1.5 Фотонно-кристаллические структуры, организованные с использованием жидких кристаллов

Для многих приложений выгодно иметь возможность перестраивать фотонную зонную структуру посредством электрооптических эффектов. Это

может обеспечить гибкое управление маршрутизацией сигналов через сеть

оптических связей. Одно из больших преимуществ ФК-материалов в том, что

большинство из них состоит из пор. Эти поры могут быть пропитаны другими электрооптически-активными материалами, которые позволяют перестраивать зонную структуру ФК глобально или локально. Модификация

спектра ФК может быть реализована посредством управления анизотропией

электрооптических материалов. Хорошо известны высокая чувствительность

к внешним полям и сильная анизотропия диэлектрической проницаемости жидких кристаллов. Наука о жидких кристаллах породила промышленность,

связанную с электрооптическими эффектами.

Жидкие кристаллы или, правильнее сказать, мезофазы, т. е. промежуточные фазы между изотропными жидкостями и кристаллами обладают текучестью (свойство жидкого состояния) и анизотропными структурными, а значит и физическими, свойствами, присущими кристаллическим твердым телам. В зависимости от способа получения мезофазы принято разделять на лиотропные, т. е. возникающие при растворении некоторых веществ в соответствующих растворителях, и термотропные, существующие в определенном интервале температур и давлений. Термотропные жидкокристаллические фазы, в свою очередь, подразделяются на нематические (от греческого νημα – нить) и смектические (от греческого σμηγμα – мыло). В свою очередь, нематические жидкие кристаллы подразделяются на ахиральные (нематики) (рисунок 15) и хиральные (холестерики) (рисунок 16). В нематических мезофазах длинные оси молекул ориентационно упорядочены, но их центры тяжести разупорядочены. Направление преимущественной ориентации молекул принято характеризовать единичным вектором ͞n. Этот вектор называется директором. Нематические мезофазы оптически одноосны, и направление оптической оси совпадает с директором.

Рисунок 15 - Схематическое расположение молекул жидкого кристалла для нематической фазы

Холестерические мезофазы также имеют слоистую структуру, но, в отличие от нематических, они образованы молекулами, не имеющими центра и плоскости симметрии. Характерной отличительной чертой холестерических мезофаз является периодическое изменение направления директора ͞n при переходе от одного слоя к другому в направлении оси Z. В этом случае оптическая ось перпендикулярна слоям, и поэтому компоненты директора в прямоугольной системе координат можно записать в виде: n_x = cos(q0z +φ), n_y = sin(q0z + φ), n_z = 0.

Так же, как и в нематике, направления ͞n и -͞n эквивалентны (среда центросимметрична). Поэтому период структуры вдоль оси Z равен π/q0. Он

имеет сильную температурную зависимость, и в некотором температурном интервале период равняется длине световой волны. В направлении вдоль оптической оси холестерическая среда обладает очень большим оптическим

вращением, обычно порядка нескольких тысяч градусов на миллиметр. Вблизи области отражения дисперсия оптического вращения аномальна, и знаки вращения по разные стороны от полосы отражения противоположны.

Рисунок 16 - Схема спиральной упаковки молекул жидкого кристалла для холестерической фазы

Поглощение в холестерических ЖК приводит к ряду качественных особенностей в их оптических характеристиках [10]. Эти особенности связаны с периодической спиральной структурой холестерика и проявляются (наиболее ярко на частотах света, близких к частотам линий поглощения в холестерике) в характере вращения плоскости поляризации, круговом дихроизме, в отражении и прохождении света в образце. На рисунках 17, 18, 19 представлены мезофазы, у которых центры тяжести молекул упорядочены в слои.

Рисунок 17 - Модель слоистой структуры смектика А

В смектических фазах А-типа молекулы свободно вращаются вокруг длинных осей. В смектической фазе С-типа молекулы в слое наклонены по отношению к длинной оси молекул и составляют угол θ с нормалью к смектическим слоям. В том случае, когда молекулы смектической С-фазы хиральны, образуются спиральные структуры (С^х-фазы) с точечной группой

симметрии С₂. Эта ось является полярной, и при наличии у молекулы дипольного момента, перпендикулярного к длинной оси, возможно существование спонтанной поляризации.

Рисунок 18 - Модель наклонной слоистой структуры смектика С

Впервые показана возможность эффективной перестройки спектра поверхностных и объемных возбуждений одномерного ФК, структурной единицей одной из подрешеток которого являлся слой нематического жидкого кристалла (НЖК). Двумерные ФК с включением НЖК исследовались теоретически в работе. Показано, что величина ФЗЗ изменяется при введении НЖК в матрицу, а также в окрестностях фазового перехода НЖК в изотропное состояние.

Рисунок 19 - Взаимное расположение вектора спонтанной поляризации смектического слоя _с, директора ͞n и нормали ͞e к смектическому слою в сегнетоэлектрической С* фазе. Нормаль к смектическому слою совпадает с осью Z

В теоретическом исследовании трехмерного ФК, сформированного упорядоченными капсулами, содержащими ЖК, установлено, что, изменяя ориентацию директора нематика внешним электрическим полем, можно открывать либо закрывать запрещенную зону ФК. Сверхрешетка, состоящая из чередующихся диэлектрического анизотропного слоя НЖК и слоя алюминия, исследовалась в работе. Наблюдался сдвиг резонансных частот в спектре пропускания для микроволн, падающих на структуру, при изменении ориентации директора ЖК. ФК-структура, организованная на основе кремниевой матрицы, в порах которой помещались дискотический или сегнетоэлектрический смектический ЖК, обсуждается в работе. Изучается ориентация молекул ЖК в порах матрицы. Проблемам управления свойствами фотонных кристаллов, сформированных с включением жидких кристаллов, посвящен обзор в специализированном журнале. Из сказанного выше ясно, что создание ФК-структур с включением ЖК оказывается весьма перспективным для управления их оптическими свойствами.