Закрученные в роллы
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, в частности, как происходит данная трансформация и как благодаря этому идет преобразование поляризованных спектров.
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.
«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), – рассказал Михаил Крахалев, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренскоrо СО РАН, – 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)».
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, то есть, 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», - пояснили исследователи.
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 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. Следует отметить, что характер возникающих потоков жидкости может быть различным. Самый простой случай – круговое движение, приводящее к формированию периодически расположенных роллов. Закрутка структуры возникает при спиралевидном потоке жидкости и наблюдается в случае абнормальных роллов. 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, – пояснил Владимир Гуняков, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренскоrо СО РАН, – 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».
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», – отметил новизну подхода в рамках данного исследования по изучению фотонной структуры с нематиком Михаил Крахалев.