Управляемый жидкокристаллический фильтр

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может найти применение в оптических системах обработки информации, инфракрасной технике и спектроскопии. Задачами изобретения являются расширение полосы пропускания, диапазона ее изменений и устранение зависимости характеристик фильтра от поляризации падающего излучения. Для этого в известном управляемом фильтре, содержащем прозрачные электроды, между которыми расположен слой жидкого кристалла и подключенный к электродам источник электрического напряжения, на внутренней поверхности одного из электродов размещаются микрочастицы вещества с коэффициентом преломления, который изменяется в требуемом диапазоне спектра. Под действием электрического поля коэффициент преломления жидкого кристалла изменяется и принимает значения,совпадающие с коэффициентом преломления микрочастицы в требуемом диапазоне спектра. В определенном участке спектра фильтр становится прозрачным из-за совпадения их показателей преломления на этом участке, а в остальной области спектра происходит сильное рассеяние излучения и фильтр непрозрачен. Ибрагимов Тахир Джумшуд оглы,Исмайлов Намик Джамиль оглы,Аллахвердиев Эйнулла Амирхан оглы(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ИНСТИТУТ ФИЗИКИ НАН АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ (AZ) 016161 Изобретение относится к области оптоэлектроники и может найти применение в системах инфракрасной техники и спектроскопии. Известны инфракрасные дисперсионные фильтры для широкого диапазона длин волн от 2 до 50 мкм [Исследование инфракрасных дисперсионных фильтров. В.Г. Верещагин, Н.А. Борисевич. Журнал прикладной спектроскопии, т. 8, вып. 4, с. 613-617]. В основе принципа действия дисперсионных фильтров лежит эффект Христиансена, заключающийся в том, что система, состоящая из малых частиц,помещенных в иммерсионную среду (твердую, жидкость или воздух), становится прозрачной в определенном участке спектра из-за совпадения их показателей преломления на этом участке спектра. Конструктивно дисперсионные фильтры представляют собой плоско-параллельные пластины, прозрачные в данной области спектра, малые частицы диспергирующего вещества, осажденные на внутреннюю поверхность одной из пластин и заключенные между пластинами жидкости или воздуха в качестве иммерсионной среды. Контур полосы пропускания дисперсионных фильтров качественно описывается формулой Рамана [C.V. Rahman. Proc. Ind. Acad. Sci., A, 29381, 1949] где t - толщина слоя; d - средний размер частиц; k - эмпирический коэффициент приблизительно равный 1;- длина волны; n1, n2 - показатели преломления компонент. Из формулы следует, что сильное влияние на полуширину полосы пропускания фильтра оказывает разность показателей преломления диспергирующих веществ. Пропускание в максимуме полосы находится в пределах 30-65%. Недостатком этих фильтров является то, что их полоса пропускания фиксирована и неуправляема, а это затрудняет применение фильтров, например, в спектроанализаторах с автоматизированными системами управления. Наиболее близким по сущности к предлагаемому изобретению является жидкокристаллический управляемый фильтр типа резонатора Фабри-Перо (патент США 5150236), который, по существу, является гибридной комбинацией структур Фабри-Перо и жидкокристаллической ячейки. Он включает плоско-параллельные прозрачные электроды, покрытие с высокой отражательной способностью, ориентирующие слои и жидкий кристалл, заключенный между ними. Для управления коэффициентом преломления жидкого кристалла к пластинам подключен источник управляющего напряжения. В этом случае управляемость обусловливается спецификой жидкого кристалла, заключающейся в упорядоченной переориентации молекул ЖК при приложении электрического поля. Данное устройство подобно по принципу функционирования резонатору Фабри-Перо. Падающий на структуру свет, удовлетворяющий условиям резонанса, образует стоячие волны в резонаторе и эффективно пропускается им. Таким образом, идеальный спектр пропускания является периодической функцией, состоящей из узких резонансных полос, в пределах которых происходит эффективное пропускание, и отделенных зоной сильной режекции. Режектируемое излучение с длинами волн, не отвечающими условиям резонанса, обратно отражается структурой. Ширина полосы пропускания известного фильтра, определяемая по полуспаду резонансной кривой,определяется по формуле где R - коэффициент отражения; l - расстояние между пластинами. Как можно видеть из (2), полосу пропускания фильтра можно изменять управлением оптической длиной . Использование внутри резонатора жидкого кристалла, показатель преломления которого может меняться в электрическом поле, позволяет быстро, электронным способом настроиться на необходимую резонансную полосу. В этом случае управляемость обусловлена спецификой ориентации молекул жидкого кристалла,индуцируемой внешним электрическим полем. При этом диапазон измененияопределяется выражением Величина изменения для жидких кристаллов в среднем 0,2, что ограничивает диапазон изменения полосы пропускания на уровне 0,1. Так, например, для видимой области реально достигнутое=60-80 нм, а для наиболее длинноволнового участка =1600 нм, =120-160 нм. Ширина полосы пропускания фильтра, как видно из (2), также весьма узкая, что является существенным недостатком данного устройства. Другими недостатками известного изобретения являются высокое требование к параллельности,зеркальности пластин, отсутствие дефектов и потерь в полости резонатора, что ограничивает возможность его применения.-1 016161 Отметим также, что данный управляемый фильтр обеспечивает оптическую фильтрацию только линейно поляризованного света, что также является его недостатком. Задачами изобретения являются расширение полосы пропускания фильтра, диапазона изменений полосы пропускания и устранение зависимости его характеристик от поляризации падающего излучения. Задачи решаются тем, что в известном устройстве, состоящем из прозрачных электродов, между которыми расположен слой жидкого кристалла и подключенного к электродам источника электрического напряжения, на внутренней поверхности одного из электродов размещаются микрочастицы вещества с коэффициентом преломления, который резко меняется в требуемом диапазоне спектра. Под действием электрического поля коэффициент преломления жидкого кристалла изменяется и принимает значения,совпадающие с коэффициентом преломления микрочастицы в требуемом диапазоне спектра. В таком исполнении работа фильтра принципиально отличается от работы известных фильтров. В данном случае предлагаемый фильтр по принципу работы подобен дисперсионному, в котором коэффициентом преломления одного из компонента - жидкого кристалла - можно управлять электрическим полем. Наличие частиц в жидком кристалле обусловливает сильное рассеяние света во всем рабочем диапазоне спектра,кроме полосы, где коэффициенты преломления микрочастиц и жидкого кристалла близки. При приложении напряжения происходит переориентация молекул жидкого кристалла, и его показатель преломления изменяется. При этом полоса пропускания фильтра смещается в сторону длин волн, где показатель преломления микрочастиц близок к новому значению показателя преломления жидкого кристалла. Таким образом, в предлагаемом фильтре изменением приложенного напряжения можно управлять его полосой пропускания. На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого управляемого жидкокристаллического фильтра. На фиг. 2 показана спектральная зависимость коэффициента преломления двуокиси алюминия. На фиг. 3 приведены спектры пропускания данного фильтра без (а) и (б)с приложением напряжения 6 B выше порогового. На фиг. 4 показаны спектры пропускания предлагаемого фильтра на смеси 5CB-C2-H22 с частицами окиси алюминия при толщине ячейки 35 мкм и разных частотах приложенного электрического поля напряжением 9 B: a - 1 МГц; b - 1 кГц. Устройство содержит слои прозрачных электродов 1, слой жидкого кристалла 2, частицы диспергирующего вещества 3 и источник управляющего напряжения 4, подключенного к электродам 1. Устройство работает следующим образом. В отсутствие приложенного напряжения излучение проходит через прозрачный электрод 1, затем при прохождении через слой жидкого кристалла 2 с равномерно распределенными в нем частицами 3 испытывает рассеяние, если на данной длине волны показатели преломления их отличаются. При этом интенсивность излучения, прошедшего через фильтр, сильно ослабевает. Если же на каком-либо участке длин волн излучения 0 показатели преломления частиц и жидкого кристалла близки, то в соответствии с формулой Рамана, среда становится прозрачной для этого участка длин волн. При подаче напряжения смещения определенной величины или частоты показатель преломления жидкого кристалла изменяется, и теперь близость показателей преломления частиц и жидкого кристалла соответствует другому участку спектра. Это приводит к тому, что полоса пропускания фильтра смещается относительно начального положения 0. Для конкретной реализации предлагаемого управляемого жидкокристаллического фильтра были использованы проводящие германиевые пластины, прозрачные в инфракрасной области спектра, с нанесенными с наружных сторон омическими контактами. На внутренней стороне одной из пластин были осаждены микрочастицы двуокиси алюминия со средними размерами 10 мкм с дисперсионной кривой показателя преломления, показанной на фиг. 2. Пластины были прижаты друг к другу через ограничивающие тефлоновые прокладки толщиной 35 мкм. Промежуток между пластинами был заполнен нематическим жидким кристаллом марки МББА с отрицательной анизотропией диэлектрической постоянной и показателями преломления n=1,54 иn=1,75 при 700 нм при температуре 25C и мало изменялся (до 6 мкм) из-за отсутствия значительных резонансных полос. Так как подложки не подвергались предварительной обработке, то молекулы жидкого кристалла не имеют определенную ориентацию. Поэтому коэффициент преломления матрицы соответствуют ее среднему значению, определяемому соотношением n=1/3(2n+n) и равному 1,61. Как можно видеть на фиг. 3, соответствующий максимум полосы пропускания vm=1896 см-1(m=5,26 мкм) без приложенного напряжения совпадает с точкой пересечения дисперсионных кривых средних коэффициентов преломления матрицы и окиси алюминия, что подтверждает наблюдаемый эффект как эффект Христиансена. При приложении к ячейке электрического поля до 3,5 В полоса пропускания не изменяется, затем смещается в коротковолновую область спектра по мере увеличения напряжения до 7 В, достигая значения vm=2320 см-1 (m=2,6 мкм), как можно видеть на фиг. 3. Изменение частоты полосы пропускания объясняется следующим образом. При необработанных-2 016161 подложках молекулы МББА являются неориентированными, и, соответственно, в таком состоянии жидкий кристалл имеет средний показатель преломления n. Из-за того что МББА является жидким кристаллом с отрицательной оптической анизотропией, то при приложении электрического поля происходит постепенная переориентация молекул жидкого кристалла, которые при напряжении 7 В стремятся ориентироваться параллельно подложке. При этом электрический вектор падающего излучения лежит в одной плоскости с длинными осями молекул ЖК. Это способствует тому, что коэффициент преломления увеличивается и стремится к значению ns=1/2(n+n). Полное совпадение с величиной коэффициента преломления ns чистого МББА не происходит из-за неполной ориентации молекул ЖК, которым мешают частицы окиси алюминия. Управление полосой пропускания возможно также при изменении не величины напряжения, а ее частоты. Для использования данного эффекта был разработан так называемый двухчастотный жидкий кристалл. Он состоит из трех компонентов: 4-н-пентил-4'-цианобифенил (5CB), 4-гексилоксифениловый эфир-4'-гексилокси-3 нитробензойной кислоты (C2), 4-бутил-4'-(гексилоксифенилоксикарбонил)фенилкарбонат (H22) с мольным соотношением 1:1:1,5 соответственно. Эта жидкокристаллическая смесь при некоторой критической частоте 100 кГц переходит из состояния с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости к отрицательной. Поэтому при низких частотах приложенного напряжения молекулы ориентируются перпендикулярно подложке, а показатель преломления имеет минимальное значение. При частотах выше критической ориентация молекул переходит в планарную, т.е. параллельно подложке и показатель преломления становится больше. При этом, как показали эксперименты, оптимальное напряжение, прикладываемое к ячейке с германиевыми подложками и толщиной 35 мкм, составляет 9 В. Как видно из фиг. 4, при разных частотах приложенного электрического поля максимум полосы пропускания разный, что объясняется переориентацией молекул жидкого кристалла с гомеотропной на планарную. То есть, изменяя частоту приложенного электрического поля, можно менять полосу пропускания ячейки. Таким образом, создан управляемый электрическим полем инфракрасный фильтр. При этом, меняя вещество частиц и жидкого кристалла, можно менять перестраиваемый диапазон длин волн от видимой до дальней инфракрасной области. Как видно из вышеизложенного, предлагаемый управляемый фильтр имеет более широкий диапазон управления полосой пропускания, может иметь более широкую полосу пропускания, чем известный фильтр, и является поляризационно независимым. Он очень прост в изготовлении и может быть применен как для видимой области, так и для инфракрасной области спектра. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Управляемый жидкокристаллический фильтр, содержащий прозрачные электроды, между которыми расположен слой жидкого кристалла, и управляющий источник напряжения, подключенный к электродам, отличающийся тем, что внутренняя сторона одного из электродов покрыта микрочастицами вещества с коэффициентом преломления, значение которого изменяется в рабочем диапазоне спектра и совпадает со значением коэффициента преломления жидкого кристалла, изменяющегося под действием управляющего электрического поля.