ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Трехмерная решетка капелек жидкого кристалла (вытравленных для получения этого микроснимка) образует фотонный кристалл, свойствами которого можно управлять, прикладывая электрическое напряжение. Расстояние между полостями составляет около 0,25 мкм.

УДАРНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ С помощью компьютерного моделирования Джон Иоаннопулос (John D. Joannopoulos) и его коллеги из Массачусетского технологического института установили (а затем подтвердили экспериментально), что ударные волны в фотонном кристалле позволяют добитьстрех важных эффектов. Во-первых, ударной волной можно захватывать свет на контролируемый промежуток времени. Во-вторых, можно без особого труда повышать и понижать частоту световой волны даже при слабой интенсивности потока излучения, что до сих пор удавалось лишь при мегаи терраваттных мощностях. В-третьих, можно сужать спектр излучения в десятки раз без потери световой энергии, чего нельзя достичь ни в одном другом неквантовом процессе.

Фотонные кристаллы влияют на свет так же, как полупроводники – на электрический ток. Они представляют собой регулярную решетку полостей в преломляющей среде и отражают или пропускают свет в зависимости от длины волны благодаря специфической интерференции волн, рассеивающихся на отдельных полостях. По своим показателям фотонные кристаллы сильно уступают кремниевым собратьям: модулировать их свойства (например, для переключения между режимами отражения и пропускания) очень трудно. Недавно несколько исследовательских групп продемонстрировали универсальный способ изготовления материалов, состоящих из полимера, начиненного жидкокристаллическими капельками, оптические характеристики которых можно изменять с помощью электрического напряжения.

Смесь молекул мономера и молекул жидкого кристалла помещают между двумя подложками – стеклянными пластинами, покрытыми тонким слоем проводника. Полученный «бутерброд» облучается двумя или несколькими лазерными лучами, направленными и поляризованными так, чтобы получить заданную интерференционную картину – чередование освещенных и темных участков (это голографическая часть метода). В освещенных участках молекулы мономера связываются между собой, образуя сложную полимерную сеть. Она, в свою очередь, присоединяет к себе свободные молекулы мономера, диффундировавшие из темных областей, где концентрируются молекулы жидкого кристалла. В результате получается твердый полимер с жидкокристаллическими включениями, которые образуют структуру, соответствующую темным участкам интерференционной картины.

Поскольку капельки жидкого кристалла с хаотической ориентацией оптических осей рассеивают свет, материал представляет собой фотонный кристалл. Подавая на подложки электрическое напряжение, можно сориентировать оптические оси всех жидких кристаллов в одном направлении. Тогда коэффициент преломления капелек станет таким же, как у полимера, и материал превратится в однородный кусок прозрачного пластика.

Если использовать только два лазерных луча, жидкий кристалл расположится в полимере в виде плоскостей, образующих дифракционную решетку. Устройства такого рода изготавливаются довольно давно – с конца 80-х гг. Они структурированы только в одном направлении и фотонными кристаллами не являются.

В 1999 г. Курт Буш (Kurt Busch) из Университета Карлсруэ и Саджив Джон (Sajeev John) из Торонтского университета предложили использовать жидкие кристаллы для изготовления фотонных (Джон был од-ним из создателей базовой концепции фотонного кристалла в 1987 г.). Сначала кристалл составляли из плотно упакованных шариков кварца, пространство между которыми заполнялось жидким кристаллом. Однако таким способом можно создать лишь ограниченный диапазон структур, изготовление которых требует нескольких этапов. Голографический метод позволяет получать произвольные регулярные решетки за один этап. Для создания полностью трехмерного массива капелек необходимо не менее четырех лазерных лучей, длина волны и направление которых будут определять параметры получаемой структуры, а интенсивность и поляризация – форму и размер отдельных вкраплений жидкого кристалла.

Недавно такие кристаллы были изготовлены двумя группами ученых. Тимоти Баннинг (Timothy J. Bunning) и его коллеги из Научно-исследовательской лаборатории ВВС США на авиабазе Райт-Паттерсон продемонстрировали трехмерный фотонный кристалл, дифракцию в котором можно было полностью гасить. А Грегори Кроуфорд (Gregory P. Crawford), Майкл Эскути (Michael J. Escuti) и Цзюн Хи (Jun Xi) из Университета Брауна показали, что для «переключения» кристаллов с трехмерной структурой требуется более узкий диапазон напряжений, чем в случае простых одномерных решеток. Также было отмечено, что ширину и расположение запретной зоны (области длин волн, блокируемых кристаллом) можно изменять в небольшом диапазоне, т.е. создавать перестраиваемые фильтры.

Пока оптические свойства жидкокристаллических фотонных кристаллов оставляют желать лучшего, поскольку жидкий кристалл отклоняет свет лишь ненамного больше, чем полимерная матрица. Сейчас ученые работают над созданием кристаллов со значительным различием показателей преломления, которые можно будет использовать в оптических коммутаторах, фильтрах и отражательных дисплеях.

Оригинал - www.sciam.ru