КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Валюх Сергій Іванович

УДК 535.44; 535.391;

535.565

ПРУЖНА ВЗАЄМОДІЯ СВІТЛА З НЕОДНОРІДНИМ ХІРАЛЬНИМ АНІЗОТРОПНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ

01.04.05 – Оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті

імені Тараса Шевченка та в Інституті фізики напівпровідників

Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор,

Слободянюк Олександр Валентинович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

завідувач кафедри експериментальної фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

Решетняк Віктор Юрійович,

Київський національний університет імені

Тараса Шевченка, професор кафедри теоретичної фізики

Кандидат фізико-математичних наук,

Лимаренко Руслан Анатолійович,

Інститут прикладної оптики НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м Київ

Захист відбудеться “27” січня 2003 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої

вченої ради Д 26.001.23 фізичного факультету Київського національного

університету імені Тараса Шевченка за адресою:

03022, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 6

З дисертацією можна ознайомиться у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58

Автореферат розісланий “10” грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д26.001.23,

доктор фіз.-мат. наук, професор Охріменко Б.А

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стрімкий прогрес науки і техніки, створення різноманітних оптичних пристроїв, одержання нових відомостей про внутрішню будову складних хімічних і біологічних сполук потребує вивчення та моделювання процесів пружної взаємодії світла з неоднорідними анізотропно-гіротропними середовищами. До них належать, зокрема, хіральні композиції органічних сполук з відносно слабкою міжмолекулярною взаємодією, яка дозволяє впливати на їх структуру зовнішнім електричним або магнітним полем і, тим самим, змінювати умови розповсюдження світла в них. Типовими представниками таких композицій є хіральні рідкі кристали (РК). Їх унікальні оптичні та електрооптичні властивості використовують для створення нових та удосконалення існуючих засобів відображення інформації та пристроїв, які призначені для керування світловими потоками.

В питаннях прикладного аналізу оптичних властивостей неоднорідних анізотропних та анізотропно-гіротропних середовищ, в порівняні з ізотропними, на сьогоднішній день існує певне відставання, яке пояснюється, насамперед, відносною складністю розрахункової частини. Аналітичні вирази були отримані лише для деяких частинних випадків, а експериментальні методи досліджень часто потребують чимало часу і, як правило, коштовного обладнання. Як альтернативний метод досліджень застосовується комп’ютерне моделювання, яке в останні десятиріччя набуло особливої популярності. Але слід зазначити, що, незважаючи на суттєві досягнення як в методах моделювання, так і в розробці та створенні різноманітних анізотропних систем, зокрема рідкокристалічних, на сьогоднішній день залишаються значні труднощі, пов’язані з моделюванням поширення світла в неоднорідних анізотропних та анізотропно-гіротропних середовищах. Як правило, ці труднощі виникають внаслідок двох причин: 1) детально невідома структура неоднорідного середовища або 2) чисельний метод чи модель, що описують поширення світла, обмежені в своєму застосуванні і не адекватні задачі, яка розглядається. Розробка нових методів розв’язку прямих і обернених задач завжди є актуальною проблемою оптики та становить великий інтерес як в теоретичному так і в прикладному плані.

Завдяки своїм унікальним оптичним та іншим фізичним властивостям, такі як бістабільність електрооптичних характеристик та селективне розсіяння світла, нематико-холестеричні РК композиції стали в останнє десятиріччя перспективними матеріалом для створення засобів відображення інформації, заснованих на відбиванні та розсіянні світла. Розробка нових пристроїв з бажаними характеристиками потребує детального експериментального та теоретичного дослідження механізму пружної взаємодії світла з неоднорідним анізотропно-гіротропним середовищем, яким є нематико-холестеричні РК.

З точки зору математичного моделювання системи, які описують оптичні властивості РК пристроїв є багатопараметричними (може бути до 10 параметрів). Велика кількість параметрів часто є причиною того, що знаходження розв’язку обернених або оптимізаційних задач потребує значного часу комп’ютерних розрахунків. Через це актуальним є питання підвищення швидкості моделювання за рахунок розробки та застосування нових моделей.

Робота виконувалась в рамках таких програм:

-Процеси генерації, перетворення і розповсюдження випромінювання в напівпровідникових та полімерних структурах різної розмірності і розробка оптоелектронних приладів" 2000-2002 р., № державної реєстрації 0100U000116.

- Програма “Розробка принципово нових рідкокристалічних засобів відображення інформації” (Постанова КМ України від 19.02.1996 г. №216 ) 1997-2000 р., № державної реєстрації 0198U002015

- Програма “Сертифікація”, проект 2.14/36 “Розробка автоматизованих вимірювально-обчислювальних комплексів діагностики параметрів плоских засобів відображення інформації” 2000-2003 рр., № державної реєстрації 0102U001738.

- Програма Технопарку “Розробка і освоєння виробництва рідкокристалічних високоінформативних плоских екранів з власною пам’яттю”, 2000-2005 р., № державної реєстрації 0102U001687.

- Проект УНТЦ №637 "Високоінформативні рідкокристалічні дисплеї з пам’яттю на холестерико-нематичних сумішах” 1999-2001 р.

- Проект УНТЦ №2025 "Діагностика рідких кристалів та дисплеїв на їх основі”, 2001-2004 р.

Метою дисертаційної роботи є моделювання процесів пружної взаємодії світла з неоднорідними анізотропно-гіротропними системами на прикладі типових хіральних РК.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані наступні задачі дисертаційної роботи:

Дослідження розповсюдження світла в слабозакрученому рідкокристалічному середовищі, знаходження власних хвиль закручених нематичних РК.

Розробка швидкісних методів розрахунку параметрів світла, що пройшло через слабозакручені РК при похилому падінні.

Побудова моделі селективного розсіяння світла поверхнево стабілізованими нематико-холестеричними РК композиціями та розв’язання оберненої оптичної задачі, знаходження параметрів моделі за обмеженою кількістю експериментально отриманих даних просторового та спектрального розподілів розсіяного світла.

Дослідження оптичних властивостей гібридноорієнтованих холестеричних РК (ХРК) та розробка методу розрахунку поширення світла в неоднорідних анізотропних середовищах, оптична неоднорідність яких змінюється вздовж плавної кривої.

Дослідження оптичних та електрооптичних характеристик комірок, заповнених різними типами РК, вимірювання товщин пустих та заповнених РК комірок. Удосконалення вимірювально-обчислювального комплексу (ВОК) “SV-100” та написання програмного забезпечення, яке дає змогу автоматизувати процеси вимірювань оптичних та електрооптичних характеристик РК комірок.

Об’єктом досліджень є процес пружної взаємодії світла з неоднорідним хіральним анізотропним середовищем.

Предметом досліджень вибрані хіральні РК композиції.

Методи досліджень. Для дослідження заломлення, відбивання та розсіяння світла неоднорідним хіральним анізотропним середовищем були використані спектральні та поляризаційні методи вимірювань, а також методи комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в тому, що вперше:

Застосовуючи операторний формалізм Ф. І. Федорова для знаходження амплітудних співвідношень на межі поділу двох середовищ, запропоновано чисельний метод знаходження матриці Джонса закрученого нематичного РК у випадку похилого падіння світла. Це дало змогу розширити застосування зручного формалізму Джонса за межі найпростішого випадку нормального падіння.

Отримано аналітичний вираз коефіцієнта пропускання світла коміркою з закрученим нематичним РК, розташованою між двома поляризаторами, при похилому падінні світла. Раніше такий вираз був отриманий лише для частинного випадку - нормального падіння.

Запропоновані моделі, які дозволили описати процес пружної взаємодії світла з холестеричним РК, що має недосконалу планарну текстуру. При цьому РК середовище представлено у вигляді сукупності доменів або суцільного квазіперіодичного середовища. Розроблено метод чисельного розв’язання оберненої оптичної задачі та знаходження параметрів запропонованих моделей, при яких розсіяне холестеричним РК світло має спектральні і просторові розподіли, близькі до експериментально виміряних.

Запропоновано метод розрахунку поширення світла в гібридноорієнтованих ХРК структурах та знаходження матриці розсіяння для неоднорідного анізотропного-гіротропного середовища, оптична неоднорідність якого змінюється вздовж плавної кривої.

Для опису особливостей канавчатого спектру дзеркально відбитого від комірки, заповненою холестеричним РК, світла запропонована та теоретично обґрунтована двошарова модель, згідно з якою один шар є РК, а другий моделює вплив сукупності тонких шарів різного призначення в конструкції РК комірки.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропонований в дисертації метод знаходження кутових контрастних характеристик закручених нематичних РК комірок дозволив суттєво (втричі) скоротити час розрахунків порівняно з відомим методом розширеної матриці Джонса, який вважається найшвидшим для такого типу розрахунків.

Розроблено метод знаходження просторового та спектрального розподілів світла, яке розсіюється коміркою, заповненою холестеричним РК, при довільних умовах освітлення. На його основі було запропоновано підхід для знаходження оптимальних параметрів освітлювальної системи відбиваючих холестеричних дисплеїв.

Запропоновано та реалізовано в вимірювально-обчислювальному комплексі “SV-100” методи дослідження оптичних та електрооптичних характеристик РК комірок, обробки експериментальних даних, автоматизації процесів вимірювань, обробки та представлення результатів в зручному для користувача вигляді.

На основі аналізу спектральних положень особливостей канавчатого спектру дзеркально відбитого від комірки, заповненою ХРК, світла розроблено та апробовано метод одночасного вимірювання товщини комірки та середнього значення показника заломлення РК матеріалу.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні представлених в дисертації наукових результатів, в обговоренні проблемних завдань та постановках задач, підготовці та проведенні експериментів, інтерпретації отриманих результатів, написанні наукових статей, підготовки доповідей та їх тез. Дисертанту належить суттєва роль в розробці теоретичних моделей поширення світла в неоднорідних анізотропних системах та в проведенні розрахунків в рамках цих моделей. Безпосередньо дисертантом було розроблено програмне забезпечення для ВОК “SV-100”.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що ввійшли в дисертацію, доповідалися і обговорювалися на VI міжнародній конференції “Advanced display technologies” (Крим, Україна, 1997), VII міжнародній конференції “Advanced display technologies” (Мінськ, Білорусь, 1998), XIX міжнародній конференції “Eurodisplay” (Берлін, Германія, 1999), VIII міжнародній конференції “Advanced display technologies” (Крим, Україна, 1999), міжнародній конференції “SID’00” (Каліфорнія, США, 2000), міжнародній конференції “ICEPOM-3” (Харків, Україна, 2000), XVIII міжнародній конференції “ILCC2000” (Сендай, Японія, 2000), XX міжнародній конференції “IDRC” (Флоріда, США, 2000), IX міжнародній конференції “Advanced display technologies” (Москва, Росія, 2000), міжнародній конференції “ECLC-2001” (Halle, Germany, 2001), міжнародній конференції SID’01 (Каліфорнія, США, 2001), X міжнародній конференції “Advanced display technologies” (Мінськ, Білорусь, 2001), XXI міжнародній конференції “IDRC” (Нагоя, Японія, 2001).

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано в 18 статтях та в тезах вказаних вище конференцій. Перелік основних робіт наведено в кінці автореферату.

Структура та об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури. Роботу викладено на 136 сторінках машинописного тексту, який містить 49 рисунка та 2 таблиці. В роботі є посилання на 129 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибору теми дисертації, сформульовано мету і задачі роботи, показана наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, подано зв’язок з науковими програмами та наведено відомості про апробацію роботи, структуру та обсяг дисертації.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому показано, що для аналізу поширення електромагнітної хвилі в хіральних РК структурах доцільно застосовувати методи кристалооптики, при цьому оптичні властивості РК описуються тензором діелектричної проникливості, компоненти якого є функціями просторових координат.

В залежності від величини закрутки директора на одиницю довжини РК середовища можна умовно поділити на два типи: слабо та сильно закручені. До першого типу, як правило, відносяться закручені нематичні РК, крок спіралі яких значно більший за довжину світлової хвилі. Представниками другого типу можуть бути холестеричні РК, суміші нематичних РК з холестеричними або з сильно хіральними домішками, смектичні РК. Для них величина кроку спіралі характеризується тим же порядком величини, що і довжина хвилі оптичного діапазону. Періодична структура таких матеріалів призводить до брегівського відбивання світла.

В розділі коротко розглянуті основні методи розрахунку поширення світла в анізотропних середовищах, зокрема матричні методи Джонса, Беремана, Єха та операторний метод Федорова.

Другий розділ роботи присвячений аналізу поширення світла в слабозакручених РК.

Для знаходження параметрів світла, яке пройшло крізь слабозакручений рідкий кристал у випадку похилого падіння, було розроблено декілька методів. Один з них полягає в тому, що, застосовуючи модель шарового анізотропного середовища, яка описує оптичні властивості закручених нематичних РК, послідовно від шару до шару (починаючи з першого і до останнього) розраховують амплітуди та фази хвиль, що розповсюджуються в анізотропному шаруватому середовищі. Розв’язки граничних задач на межах поділу між двома сусідніми шарами було знайдено за допомогою операторного методу Федорова.

В роботі проаналізовані залежності відносної похибки результатів розрахунків від кількості шарів, на які умовно розбивається РК матеріал, і показано, що переважна більшість конфігурацій нематичного РК може бути описана шаруватим анізотропним середовищем з 50 шарів, при цьому відносна похибка не перевищує 5%. Приблизно таку ж похибку дає нехтування френелівськими відбиваннями.

Випадок, в якому директор нематичного РК рівномірно закручується, є одним з небагатьох, коли матриця Джонса закрученого нематичного РК може бути знайдена аналітично. Це, крім отримання аналітичного виразу для стану поляризації електромагнітної хвилі, яка пройшла крізь комірку, заповнену закрученим нематичним РК, дає змогу знайти нормальні моди РК, стан поляризації яких описується власними векторами матриці Джонса. Отримані нормальні моди мають еліптичні поляризації, причому велика піввісь “Е” моди локально співпадає з напрямком директора, а велика піввісь “О” моди перпендикулярна до нього. Напрямки обходу еліпсів протилежні, що відповідає випадку так званого еліптичного двопроменезаломлення, характерного для анізотропно-гіротропних середовищ.

Матричний метод Джонса є зручним і потужним інструментом для вирішення багатьох оптичних задач. Але ним, як правило, користуються лише у більш простому випадку нормального падіння, що звужує границі його застосування. В даній роботі була зроблена спроба застосувати цей метод для аналізу поширення електромагнітної хвилі в закрученому нематичному РК при похилому падінні. В розділі отримано матрицю Джонса пластинки, вирізаної з однорідного анізотропного середовища, у випадку похилого падіння:

, (1)

де , ,

- показник заломлення ізотропного середовища, з якого падає світло, головні показники заломлення анізотропного середовища, - кут падіння, коефіцієнти пропускання, відповідно, звичайної та незвичайної хвиль на границі поділу ізотропного середовища з анізотропним, - довжина хвилі, d- товщина пластинки;

- показник заломлення незвичайної хвилі,, , - координати одиничного вектора, колінеарного оптичній осі. Система координат при цьому вибрана таким чином, що площина XZ є площиною падіння, вісь Z спрямована вздовж межі поділу середовищ.

Матриця Джонса закрученого нематичного РК, який представляється стосом анізотропних шарів, знаходиться як добуток матриць Джонса кожного шару:

, (2)

де N – загальне число шарів.

Так як поляризатор є обов’язковим елементом в конструкції пристроїв, з нематичними РК, то було знайдено матрицю Джонса дихроїчного поляризатора “o” типу для випадку похилого падіння:

(3)

Можливість аналітичного опису тих чи інших властивостей об’єкта має велике значення як для подальших теоретичних досліджень, так і для розв’язування ряду інженерних задач. В роботі знайдено аналітичне наближення для матриці Джонса рівномірно закрученого нематичного РК у випадку похилого падіння. Для цього застосовувався підхід, аналогічний тому, що використовувався при нормальному падінні та робилися такі припущення: 1) вважалося, що орієнтація директора змінюється за лінійним законом вздовж напрямку розповсюдження хвилі в закрученому нематичному РК; 2) значення показника заломлення незвичайної хвилі (ne*) для всіх шарів однакове. Іншими словами, завжди можна знайти такі параметри еквівалентного рівномірно закрученого анізотропного шаруватого середовища, при нормальному падінні хвилі на яке, стан поляризації хвилі на виході співпадає з тим, що має хвиля після проходження закрученого нематичного РК у випадку похилого падіння.

Третій розділ присвячений аналізу пружної взаємодії світла з сильно закрученим РК середовищем, зокрема з поверхнево стабілізованими нематико-холестеричними РК композиціями. Для пояснення просторового та спектрального розподілів світла, розсіяного від комірки, заповненої холестеричним РК, що має недосконалу планарну текстуру, була запропонована модель холестеричного РК у вигляді сукупності доменів (рис.1).

Рис. 1. Модель холестеричного РК з недосконалою планарною текстурою у вигляді сукупності доменів.

При цьому припускалося, що:

В межах кожного домену холестеричний РК є ідеальною періодичною структурою, яка характеризується власним кроком спіралі та орієнтацією в просторі.

Відсутні багаторазові відбивання між сусідніми доменами, тобто падаючий промінь відбивається лише від одного домену.

Комірка холестеричного РК має лише один шар доменів.

В роботі наведено обґрунтування зроблених припущень.

Така багатодоменна структура, може бути описана функцією розподілу доменів за їх орієнтацією, яка задається полярним і азимутальним d кутами та кроком їх спіралі (р). Ця функція розподілу дає змогу виразити характеристики світлового поля, яке розсіюється холестеричним РК з недосконалою планарною текстурою через параметри падаючого випромінювання:

, (4)

де , відповідно вектори Стокса падаючого та розсіяного пучків, напрямки яких задаються полярними () та азимутальними () кутами, матриця яскравості одного домена, яка знаходиться чисельними методами, Vi, Vd – елементи об’єму, що задаються, відповідно, кутами та .

Аналіз експериментально отриманих індикатрис розсіяння світла коміркою, заповненою поверхнево стабілізованим холестеричним РК з недосконалою планарною текстурою, показав, що внутрішній будові РК властива аксіальна симетрія, тобто достатньо характеризувати розподіл доменів в запропонованій моделі лише полярним кутом . Якщо на такий холестеричний РК падає плоска хвиля вздовж напрямку, який задається кутами , а спостерігається розсіяне світло вздовж напрямку, що характеризується кутами , то вектор нормалі доменів, від яких відбилося світло, буде колінеарний деякому вектору , що має координати:

, (5)

де - середній показник заломлення ХРК ().

Для знаходження функції розподілу доменів за їх орієнтацією та кроком спіралей необхідно розв’язати обернену задачу, а саме в рівняння (4) підставити обмежений набір експериментально отриманих значень та знайти розв’язок інтегрального рівняння відносно невідомої функції . Експериментальну установку, за допомогою якої вимірювались спектральні та просторові розподіли розсіяного від поверхнево стабілізованого холестеричного РК світла для знаходження функції розподілу доменів зображено на рис.2. Освітлювач колімованого світла жорстко зв’язаний з об’єктивом комп’ютерного спектрометра. Обидва можуть нахилятись як єдине ціле на заданий полярний кут в одній площині. Процес вимірювання повністю автоматизований, результати вимірювань обробляються комп’ютером в режимі реального часу і видаються в зручному для експериментатора вигляді.

Рис. 2. Схема експериментальної установки для знаходження функції розподілу доменів.

Після того, як знайдена функція розподілу доменів, за допомогою рівняння (4) розраховують просторовий та спектральний розподіли світла, розсіяного коміркою ХРК при довільних умовах освітлення. В роботі запропоновано методи знаходження оптимальних умов освітлення і спостереження холестеричних РК дисплеїв.

Як альтернативна модель багатодоменній структурі в роботі розглянуто модель внутрішньої будови холестеричних РК у вигляді суцільного середовища, в якому орієнтація холестеричної осі змінюється в просторі за квазіперіодичним законом.

В багатьох випадках доводиться розглядати структури, які не можуть бути описані лише у вигляді шаруватого анізотропного середовища. Прикладом подібних структур є, так звані, гібридноорієнтовані холестеричні РК (рис.3). В роботі запропоновано метод знаходження матриці розсіяння для такого типу структур. Головна ідея методу полягає в тому, що гібридноорієнтований ХРК умовно розбивають на велику сукупність клинів таким чином, що в межах кожного клину середовище можна вважати однорідним. Власні хвилі двох сусідніх клинів пов’язані між собою граничними умовами. З врахуванням оптичних шляхів, що проходить кожна з власних хвиль в середині клина, були знайдені рекурентні співвідношення між амплітудами та фазами власних хвиль двох довільних не сусідніх клинів, що, в свою чергу, дало можливість отримати матрицю розсіяння всієї оптичної системи.

Рис.3. Структура гібридноорієнтованого холестерічного РК.

Четвертий розділ присвячений опису експериментальної установки. Всі експериментальні дані були отримані за допомогою розробленого у відділі рідких кристалів ІФН НАН України вимірювально-обчислювального комплексу “SV-100”, призначеного для вимірювання основних оптичних та електрооптичних характеристик РК засобів відображення інформації. Створене програмне забезпечення дозволяє автоматизувати процеси вимірювань, обробляти експериментальні дані за наперед встановленими критеріями, зберігати результати вимірювань та представляти їх в зручному для експериментатора вигляді.

В роботі запропоновано та випробувано на згаданій установці метод одночасного вимірювання товщини комірки, залитою ХРК, та значення середнього показника заломлення РК матеріалу. Основна ідея методу полягає в тому, що на поверхню комірки спрямовується колімований пучок світла з неперервним спектром в широкому діапазоні частот та вимірюється розподіл потужності в спектрі дзеркально відбитого від комірки світла. Спектральні положення характерних особливостей інтерференційних осциляцій розподілу потужності в цьому спектрі залежать від товщини РК шару, його середнього показника заломлення, кута падіння світла, товщин та показників заломлення орієнтуючого шару та прозорих електродів. Для пояснення спектральних залежностей була запропонована модель, за якою багатошарове середовище РК комірки представляється у вигляді еквівалентного двошарового, причому один шар це РК, а другий - деякий ефективний шар, що описує вплив всіх інших тонких шарів комірки. За знайденими спектральними положеннями особливостей інтерференційних осциляцій розподілу потужності в спектрі відбитого світла та їх залежності від кута падіння (рис. 4) визначаються товщина та середній показник заломлення ХРК.

Рис. 4. Спектральні положення інтерференційних максимумів. Точки – результати вимірювань, суцільні лінії – обчислення згідно запропонованої моделі двошарового середовища.

ВИСНОВКИ

В роботі створено та апробовано нові методи моделювання поширення, відбивання та розсіяння світла неоднорідними хіральними анізотропними середовищами. Отримані результати важливі для науки та виробництва. В наукових дослідженнях вони можуть бути корисні при аналізі та дослідженні поширення світлової хвилі в неоднорідних анізотропно-гіротропних середовищах, дослідженні внутрішньої будови хіральних хімічних та біологічних сполук, розв’язку обернених оптичних задач. У виробничій практиці їх можна використовувати при вирішенні широкого кола завдань сучасної оптоелектроніки, при проектуванні та експлуатації РК засобів відображення інформації.

Серед основних результатів дисертаційної роботи слід виділити наступні:

Використовуючи математичний апарат, розробленого Ф.І. Федоровим, запропоновано метод розрахунку поширення світла в хіральних анізотропних середовищах, що дає змогу моделювати процеси пружної взаємодії світла з такими середовищами при довільних кутах падіння. Проаналізовано оптичні властивості та знайдено власні хвилі закрученого нематичного рідкого кристалу.

З метою суттєвого скорочення часу комп’ютерних розрахунків при знаходженні характеристик світла, що пройшло крізь комірку з закрученим нематичним рідким кристалом, запропоновано новий підхід, заснований на застосуванні матричного методу Джонса у випадку похилого падіння. Отримано матриці Джонса для анізотропної пластинки, поляризатора та закрученого нематичного рідкого кристалу при похилому падінні світла.

За допомогою матричного методу Джонса вперше отримано аналітичний вираз для коефіцієнта пропускання світла коміркою з закрученим нематичним рідким кристалом, розташованою між двома поляризаторами, у випадку похилого падіння світла, що дає змогу суттєво скоротити час обчислень при моделюванні розповсюдження світла в нематичних РК.

Проведено аналіз оптичних властивостей сильнозакручених анізотропних середовищ на прикладі ідеальних холестеричних рідких кристалів. Для моделювання розсіяння світла холестеричним рідким кристалом з недосконалою планарною текстурою запропоновані моделі багатодоменної та квазіперіодичної неперервної структур. Розв’язано обернену оптичну задачу: на основі обмеженого набору експериментальних даних знайдено кількісні характеристики запропонованих моделей (функції розподілу доменів за їх орієнтацією та кроком спіралі).

На основі запропонованої моделі багатодоменної структури розглянуто метод знаходження просторового та спектрального розподілу розсіяного світла холестеричним рідким кристалом, який має недосконалу планарну текстуру, при довільних умовах освітлення. Вперше запропоновано метод знаходження оптимальних умов освітлення та спостереження холестеричного дисплею. Отримані результати можуть бути використані для покращення видимих характеристик холестеричних засобів відображення інформації.

На прикладі гібридно-орієнтованих холестеричних рідких кристалів вперше експериментально досліджено розсіяння світла неоднорідним анізотропним середовищем, оптична неоднорідність якого змінюються вздовж плавної кривої, та запропоновано метод розрахунку розповсюдження світла в подібних середовищах. Це дає змогу моделювати процеси пружної взаємодії світла з неоднорідними анізотропно-гіротропними середовищами, які не можуть бути представлені у вигляді послідовності плоскопаралельних анізотропних шарів.

На основі аналізу спектральних положень особливостей в спектрі світла, дзеркально відбитого від комірки, заповненої холестеричним рідким кристалом, вперше запропоновано і випробувано метод одночасного вимірювання товщини комірок та середнього значення показника заломлення РК матеріалу. Запропонований метод може бути використаний для контролю товщини залитих холестеричних рідкокристалічних комірок як в дослідницьких цілях, так і в серійному виробництві.

Створено програмне забезпечення для розробленого в ІФН НАН України вимірювально-обчислювального комплексу “SV-100”, який застосовується для вимірювання основних оптичних та електрооптичних характеристик різноманітних рідкокристалічних засобів відображення інформації. Результати вимірювань обробляються та представляються в зручному для експериментатора вигляді. Комплекс пройшов апробацію в Кореї (Samsung), Індії (Hitronix), Швеції (Swedish LCD Center), Гонконгу (Bona Fide Inst. co.)

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ СТАТЕЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Valyukh S., Slobodyanyk A., Sorokin V. Computer simulation of light propagation through twisted NLC cells // Proc. of Vl-th Int. Symp. “Advanced Display Technologies”, Crimea, Ukraine – 1997. – Р. 76-79.

Valyukh S., Slobodyanyuk A., Sorokin V. Analytical representation for light transmission of twisted nematic liquid crystal displays at oblique incidence// Proc. of Int. Symp. AD/IDW’01, Nagoya, Japan.– 2001. – Р. 165-168.

Valyukh S., Slobodyanyuk A., Sorokin V. Simulation of oblique incident light propagation through a general twisted nematic liquid crystal cell by Jones matrix technique // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics . – 2000. – v.3, №2 – P. 258-263.

Rybalochka A., Sorokin V., Valyukh S., Sorokin A., Nazarenko V. Dynamic Drive Scheme for Fast Addressing of Cholesteric Displays // SID’00 Digest, California, USA. – 2000. – P. 818-821.

Rybalochka A., Sorokin V., Valyukh S., Sorokin A., Simple drive scheme for bistable cholesteric LCDs // SID’01 Digest, California, USA. – 2001. – P. 882-885.

Valyukh S., Slobodyanyuk A., Sorokin V. Viewing characteristics of reflective cholesteric liquid crystal displays // Proc. of the 8th Int. Symp. “Advanced display technologies”, Crimea, Ukraine. – 1999. – P. 287-294.

Valyukh S., Sorokin V., Slobodyanyuk A., Myagchenko Yu., Korenuk P. Computer Simulation of Light Scattering from Polydomain Cholesteric Liquid Crystal// Proc. of the 7th Int. Symp. “Advanced display technologies”, Minsk, Belaruss. – 1998. – P. 81-84.

Kozachenko A.G., Nazarenko V., Valyukh S., Oleksenko P.F. Optical Properties of Short Pitch Surface Stabilized Cholesteric Texture// Proc. Int. Symp. “Eurodisplay”, Berlin, Germany – 1999. – P. 327-330.

Kozachenko А., Valyukh S., Sorokin V., Nazarenko V. Pattern formation and instability of cholesteric texture in an electric field // Functional Materials.– 2000. – v.7, №4(1), P. 727-731.

Valyukh S., Slobodyanyuk A., Sorokin V. Optimization of illumination conditions for reflective cholesteric liquid crystal displays // Proc. of 20th Int. Symp. IDRC, Florida, USA.– 2000. – P. 213-216.

Malysh A. N., Kunets. V. P., Valyukh S.I., Kunets. Vas. P. Saturation of optical absorption in CdS single crystals // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 1999. – v.2, №1 – P. 31-24.

Rybalochka A., Sorokin V., Valiukh S., Determination of maximum permissible relative deviation of LC layer thickness in dynamically addressed ChLCD with high information content// Proc. of the 7th Int. Symp. “Advanced Display Technologies”, Minsk, Belaruss. – 1998. – P. .

Rybalochka A., Sorokin V., Valiukh S. Optimization of driving signal parameters for Cholesteric LCD that addressed by U/ driving ideology// Proc. of the 7th Int. Symp. Advanced Display Technologies, Minsk, Belaruss. – 1998. – P. 122-124.

Rybalochka A., Sorokin V., Valiukh S., Skarp K., Palmer S. Selection of Cholesteric Liquid Crystal for Cholesteric Liquid Crystal Display with high multiplexing level // Proc. of the 8th Int. Symp. “Advanced Display Technologies”, Crimea, Ukraine – 1999. – P. 65-72.

Sorokin V., Sorokin A., Rybalochka A., Valyukh S. Electronic Addressing of the Reflective Cholesteric LCD, // Proc. of SPIE.– 2001. – v.4511, – P. 169-173.

Rybalochka A., Sorokin V., Valyukh S., Sorokin A. Analysis of Drive Schemes for Bistable Cholesteric LCDs // Proc. of the 7th Int. Symp. “Advanced Display Technologies”, Minsk, Belarus. – 2001. – P. 67-71.

Kozachenko A. G., Valyukh S. I Optical properties of hybrid aligned short pith cholesterics // Mol. Crys. Liq. Crys. – 2001. – v.367, – P. .

Valyukh S., Slobodyanyuk A., Sorokin V. Simultaneous Measurements of Thickness of Filled Cholesteric LC Cell and the Average Refractive Index // Digest SID’01, California, USA. – 2001. – P. 670-673.

Анотація

Валюх С.І. Пружна взаємодія світла з неоднорідним хіральним анізотропним середовищем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 –оптика, лазерна фізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено дослідженню пружної взаємодії світла з неоднорідним хіральним анізотропним середовищем на прикладі хіральних рідкокристалічних композицій. Досліджувались як слабозакручені, так і сильно закручені структури.

Запропоновано швидкісні методи розрахунку поширення світла в слабозакручених рідкокристалічних середовищах та отримано аналітичний вираз коефіцієнта пропускання світла коміркою, залитою закрученим нематичним рідким кристалом, яка розташована між двома поляризаторами, у випадку похилого падіння світла.

Запропоновані моделі, які дозволяють описати процеси пружної взаємодії світла з нематико-холестеричним рідким кристалом. На основі обмеженого набору експериментальних значень розв’язана обернена оптична задача та отримані основні характеристики запропонованої моделі, що дало змогу розрахунковим шляхом знаходити просторовий та спектральний розподіли розсіяного нематико-холестеричним рідким кристалом світла при довільних умовах освітлення. Запропоновані методи знаходження оптимальних умов освітлення та спостереження холестеричних рідкокристалічних дисплеїв.

Досліджувалось розсіяння світла гібридноорієнтованими холестеричними рідкими кристалами, запропоновано метод знаходження їх матриці розсіяння.

Запропоновано метод одночасного знаходження товщини холестеричної рідкокристалічної комірки та середнє значення показника заломлення рідкого кристалу. Метод засновано на аналізі спектральних положень особливостей в спектрі дзеркально відбитого від комірки світла. Виміри проводяться при декількох кутах падіння.

Ключові слова: шарувате анізотропне середовище, матричний метод Джонса, доменна структура, рідкокристалічна комірка, пружне розсіяння світла, обернена оптична задача.

Аннотация

Валюх С.І. Упругое взаимодействие света с неоднородной хиральной анизотропной средой. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 – оптика, лазерная физика. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена изучению упругого взаимодействия света с неоднородной хиральной анизотропной средой на примере хиральных жидкокристаллических композиций.

Предложены скоростные методы расчёта распространения света в слабозакрученных жидкокристаллических средах, получено аналитическое выражение коэффициента пропускания света ячейкой, заполненной нематическим жидким кристаллом, и расположенной между двумя поляризаторами в случае наклонного падения света.

Предложены модели внутреннего строения нематико-холестерического жидкого кристалла. С помощью ограниченного набора экспериментальных значений, описывающих пространственное и спектральное распределение рассеяние света, решена обратная оптическая задача, количественно получены основные характеристики предложенной модели. Это дало возможность расчётным путём находить пространственное и спектральное распределения рассеянного нематико-холестерическим жидким кристаллом света при произвольных условиях освещения. Предложены методы нахождения оптимальных условий освещения наблюдения холестерических жидкокристаллических дисплеев.

Исследовалось рассеяние света гибридноориентированными холестерическими жидкими кристаллами, предложен метод нахождения матрицы рассеяния.

Предложен метод одновременного нахождения толщины холестерической жидкокристаллической ячейки, среднего показателя преломления жидкого кристалла.

Ключевые слова: слоистая анизотропная среда, матричный метод Джонса, жидкокристаллическая ячейка, доменная структура, упругое рассеяние света, обратная оптическая задача.

Abstract

Valyukh S. I. Elastic light interaction with a nonuniform chiral anisotropic medium. – Manuscript.

Thesis for a candidat degree in physics and mathematics by speciality 01.04.05. – optics, lazer physics.- Kyiv National University named Taras Shevchenko, Institute of Semiconductor Physics of NAS of Ukraine. Kyiv, 2002.

It is studied elastic light interaction with an uniform chiral anisotropic medium. As a subject of study was took a chiral liquid crystal.

The simple Jones matrix technique was applied for finding intensity of oblique incident light that passes through a plate of a uniaxis uniform medium that later was extended to general twisted nematic liquid crystal medium. Results of calculations were compared with Berreman 4x4 matrix technique. It was shown the way of finding of contrast viewing characteristics of nematic liquid-crystal displays. The obtained results are compared with experimental data.

Analytical expression for light transmission of general twisted nematic liquid crystal displays at oblique incidence is obtained by using extended Jones matrix method.

The cholesteric liquid crystal medium is considered as an ensemble of domains, each of which possesses properties of an ideal helicoidal structure with specific orientation and pitch. Using the function of domain distribution, it was studied the dependencies of luminance and contrast ratio of reflective cholesteric liquid crystal displays on the direction, divergence and spectrum of the illuminating light. A procedure of finding the optimal illumination conditions taking into account the spectral sensitivity of human eye is proposed. It is considered two cases when display is observed in a fixed direction and range of observation is a plane.

Light scattering properties of hybrid orientated cholesteric liquid crystals was studied. A new method for calculation of light propagation in an inhomogeneous anisotropic media, where optical properties may vary along three major axis. The method were applied for calculation optical properties of hybrid aligned cholesteric layer.

A novel method for simultaneous measurement of an average refractive index of the cholesteric liquid-crystal cell and a cell gap of the filled LC cell has been proposed. It is based on spectrum analysis of light mirror reflected from a LC cell at different angles. This method can be applied to other types of liquid crystal cells and easily implemented in commercial instruments.

Key words: stratified anisotropic medium, Jones matrix method, liquid crystal cell, domen structure, elastic light scattering, inverse optic problem.