Красноярские физики исследуют параметры закрученной структуры (так называемых роллов) в дефектном слое жидкого кристалла в составе многослойной фотонной структуры. Изучение таких моделей перспективно для применения в различных оптоэлектронных устройствах.
В качестве функциональных элементов нанофотоники, оптоэлектроники и оптического приборостроения специалисты рассматривают многослойные фотонные структуры. Внимание ученых направлено, прежде всего, на фотонную запрещенную зону (или полосу непрозрачности), которая является уникальным свойством структуры и которую можно модифицировать. Это позволяет расширить границы применения фотонных кристаллов. Нарушения периодичности приводят к возникновению в запрещенной зоне дефектных мод (спектральных окон прозрачности).
Чередование слоев фотонной структуры дает разные оптические характеристики, поэтому физики используют комбинацию разных материалов. Например, в качестве дефектного слоя красноярскими учеными взят жидкий кристалл (нематик), поскольку он формирует фотонные структуры с контролируемыми спектральными характеристиками. В нематике специалисты изучали формирование закрученной периодической структуры, или абнормальных роллов (abnormal electroconvective rolls), в частности, как происходит данная трансформация и как благодаря этому идет преобразование поляризованных спектров.
На фото – Крахалев Михаил Николаевич – кандидат ф-м наук, доцент Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФРЭ) Сибирского федерального университета, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренскоrо Сибирского отделения Российской академии наук - обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН (ИФ СО РАН, г. Красноярск)
Подход, предлагаемый красноярскими физиками к исследованию фотонной структуры, может быть использован для изучения особенностей пространственно-периодических структур в жидкокристаллических системах, а в дальнейшем использоваться в перестраиваемых спектральные фильтрах, поляризационных датчиках и оптических устройствах.
Соавторы исследования Михаил Николаевич Крахалев – кандидат физико-математических наук, доцент Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФРЭ) Сибирского федерального университета (г. Красноярск), старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренскоrо Сибирского отделения Российской академии наук (ИФ СО РАН, г. Красноярск) и Владимир Алексеевич Гуняков – кандидат физ.-мат. наук, доцент, старший научный сотрудник (ИФ СО РАН, г. Красноярск) – сообщили о ключевых аспектах проводимой работы, результаты которой опубликованы в международном издании «Optical Materials» (Volume 100, February 2020, 109630).
«Фотонные структуры – структуры с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью (изменяющимся показателем преломления). В результате, такие материалы приобретают уникальные оптические свойства. Так например, они практически полностью отражают свет в определенном интервале длин волн, что в природе часто встречается в ярких цветных объектах (опалы, крылья некоторых бабочек или жуков, перья павлинов, хамелеоны), – Михаил Крахалев раскрыл специфику фотонной структуры, – Исследуемая нами многослойная фотонная структура представляет собой периодически расположенные слои (одномерный случай) с одним «дефектным» слоем в центре. Дефектный слой отличается от остальных слоев, образующих периодическую структуру толщиной или показателем преломления. Что дает наличие дефектного слоя? В этом случае в интервале длин волн, которые отражаются от периодических структур, появляются отдельные частоты, на которых свет практически полностью проходит вперед (дефектные моды фотонной структуры). Оказывается, что количество этих мод и их частота (длина волны) напрямую зависит от параметров дефектного слоя: толщины и показателя преломления вещества, из которого он сделан. Соответственно, изменяя параметры дефектного слоя, можно управлять спектральным положением оптических мод (управляемые спектральные фильтры, перестраиваемые лазеры), или наоборот, по характеру смещения дефектных мод можно судить об изменениях, произошедших в дефектном слое (сенсоры)».
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для исследования спектров пропускания многослойной фотонной структуры с нематическим дефектным слоем
Красноярские физики в своем исследовании сфокусировались на экспериментальном изучении дефектного слоя фотонной структуры и анализе его показателей.
Как изменить параметры дефектного слоя?
«Одним из самых эффективных и широко применяемых методов является использование в качестве дефекта тонкого (несколько микрометров) слоя жидкого кристалла, например нематического. Такой жидкий кристалл обладает ориентационным порядком и является оптически одноосной средой, т.е. показатель преломления зависит от направления преимущественной ориентации молекул нематика (этот эффект, кстати, используется в жидкокристаллических мониторах, телевизорах). Соответственно, от ориентации молекул жидкого кристалла зависит положение дефектных мод фотонной структуры.
Более того, если в слое создать не однородно ориентированную, а закрученную структуру нематика, то появляется дополнительный фактор, связанный с величиной закрутки (так называемая, геометрическая фаза). Соответственно, определив вклад геометрической фазы в общее изменение спектрального положения оптических мод, можно измерить и угол закрутки нематика».
Рисунок 2. Спектральное положение оптических мод в отсутствие и при возникновении абнормальных роллов
Так, в нематических жидких кристаллах образуются сложные закрученные структуры, для которых характерны разные условия и способы формообразования.
Как получить такую закрученную структуру?
«Закрученную структуру можно сформировать в слое нематика, сориентировав (специальной обработкой) молекулы на одной и второй границах слоя в различных направлениях. В результате в объеме ориентация жидкого кристалла будет плавно поворачиваться при переходе от одной подложки к другой (такая структура реализована, например в TN-ячейках мониторов).
Но в нашем случае рассматривалась система, в которой закрутка появлялась в результате возникновения замкнутого движения жидкого кристалла под действием переменного электрического поля (электрогидродинамические неустойчивости). Следует отметить, что характер возникающих потоков жидкости может быть различным. Самый простой случай – круговое движение, приводящее к формированию периодически расположенных роллов (нормальные роллы). Закрутка структуры возникает при спиралевидном потоке жидкости и наблюдается в случае абнормальных роллов, которые, кстати, внешне очень похожи на нормальные. Следует отметить, что в этом случае характер кручения существенно отличается от случая, когда кручение возникает благодаря обработке поверхностей. В абнормальных роллах на границах слоя ориентация молекул одинакова, а в центре слоя они повернуты на максимальный угол (torsion effect), –
Владимир Гуняков объяснил, каким образом создается закрученная структура и какой научный интерес представляет, – Заданное направление конвективного потока в роллах обеспечивает оптимальную связь между скоростью потока и конфигурацией нематического директора. Вместе с тем, такая ситуация сопровождается максимальной вязкой диссипацией энергии. Закручивание директора в роллах уменьшает диссипацию, способствуя стабилизации ролловой структуры.
С точки зрения оптики, роллы – фазовая дифракционная решетка, параметрами которой можно управлять электрическим полем. Соответственно, такая система роллов является интересным модельным объектом сложных рассеивающих сред, помещенных в дефектном слое фотонной структуры. Нас интересовал вопрос: как возникновение рассеивающей среды и тип формирующихся электроконвективных течений (роллов) скажется на дефектных модах».
Рисунок 3. Слева представлены фотографии нормальных роллов, справа – абнормальных роллов
Красноярские физики с 2012 года ведут исследования многослойных фотонных структур с дефектным слоем, содержащим нематик с закрученной структурой, в частности, исследования вклада геометрической фазы в положение дефектных мод. Возглавляет направление по данной теме доктор физ.-мат. наук, профессор, академик Василий Филиппович Шабанов, а руководит проектом доктор физ.-мат. наук, профессор Института физики им. Л.В. Киренскоrо СО РАН Виктор Яковлевич Зырянов.
Экспериментальная часть работы проводилась в Институте физики им. Л.В. Киренскоrо кандидатом физ.-мат. наук, доцентом, старшим научным сотрудником ИФ СО РАН Гуняковым Владимиром Алексеевичем, а также кандидатом физ.-мат. наук, доцентом Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФРЭ) СФУ и старшим научный научным сотрудником ИФ СО РАН Крахалевым Михаилом Николаевичем. Численный расчет выполняет доктор. физ.-мат. наук заведующий лабораторией Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФРЭ) Сибирского федерального университета и заведующий лабораторией ИФ СО РАН Тимофеев Иван Владимирович.
Для интерпретации экспериментальных данных в первом приближении использованы известные методы расчета оптических мод многослойной структуры с дефектным слоем, которые были адаптированы красноярскими специалистами для случая кручения, возникающего в абнормальных роллах.
Наблюдение за модельным объектом, отличающимся сложной геометрической формой и внутренним строением, показывает, что ученым еще предстоит проследить за этой своеобразной оптической системой и получить более детальную информацию о ее поведении в составе сложных систем.
«Мы показали, что фотонная многослойная структур с дефектным слоем может быть использована для анализа сложных периодических структур, формирующихся в жидкокристаллических системах в результате электро-конвективных процессов. Так, можно легко определить переход между нормальными и абнормальными роллами, как и исследовать структуру абнормальных роллов, измерив положение оптических мод фотонной структуры. В перспективе, данный подход может быть развит для других систем, имеющих схожую структуру», – Михаил Крахалев отметил новизну подхода в рамках данного исследования по изучению фотонной структуры с нематиком.
