Поляризационно-оптические характеристики излучения, прошедшего одномерный фотонный кристалл с твист-нематическим дефектным слоем

Великий технологический прорыв дисплейной промышленности (1970-е по настоящее время) свершился благодаря электроуправляемому светопропусканию слоя жидкого кристалла (ЖК) с винтообразного закрученной оптической осью. Такой закрученный слой ЖК называют твист-ячейкой. Твист-ячейка, помещенная в оптический резонатор, проявляет новые тонкие эффекты, которым был посвящен ряд исследований, проведенных в нашей лаборатории в 2010-2014 годах. Первый эффект – квазипересечение частот оптических мод резонатора. Второй эффект – геометрическая фаза закручивания, классический аналог спин-орбитального взаимодействия.

В твист-ячейке поляризация проходящего света поворачивается вслед за оптической осью благодаря волноводному режиму Могена. Фазовый набег волны с вращающейся поляризацией содержит динамическую и геометрическую фазу. Для экспериментального измерения набега фазы систему помещают в оптический резонатор типа Фабри-Перо с многослойными диэлектрическими зеркалами, представляющий собою одномерный фотонный кристалл с твист-нематическим дефектным слоем. При целом числе N периодов волны за проход резонатора 2L условие положительной обратной связи имеет вид:

где ­λ₀ – длина волны в вакууме, которой соответствуют спектральные пики пропускания, n_eff – эффективный показатель преломления (ПП). Однако измерение затрудняется тем, что анизотропная среда резонатора порождает две серии пиков, с поляризациями вдоль главных осей тензора диэлектрической проницаемости и различными эффективными ПП (n_eff, n'_eff). Вращение главных осей делает резонансные поляризации эллиптическими, создает связь мод при отражении от зеркал и проявляется как квазипересечение нормальных частот (avoided crossing).

В работе [1] экспериментально и численно исследовано поведение дефектных мод в стоп-зоне одномерного фотонного кристалла, содержащего дефект (резонаторную полость), заполненный нематической твист-ячейкой, закрученной на 90⁰. Дефектные моды имеют непостоянную поляризацию в виде эллипса, ориентированного вдоль директора ЖК (L-мода), либо поперек (Т-мода). На рис. 5-1 показан спектр пропускания структуры, пики пропускания изображены темным.

Рис. 5-1. Зависимость коэффициента пропускания длины волны и электрического напряжения на твист-ячейки

I. При напряжениях ниже порога Фредерикса динамика мод отсутствует.

II. При незначительном превышении порога Фредерикса, L-моды резко смещаются в синюю область спектра.

III. При больших напряжениях средний слой молекул ЖК наклоняется вдоль оси распространения. Это уменьшает анизотропию среды и приводит к срыву режима Могена.

Овалами b, d, f отмечено квазипересечение L- и Т-мод одинаковой четности. В общем случае, к резонансным модам эллиптической поляризации не применимо определение номера моды как количества пучностей стоячей волны, так как в случае интерференции встречных круговых волн одного знака узлы стоячей волны отсутствуют. IV. Когда напряжение превышает порог Фредерикса втрое, средний слой молекул ЖК практически переходит в гомеотропную ориентацию. Исчезает хиральность структуры, а с ней и отличие L- и Т-мод.

В работе [2] для подавления связи мод предлагается использовать анизотропные зеркала резонатора. Впервые отмечается, что закручивание приводит к усилению анизотропии. Другими словами, эффективные ПП различаются сильнее, чем обыкновенный ПП n₀ и необыкновенный ПП n_e. (n_eff <n₀ < n_e <n'_eff).

Рис. 5-2. Спектры пропускания поперечной моды в анизотропном резонаторе

На Рис. 5-2 приведены спектры пропускания поперечной моды в анизотропном резонаторе. Рассмотрены два случая, когда закручивание отсутствует и когда оно составляет 180 градусов. Спектры рассчитаны методом Берремана, обобщающим метод матрицы переноса на анизотропные среды. Для расчета использовались нормированные ПП: = 0,9, = 1,1, длина резонатора L = 10 мкм. При частотах порядка 0,1 мкм^-1, что соответствует длине волны 10 мкм, закрученная структура проявляет низкое пропускание, что связано с отражением света от структуры в фотонной запрещенной зоне.

Видно, что закручивание смещает пики в коротковолновую область, причем смещение усиливается при меньшей частоте. Коротковолновое смещение говорит об уменьшении эффективного ПП (1), который становится меньше обыкновенного ПП.

Изучаемое явление позволяет управлять структурой с резкими оптическими свойствами и высокой точностью измерений при хорошем совпадении с численными расчетами. Помимо чисто оптических приложений возможно решение обратной задачи и прецизионное измерение упругих и вязких констант ЖК.

1. Timofeev I.V., Yu-Ting Lin, Gunyakov V.A., Myslivets S.A., Arkhipkin V.G., Vetrov S.Ya., Wei Lee, Zyryanov V.Ya. Voltage-induced defect mode coupling in a one-dimensional photonic crystal with a twisted-nematic defect layer // Phys. Rev. E 85, 011705 (2012).
2. И.В. Тимофеев, С.Я. Ветров. Спектральное проявление эффективного показателя преломления в хиральной оптической среде, помещенной в резонатор фабри–перо с анизотропными зеркалами. Известия РАН, серия физическая, 2014, Т. 78, № 12, С. 1593–1597.