Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Границы применимости приближения прямых лучей при моделировании оптических свойств жидкокристаллических дифракционных решеток

Границы применимости приближения прямых лучей при моделировании оптических свойств жидкокристаллических дифракционных решеток

Автор: Яковлев Дмитрий Дмитриевич, Яковлев Дмитрий Анатольевич

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 1 т.44, 2020 года.

Бесплатный доступ

С помощью компьютерного моделирования оцениваются границы применимости приближения прямых лучей для расчёта оптических характеристик жидкокристаллических дифракционных решёток с плавной пространственной модуляцией ориентации локальной оптической оси в жидкокристаллическом слое. Представленные данные, касающиеся влияния скорости и характера модуляции локальной оптической оси, а также величины коэффициента двулучепреломления среды на точность результатов, получаемых в указанном приближении, являются полезными и при рассмотрении слоёв с непериодическим характером вариации локальной оптической оси.

Дифракция и решётки, оптические устройства, физическая оптика, двулучепреломляющие дифракционные решётки, приближение прямых лучей, модальный метод решёток

Короткий адрес: https://sciup.org/140247073

IDR: 140247073   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-562

Limits of applicability of the direct ray approximation in modeling optical properties of liquid-crystal diffraction gratings

Using computer modeling, we estimate limits of applicability of the direct ray approximation in modeling the optical properties of liquid-crystal diffraction gratings with continuous spatial modulation of the local optic axis orientation in a liquid crystal layer. The data presented concerning the influence of the spatial frequency and character of modulation of the local optic axis, as well as the magnitude of birefringence of the medium, on the accuracy of the results obtained in this approximation are also useful in considering birefringent layers with an aperiodic variation of the local optic axis.

Список литературы Границы применимости приближения прямых лучей при моделировании оптических свойств жидкокристаллических дифракционных решеток

  • Schadt, M. Optical patterning of multi-domain liquid-crystal displays with wide viewing angles / M. Schadt, H. Seiberie, A. Schuster // Nature. - 1996. - Vol. 381, Issue 6579. - P. 212-215. - DOI: 10.1038/381212a0
  • Eakin, J.N. Zero voltage Freedericksz transition in periodically aligned liquid crystals / J.N. Eakin, Y. Xie, R.A. Pelcovits, M.D. Radcliffe, G.P. Crawford // Applied Physics Letters. - 2004. - Vol. 85, Issue 10. - P. 1671-1673. - DOI: 10.1063/1.1789578
  • Escuti, M.J. Polarization-independent switching with high contrast from a liquid crystal polarization grating / M.J. Escuti, W.M. Jones // SID Symposium Digest of Technical Papers. - 2006. - Vol. 37, Issue 1. - P. 1443-1446. - DOI: 10.1889/1.2433259
  • Provenzano, C. Highly efficient liquid crystal based diffraction grating induced by polarization holograms at the aligning surfaces / C. Provenzano, P. Pagliusi, G. Cipparrone // Applied Physics Letters. - 2006. - Vol. 89, Issue 12. - 121105 (3 p.). - DOI: 10.1063/1.2355456
  • Sarkissian, H. Polarization-controlled switching between diffraction orders in transverse-periodically aligned nematic liquid crystals / H. Sarkissian, S.V. Serak, N.V. Tabiryan, L.B. Glebov, V. Rotar, B.Ya. Zeldovich // Optics Letters. -2006. - Vol. 31, Issue 15. - P. 2248-2250. - DOI: 10.1364/OL.31.002248
  • Komanduri, R.K. Elastic continuum analysis of the liquid crystal polarization grating / R.K. Komanduri, M.J. Escuti // Physical Review E. - 2007. - Vol. 76, Issue 2. - 021701 (8 p.). -
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.76.021701
  • Komanduri, R.K. Polarization-independent modulation for projection displays using small-period LC polarization gratings / R.K. Komanduri, W.M. Jones, C. Oh, M.J. Escuti // Journal of the Society for Information Display. - 2007. -Vol. 15, Issue 8. - P. 589-594. -
  • DOI: 10.1889/1.2770860
  • Nicolescu, E. Polarization-independent tunable optical filters based on liquid crystal polarization gratings / E. Nicolescu, M.J. Escuti // Proceedings of SPIE. - 2007. -Vol. 6654. - 665405 (11 p.). -
  • DOI: 10.1117/12.735305
  • Serak, S. High-efficiency 1.5 qm thick optical axis grating and its use for laser beam combining / S. Serak, N. Tabiryan, B. Zeldovich // Optics Express. - 2007. - Vol. 32, Issue 2. - P. 169-171. -
  • DOI: 10.1364/OL.32.000169
  • Komanduri, R.K. High efficiency reflective liquid crystal polarization gratings / R.K. Komanduri, M.J. Escuti // Applied Physics Letters. - 2009. - Vol. 95, Issue 9. - 091106. -
  • DOI: 10.1063/1.3197011
  • Nersisyan, S.R. Characterization of optically imprinted polaiization gratings / S.R. Nersisyan, N.V. Tabiryan, D.M. Steeves, B.R. Kimball // Applied Optics. - 2009. - Vol. 48, Issue 21. - P. 4062-4067. -
  • DOI: 10.1364/AO.48.004062
  • Nicolescu, E. Polarization-independent tunable optical filters using bilayer polarization gratings / E. Nicolescu, M.J. Escuti // Applied Optics. - 2010. - Vol. 49, Issue 20. - P. 3900-3904. -
  • DOI: 10.1364/AO.49.003900
  • Kudenov, M.W. White-light channeled imaging polarimeter using broadband polarization gratings / M.W. Kudenov, M.J. Escuti, E.L. Dereniak, K. Oka // Applied Optics. - 2011. - Vol. 50, Issue 15. - P. 2283-2293. -
  • DOI: 10.1364/AO.50.002283
  • Crawford, G.P. Liquid-crystal diffraction gratings using polarization holography alignment techniques / G.P. Crawford, J.N. Eakin, M.D. Radcliffe, A. Callan-Jones, R.A. Pelcovits // Journal of Applied Physics. - 2005. - Vol. 98, Issue 12. - 123102 (10 p.). -
  • DOI: 10.1063/1.2146075
  • Wu, W.Y. Two-dimensional holographic polarization grating formed on azo-dye-doped polyvinyl alcohol films / W.Y. Wu, M.S. Li, H.C. Lin, A.Y.-G. Fuh // Journal of Applied Physics. - 2008. - Vol. 103, Issue 8. - 083119 (6 p.). -
  • DOI: 10.1063/1.2907959
  • Hu, W. Polarization independent liquid crystal gratings based on orthogonal photoalignments / W. Hu, A.K. Srivastava, X.-W. Lin, X. Liang, Z.-J. Wu, J.-T. Sun, G. Zhu, V. Chigrinov, Y.-Q. Lu // Applied Physics Letters. - 2012. - Vol. 100, Issue 11. -111116 (4 p.). -
  • DOI: 10.1063/1.3694921
  • Honma, M. Twisted nematic liquid crystal polarization grating with the handedness conservation of a circularly polarized state / M. Honma, T. Nose // Optics Express. - 2012. - Vol. 20, Issue 16. - P. 18449-18458. -
  • DOI: 10.1364/OE.20.018449
  • Kawai, K. Simple fabrication of liquid crystalline grating cells with homogeneous and twisted nematic structures and effects of orientational relaxation on diffraction properties / K. Kawai, T. Sasaki, K. Noda, N. Kawatsuki, H. Ono // Applied Optics. - 2014. - Vol. 53, Issue 17. - P. 3679-3686. -
  • DOI: 10.1364/AO.53.003679
  • Kawai, K. Diffraction properties of a vector grating liquid crystal cell fabricated using a one-step exposure of a nonorthogonal elliptically polarized interference beam / K. Kawai, T. Sasaki, M. Sakamoto, K. Noda., N. Kawatsuki, H. Ono // Journal of the Optical Society of America B. - 2015. - Vol. 32, Issue 12. - P. 2435-2440. -
  • DOI: 10.1364/JOSAB.32.002435
  • Kawai, K. Holographic binary grating liquid crystal cells fabricated by one-step exposure of photocrosslinkable polymer liquid crystalline alignment substrates to a polarization interference ultraviolet beam / K. Kawai, T. Sasaki, K. Noda, M. Sakamoto, N. Kawatsuki, H. Ono // Applied Optics. - 2015. - Vol. 54, Issue 19. - P. 6010-6018. -
  • DOI: 10.1364/AO.54.006010
  • Provenzano, C. Electrically tunable two-dimensional liquid crystals gratings induced by polarization holography / C. Provenzano, P. Pagliusi, G. Cipparrone // Optics Express. - 2007. - Vol. 15, Issue 9. - P. 5872-5878. -
  • DOI: 10.1364/OE.15.005872
  • Ringsdorf, H. Photoreactive chiral liquid-crystalline side-group copolymers containing azobenzene mesogens / H. Ringsdorf, C. Urban, W. Knoll, M. Sawodny // Die Makromolekulare Chemie. - 1992. - Vol. 193, Issue 5. - P. 1235-1247. -
  • DOI: 10.1002/macp.1992.021930520
  • Bobrovsky, a. New azobenzene-based chiral-photochromic substances with thermally stable Z-isomers and their use for the induction of a cholesteric mesophase with a phototunable helix pitch / A. Bobrovsky, A. Ryabchun, M. Cigl, V. Hamplova, M. Kaspar, F. Hampl, V. Shibaev // Journal of Materials Chemistry C. - 2014. - Vol. 2, Issue 40. - P. 8622-8629. -
  • DOI: 10.1039/C4TC01167H
  • Ryabchun, А. Rotatable diffraction gratings based on cholesteric liquid crystals with phototunable helix pitch / A. Ryabchun, A. Bobrovsky, J. Stumpe, V. Shibaev // Advanced Optical Materials. - 2015. - Vol. 3, Issue 9. - P. 1273-1279. -
  • DOI: 10.1002/adom.201500159
  • Ryabchun, А. Dynamic diffractive patterns in helix-inverting cholesteric liquid crystals / A. Ryabchun, D. Yakovlev, A. Bobrovsky, N. Katsonis // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2019. - Vol. 11, Issue 11. - P. 10895-10904. -
  • DOI: 10.1021/acsami.8b22465
  • Li, W.S. Demonstration of patterned polymer-stabilized cholesteric liquid crystal textures for anti-counterfeiting two-dimensional barcodes / W.S. Li, Y. Shen, Z.J. Chen, Q. Cui, S.S. Li, L.J. Chen // Applied Optics. - 2017. - Vol. 56, Issue 3. - P. 601-606. -
  • DOI: 10.1364/AO.56.000601
  • Yakovlev, D.A. 5.4: Advanced tools for modeling of 2D-optics of LCDs / D.A. Yakovlev, V.I. Tsoy, V.G. Chigrinov // SID Symposium Digest of Technical Papers. - 2005. - Vol. 36, Issue 1. - P. 58-61. -
  • DOI: 10.1889/1.2036508
  • Carroll, T.O. Liquid-crystal diffraction grating / T.O. Carroll // Journal of Applied Physics. - 1972. - Vol. 43, Issue 3. - P. 767-770. -
  • DOI: 10.1063/1.1661277
  • Desimpel, C. Optical transmission model for thin twodimensional layers / C. Desimpel, K. Neyts, D. Olivero, C. Oldano, D.K.G. de Boer, R. Cortie // Molecular Crystals and Liquid Crystals. - 2004. - Vol. 422, Issue 1. - P. 185195. -
  • DOI: 10.1080/15421400490502526
  • Yakovlev, D.A. Modeling and optimization of LCD optical performance / D.A. Yakovlev, V.G. Chigrinov, H.-S. Kwok. - Chichester: Wiley, 2015. - 554 p.
  • Rokushima, K. Analysis of anisotropic dielectric gratings / K. Rokushima, J. Yamakita // Journal of the Optical Society of America A. - 1983. - Vol. 73, Issue 7. - P. 901-908. -
  • DOI: 10.1364/JOSA.73.000901
  • Matsumoto, K. Three-dimensional rigorous analysis of dielectric grating waveguides for general cases of oblique propagation / K. Matsumoto, K. Rokushima, J. Yamakita // Journal of the Optical Society of America A. - 1993. - Vol. 10, Issue 2. - P. 269-276. -
  • DOI: 10.1364/JOSAA.10.000269
  • Galatola, P. Symmetry properties of anisotropic dielectric gratings / P. Galatola, C. Oldano, P.B. Sunil Kumar // Journal of the Optical Society of America A. - 1994. - Vol. 11, Issue 4. - P. 1332-1341. -
  • DOI: 10.1364/JOSAA.11.001332
  • Li, L. Formulation and comparison of two recursive matrix algorithms for modeling layered diffraction gratings / L. Li // Journal of the Optical Society of America A. - 1996. - Vol. 13, Issue 5. - P. 1024-1035. -
  • DOI: 10.1364/JOSAA.13.001024
  • Li, L. New formulation of the Fourier modal method for crossed surface-relief gratings / L. Li // Journal of the Optical Society of America A. - 1997. - Vol. 14, Issue 10. - P. 2758-2767. -
  • DOI: 10.1364/JOSAA.14.002758
  • Peverini, O.A. Reduced-order model technique for the analysis of anisotropic inhomogeneous media: application to liquid-crystal displays / O.A. Peverini, D. Olivero, C. Oldano, D.K.G. de Boer, R. Cortie, R. Orta, R. Tascone // Journal of the Optical Society of America A. - 2002. - Vol. 19, Issue 9. - P. 1901-1909. -
  • DOI: 10.1364/JOSAA.19.001901
  • Olivero, D. Numerical methods for light propagation in large LC cells: a new approach / D. Olivero, C. Oldano // Liquid Crystals. - 2003. - Vol. 30, Issue 3. - P. 345-353. -
  • DOI: 10.1080/0267829031000080996
  • Moharam, M.G. Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach / M.G. Moharam, D.A. Pommet, E.B. Grann, T.K. Gaylord // Journal of the Optical Society of America A. - 1995. - Vol. 12, Issue 5. - P. 1077-1086. -
  • DOI: 10.1364/JOSAA.12.001077
  • Oh, C. Time-domain analysis of periodic anisotropic media at oblique incidence: an efficient FDTD implementation / C. Oh, M.J. Escuti // Optics Express. - 2006. - Vol. 14, Issue 24. - P. 11870-11884. -
  • DOI: 10.1364/OE.14.011870
  • Xiang, X. Numerical modeling of polarization gratings by rigorous coupled wave analysis / X. Xiang, M.J. Escuti // Proceedings of SPIE. - 2016. - Vol. 9769. - 976918 (7 p.). -
  • DOI: 10.1117/12.2218276
  • Xiang, X. Bragg polarization gratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflection angles / X. Xiang, J. Kim, M.J. Escuti // Scientific Reports. - 2018. - Vol. 8, Issue 7202. - P. 1-6. -
  • DOI: 10.1038/s41598-018-25535-0
  • Дифракционная нанофотоника / А.В. Гаврилов, Д.Л. Головашкин, Л.Л. Досколович, П.Н. Дьяченко, А.А. Ковалёв, В.В. Котляр, А.Г. Налимов, Д.В. Нестеренко, В.С. Павельев, Р.В. Скиданов, В.А. Сойфер, С.Н. Хонина, Я.О. Шуюпова; под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит, 2011. - 680 с. -
  • ISBN: 978-5-9221-1237-6
  • Шерман, М.М. Особенности пропускания света монослоем одинаковых по структуре анизотропных доменов со случайной азимутальной ориентацией / М.М. Шерман, Д. А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. - 2010. - Т. 102, № 2. - С. 206-215.
  • Яковлев, Д. Д. Картина: рассеяния ортогонально поляризованных компонент света для статистически вращательно-инвариантных мозаичных двулучепреломляюших слоёв / Д.Д. Яковлев, Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. - 2019. - Т. 126, № 3. - С. 324-335.
  • Kosmopoulos, J.A. Geometrical optics approach to the nematic liquid crystal grating: numerical results / J.A. Kosmopoulos, H.M. Zenginoglou // Applied Optics. - 1987. - Vol. 26, Issue 9. - P. 1714-1721. -
  • DOI: 10.1364/AO.26.001714
  • Helfrich, W. Deformation of cholesteric liquid crystals with low threshold voltage / W. Helfrich // Applied Physics Letters. - 1970. - Vol. 17, Issue 12. - P. 531-532. -
  • DOI: 10.1063/1.1653297
  • Helfrich, W. Electrohydrodynamic and dielectric instabilities of cholesteric liquid crystals / W. Helfrich // Journal of Chemical Physics. - 1971. - Vol. 55, Issue 2. - P. 839-842. -
  • DOI: 10.1063/1.1676151
  • Hurault, J.P. Static distortions of a cholesteric planar structure induced by magnetic or ac electric fields / J.P. Hurault // Journal of Chemical Physics. - 1973. - Vol. 59, Issue 4. - P. 2068-2075. -
  • DOI: 10.1063/1.1680293
  • Чигринов, В.Г. Неустойчивость холестерических жидких кристаллов в электрическом поле / В.Г. Чигринов, В.В. Беляев, С.В. Беляев, М.Ф. Гребенкин // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1979. - Т. 77, № 5. - С. 2081-2091.
  • Lavrentovich, O.D. Fast beam steering cholesteric diffractive devices / O.D. Lavrentovich, S.V. Shiyanovskii, D. Voloschenko // Proceedings of SPIE. - 1999. -Vol. 3787. - P. 149-155. -
  • DOI: 10.1117/12.351639
  • Senyuk, B. Electrically-controlled two-dimensional gratings based on layers undulations in cholesteric liquid crystals / B. Senyuk, I. Smalyukh, O. Lavrentovich // Proceedings of SPIE. - 2005. - Vol. 5936. - 59360W (9 p.). -
  • DOI: 10.1117/12.615976
  • Scheffer, T.J. Electric and magnetic field investigations of the periodic gridlike deformation of a cholesteric liquid crystal / T.J. Scheffer // Physical Review Letters. - 1972. -Vol. 28, Issue 10. - P. 593-596. -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.28.593
  • Tervo, J. Paraxial-domain diffractive elements with 100% efficiency based on polarization gratings / J. Tervo, J. Turunen // Optics Letters. - 2000. - Vol. 25, Issue 11. -P. 785-786. -
  • DOI: 10.1364/OL.25.000785
  • Яковлев, Д. А. Расчёт характеристик пропускания плавно неоднородных анизотропных сред в приближении пренебрежимой малости объёмного отражения. II. Численные методы / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. - 2003. - Т. 94, № 4. - С. 655-662.
  • Яковлев, Д. А. Расчёт характеристик пропускания плавно неоднородных анизотропных сред в приближении пренебрежимой малости объёмного отражения. I. Исходное уравнение / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. - 1999. - Т. 87, № 6. - С. 990-995.
  • Яковлев, Д.А. Расчёт характеристик пропускания плавно неоднородных анизотропных сред в приближении пренебрежимой малости объёмного отражения. III. Аналитические решения / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. - 2003. - Т. 95, № 5. - С. 1010-1017.
  • Яковлев, Д.А. Простые формулы для амплитудных коэффициентов пропускания и отражения для границы раздела анизотропных сред / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т. 84, № 5. - С. 829-834.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp