жидких кристаллов в современной оптоэлек- тронике используются преимущественно нематики и частично холестерики. Смектики не проявляют выраженного перехода Фредерикса, и потому в на­стоящее время их использование в электронике ограничено.

Жидкие кристаллы в оптоэлектронике применяют главным образом для создания модуляторов, построения дефлекторов оптического излучения, инте­грально-оптических элементов различного назначения, систем обработки опти­ческой информации - оптических транспарантов, управляемых электрическим полем или светом, устройств отображения информации. Использование немати- ков базируется преимущественно на использовании эффекта Фредерикса, тре­бующем импульсов напряжений малой амплитуды (до 5 Вольт). Это обстоятель­ство дополняет хорошую интегрируемость жидкокристаллических оптических элементов с микропроцессорной техникой и позволяет создавать программно управляемые экономные, малогабаритные и надежные оптоэлектронные элемен­ты и устройства.

1. Жидкокристаллические модуляторы представляют собой оптическую планарную или гомеотропную ячейку, которую размещают между скрещенными или параллельными поляризаторами. Падающее оптическое излучение имеет линейную поляризацию. В зависимости от конструкции модулятора и исполь­зуемого электрооптического эффекта при наложении электрического поля, соз­дающего один из перечисленных выше структурных эффектов, его пропускная способность изменяется от нуля до 100% в соответствии с законом изменения прикладываемого напряжения. Предельная частота модуляции такого модулято­ра обычно составляет несколько килогерц. Поэтому такие модуляторы чаще ис­пользуются как оптические затворы. Однако скоро ЖК модуляторы будут рабо­тоспособны до сотен килогерц и выше.

2. Дефлекторы оптического излучения могут быть созданы на основе многочисленных электрооптических эффектов в жидких кристаллах: переходе Фредерикса, доменах Капустина-Вильямса, использовании нарушения полного внутреннего отражения и т.д. Назначение дефлектора - отклонение оптическо­го луча в нужном направлении. Наиболее просто этого достичь, если в жидкок­ристаллической ячейке выбором треугольной топологии полевых электродов сформировать клиновидную призму, изменяющую свой относительный показа­тель преломления в электрическом поле от нуля до величины, определяемой анизотропией диэлектрической проницаемости.

3. Интегрально-оптические элементы на основе жидких кристаллов представляют собой элементы, встроенные в оптическую схему оптоэлектрон- ного устройства. Это активные линзы, волноводные модуляторы, волноводные дефлекторы и т.д. Их применение позволяет программно управлять оптической схемой оптоэлектронного устройства, изменять его функции. Подавая на эти элементы в соответствии с алгоритмом работы устройства напряжения выше порога Фредерикса, можно ЖК призмой изменять направление распростране­ния светового луча; активируя ЖК линзу, включать-выключать фокусировку; оптической ячейкой осуществлять модуляцию света цифровым сигналом. Од­нако ввиду значительных оптических потерь в ЖК интегрально-оптические элементы применяют в волноводных линиях.

4. Оптоэлектронные транспаранты. Для современных систем обра­ботки информации большое значение имеют оптоэлектронные транспаранты, управляемые полем или светом. Транспаранты представляют собой простран­ственные модуляторы или, точнее, пространственные световые ключи, управ­ляющие по заданному временному закону одним или несколькими параметра­ми светового потока. Жидкие кристаллы являются удобными рабочими веще-

135

ствами для транспарантов вви­ду малых управляющих на­пряжений и потребляемой мощности, хорошего контраста и возможности изготовления транспарантов практически любых размеров.

Так, жидкокристаллический транспарант, управляемый электрическим полем, пред­ставляет собой матрицу, составленную из большого числа независимых опти­ческих ячеек. На матрицу нанесены прозрачные металлические электроды в ви­де полосок, направленных взаимно перпендикулярно на противоположных опорных стеклах (см. рис. 60). При подаче напряжения на определенную ком­бинацию вертикальных и горизонтальных полосок выбранные таким способом ячейки изменяют свои оптические свойства. На представленном рисунке пере­ход Фредерикса происходит в ячейке с координатами (2, 4). Если транспарант работает на просвет, то обе опорные поверхности делают прозрачными. Если же транспарант работает на отражение, то одна опорная поверхность делается зеркальной.

Рис. 60

Транспаранты, управляемые светом, отличаются от описанных выше тем, что в них жидкокристал­лическая ячейка включается после­довательно с высокоомным фоторе­зистором. Прикладываемое к транс­паранту постоянное напряжение бе­рется выше напряжения Фредерикса. В отсутствии освещения из-за боль­шого падения напряжения на фоторе­
зисторе напряжения на оптической ячейке недостаточно для структурных из­менений в ней. Освещение фотослоя повышает его проводимость в местах ос­вещения, и тогда в освещенных точках транспаранта приложенное напряжение перераспределяя-ется в пользу ЖК слоя. Это вызывает переход Фредерикса и изменение структуры ЖК, что обнаруживается в проходящем или отраженном свете. Таким образом, изображение на ЖК транспаранте в точности повторяет световую картинку, спроецированную на его заднюю стенку. Если проецируе­мое на транспарант изображение инфракрасное, то такой транспарант позволя­ет сделать его видимым.

Жидкокристаллические транспаранты используются для формирования двумерных массивов информации, выполнения логических операций, преобра­зования яркости излучения, перестраиваемой фильтрации изображения и т.д.

5. Устройства отображения информации на жидких кристаллах ха­рактеризуются дешевизной, низким энергопотреблением, малыми управляю­щими напряжениями и хорошей технологической совместимостью с инте­гральными микросхемами. Они используют переход Фредерикса в твист- структуре, а также эффект динамического рассеяния света в S-эффекте только в черно-белом цвете. Индикаторы третьего поколения полноцветные, что дости­гается применением эффекта «гость-хозяин» в нематике либо использованием холестерика с электрически регулируемым шагом спирали.