Оптические таммовские состояния на границе раздела холестерический жидкий кристалл - металл

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) представляют собой самоорганизующимися фотонные кристаллы (ФК), состоящие из палочкообразных молекул, выстраиваемых в виде спирали [1]. Благодаря своей структуре в законе дисперсии для ХЖК наблюдается фотонная запрещённая зона (ФЗЗ) для циркулярно поляризованного света. Наличие эффекта селективного отражения для циркулярно поляризованного света в таких структурах делает ХЖК привлекательными для их применения в качестве элементов цветных дисплеев, перестраиваемых поляризаторов или оптических фильтров [2,3].

Показано, что наличие структурных дефектов в ХЖК приводит к изменению их оптических свойств по аналогии с обычными одномерными ФК, – на частотах фотонной запрещённой зоны наблюдаются пики в спектрах коэффициентов пропускания, связанные с локализацией света в дефектных слоях [4]. В последние несколько лет активно проводятся исследования оптических свойств нового типа поверхностных состояний, образующиеся на границе раздела ФК-металл. Данные состояния являются следствием лока-

Ежов Александр Анатольевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник.

лизации электромагнитного поля на границе раздела фотонный кристалл-металл и являются оптическим аналогом таммовских поверхностных состояний, возникающих на поверхности кристаллов. Экспериментально оптические там-мовские состояния проявляются в виде узкого резонанса в спектрах коэффициентов отражения и пропускания структуры ФК-металл [2, 5]. Оптические таммовские состояния в фотонных кристаллах могут применяться при создании компактных лазерных устройств и сенсоров. Аналогичный эффект для циркулярно-поляризованного света можно ожидать и в системе ХЖК-металл. Однако исследований оптических таммовских состояний в таких структурах в мире не проводилось.

Преимуществом ХЖК перед одномерными фотонными кристаллами является возможность изменений структуры ХЖК при разных температурах, что способствует созданию перестраиваемых лазеров с металлическим контактом и перезаписываемых оптических устройств [6].

• 2.    ОПТИЧЕСКИЕ ТАММОВСКИЕ

• 2.1    Метод создания оптического контакта между поверхностью ХЖК и металлом

СОСТОЯНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ХОЛЕСТЕРИЧЕСКИЙ ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ – МЕТАЛЛ

Основной проблемой при приготовлении структуры ХЖК-металл является создание оптического контакта между поверхностью ХЖК и металлической плёнкой. Вакуумное напыление металла приводит к расплавлению верхнего слоя ХЖК и нарушению в нём спиральной структуры. Поэтому при создании образцов предлагается ис- пользовать тонкий слой полимерного материала (фотоориентанта), представляющего собой фотохромный полиамид (PAzo), молекулы которого ориентируются с помощью линейно-поляризованного света в ультрафиолетовом диапазоне [7]. Сначала фотоориентант наносится на золотую плёнку и ориентируется при помощи облучения линейно-поляризованным ультрафиолетовым светом. Затем создается ячейка, куда заливается жидкий кристалл, который ориентируется благодаря анизотропии поверхностной энергии фотоориентанта (на рис. 1). Таким образом, получается оптический контакт между металлической плёнкой и созданным на ней ХЖК. В полученных таким образом образцах будут проводиться исследования оптических таммовских состояний.

Для создания образцов необходимо определить оптимальные условия одноосной ориентации фотоориентанта. Для этого слой фото-ориентанта PAzo толщиной 30 нм наносился на стеклянную подложку. Для ориентации молекул использовалась третья гармоника (длина волны 355 нм) импульсного Nd:YAG лазера. Интегральная мощность лазера менялась в диапазоне от 14 до 150 мВт/см², частота следования импульсов составляла 10 Гц, длительность импульсов – 7 нс (на рис. 2). Время экспозиции варьировалось для разных серий образцов от 5 минут до нескольких часов, диаметр области экспонирования составлял 5 мм².

Оптические свойства получившихся плёнок фотоориентанта характеризованы методом эллипсометрии. Было обнаружено изменение показателя преломления плёнки в области экспонирования, что свидетельствует о возникновении ориентации молекул фотоориентанта вдоль направления, перпендикулярного плоскости поляризации ультрафиолетового света. На рис. 3 представлены зависимости измеренных эллипсометрических параметров I_S и I_C в зависимости

Рис. 1. Схема образца

Рис. 2. Схема экспериментальной установки от длины волны зондирующего света в методе эллипсометрии.

При интегральной мощности 50 мВт/см² и времени экспонирования 20 минут (диаметр области экспонирования – 7 мм) наблюдается отличие между эллипсометрическими кривыми для экспонируемых областей образца для случая, когда молекулы фотоориентанта лежат в плоскости падения линейно-поляризованного света, и для случая, когда они перпендикулярны плоскости. Обнаружено изменение показателя преломления плёнки в области экспонирования, а также что общий характер кривых, соответствующих экспонируемым областям, аналогичен характеру кривой неэкспонируемой области. Это свидетельствует о возникновении ориентации молекул фотоориентанта. При мощностях более 100 мВт/см² происходит расплавление слоя фото-ориентанта.

Рис. 3. (Слева) Зависимость эллипсометрических параметров от энергии фотона, где зависимости

№1, №4 – неэкспонируемая область образца, зависимости №2 и №3 (а также №5 и №6) – экспонируемые области; (Справа) Рассматриваемые случаи: плоскость, содержащая зондирующий

и анализируемый свет параллельна направлению ориентации молекул (а)

и перпендикулярна

• 2.2    Численное моделирование оптического таммовского состояния, возникающего в системе ХЖК-металл

Для определения свойств оптической системы ХЖК – металл при известных оптических (диэлектрические проницаемости) и геометрических параметрах использовался матричный 4х4 метод Берремена, основанный на уравнениях Максвелла [8]. Метод является универсальным, поскольку учитывает многократные отражения в слоистых структурах. Холестерический жидкий кристалл представлялся в виде совокупности большого числа плоскопараллельных тонких однородных слоёв с заданным направлением ориентации молекул. В этом случае матрица распространения ХЖК Берремана может быть рассчитана путём последовательного умножения друг на друга матриц распространения каждого слоя разбиения.

В качестве основы для моделирования был выбран ХЖК с периодом направления вектора ориентации молекул равным 465 нм, толщина кристалла составляет 3695 нм (≈8 периодов). Толщина слоя разбиения равнялась 1/256 периода. Также для моделирования были взяты следующие значения диэлектрических проницаемостей ХЖК [9]:

ε|| =2,52+5,65*10 2-6,0*10-4i λ и ε⊥ =2,25+2,30*104 2-6,0*10-4i, λ где λ – длина волны падающего на образец света (λ в нм).

На рис. 4 показаны спектры коэффициентов пропускания и отражения для циркулярно-поляризованного излучения, падающего под нормалью из воздуха на систему ХЖК – полубеско-нечный слой стекла (коэффициент преломления

400         500         600         700         000         900

4 00         500         600         700         600         9 00

Длина волны, нм

Рис. 4. Цветными линиями представлены линии для право-циркулярно поляризованного света: красная линия – коэффициент пропускания, синяя – коэффициент отражения; чёрными линиями изображены спектры для лево-циркулярно поляризованного света: пунктир – коэффициент пропускания, сплошная – коэффициент отражения стекла равен 1,5). Центр фотонной запрещённой зоны соответствует длине волны падающего света 725 нм. Показано, что ФЗЗ для данного ХЖК возникла только при право-циркулярно поляризованном свете.

Для проверки утверждения о существовании пика пропускания в спектре коэффициента пропускания ФЗЗ в случае создания дефекта в структуре холестерического жидкого кристалла [4] были смоделированы случаи сдвига фаз и внедрения изотропного слоя. Оба дефекта были реализованы в середине ХЖК.

В первом случае на рис. 5 сдвиг фазы направления ориентации молекул составлял– π /2 . Полученный пик пропускания (736 нм) для данного значения сдвига фазы находится в середине ФЗЗ. Во втором случае на рис. 6 в качестве дефектного

0,0 -I-----------'-----------1-----------------------1-----------т-----------1-----------1-----------1-----------.-----------

400     500     600     700     800     900

Длина волны, нм

Рис. 5. Зависимость спектра коэффициента отражения от длины волны излучения для сдвига фазы. Сплошная синяя линия – право-циркулярно поляризованная волна, пунктир – лево-циркулярно поляризованная; на вставке изображён сдвиг фазы в ХЖК

400     500     600     700     800     900

Длина волны, нм

Рис. 6. Зависимость спектра коэффициента от-ржения от длины волны излучения для дефектного слоя. Сплошная синяя линия – право поляризованная волна, пунктир – лево поляризованная; на вставке изображён дефектный слой в ХЖК изотропного слоя взято стекло (толщина стекла составляет 200/256 периода кристалла, коэффициент преломления – 1,5).

Для получения оптического таммовского состояния, возникающего в системе ХЖК-металл, была смоделирована система ХЖК-золотая плёнка-полубесконечный слой стекла (толщина золотой плёнки равна 40 нм). На рис. 7 показаны спектры коэффициента пропускания моделируемой системы. Виден острый пик пропускания на длине волны 715 нм, лежащий внутри ФЗЗ, соответсвующий возбуждению ОТС. Прерывистая линия соответствует спектру коэффициента пропускания системы ХЖК-полубесконечный слой стекла.

• 3.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследована возможность экспонирования фотоориентанта PAzo при помощи линейно-поляризованного излучения третьей гармоники (длина волны 355 нм) импульсного Nd:YAG лазера в диапазоне мощностей 2-150 мВт/см² и временем экспозиции 2 минуты – 2 часа. Методом эллипсометрии обнаружено изменение показателя преломления плёнки в области экспонирования (при мощностях 50 мВт/см² и времени экспонирования 20 мин), что свидетельствует о возникновении ориентации молекул фотоориентанта. При моделировании структурных дефектов в холестерическом жидком кристалле были получены пики пропускания, лежащие внутри фотонной запрещённой зоны ХЖК. В системе ХЖК-металл-полубесконечное стекло обнаружено возникновение оптического таммовского состояния, которое проявляется в виде резонанса коэффициента пропускания в спектральной области фотонной запрещённой зоны.