§ 6. Акустооптика жидких кристаллов

Внимание, уделяемое в последнее время изучению акустооптических свойств жидких кристаллов, обусловлено целым рядом уникальных свойств последних — прежде всего значительной оптической анизотропией и малой вязкостью жидких кристаллов, в особенности находящихся в нематической фазе [26—32]. Указанные свойства приводят к тому, что даже при относительно слабых акустооптических возмущениях на границе жидкокристаллического слоя градиенты скорости, связанные с вязкими волнами в жидких кристаллах, достигают больших значений, что существенно сказывается на изменении ориентации молекул. Это в свою очередь вызывает эффективную модуляцию света, проходящего через жидкокристаллическую

ячейку. Среди других возможных применений акустооптических взаимодействий в жидких кристаллах, главным образом холестерических, следует назвать их использование для визуализации звуковых полей, в частности для восстановления акустических голограмм [8—10, 26]. Существенный интерес представляет также наличие в смектических кристаллах долговременной памяти [32], которая может применяться для записи акустических сигналов.

Рис. 13.8. Жидкокристаллическая ячейка: 1 — оптически прозрачные пластинки, 2 — слой жидкого кристалла, 3 — скрещенные поляроиды.

Типичная конфигурация жидкокристаллической ячейки, используемой в качестве акустооптических затворов и модуляторов света [26—31], приведена на рис. 13.8. Поверхности прозрачных пластин обычно обрабатываются таким образом, что в отсутствие внешнего воздействия молекулы жидких кристаллов ориентируются по нормали к поверхности — гомеотропная ориентация. При механическом воздействии на одну из прозрачных пластин, например на нижнюю, в ней могут возбуждаться объемные акустические волны как сдвиговой, так и продольной поляризаций, а также поверхностные акустические волны. В результате в прилегающем к пластине слое жидкого кристалла возбуждаются звуковые и вязкие волны, приводящие к изменению показателя преломления кристалла. Механизм воздействия звуковых волн на показатель преломления — через изменение плотности — в данном случае ничем не отличается от обычного фотоупругого механизма в жидкости (§ 2) и вызывает дифракционные эффекты того же порядка. Вязкие же волны приводят к изменению ориентации молекул жидких кристаллов, т. е. к эффекту, характерному для твердых тел. В нематических жидких кристаллах, например в кристаллах МББА, влияние вязких волн оказывается гораздо более существенным [26, 29]. Поэтому при теоретическом рассмотрении звуковыми возмущениями в них обычно пренебрегают. Изменение ориентации молекул, или, что то же, ориентации оптической оси жидких кристаллов сказывается на прохождении через слой жидких кристаллов необыкновенных лучей, которые в данном случае и образуют дифракционную картину

Согласно феноменологическим расчетам, выполненным для случая воздействия на слой жидких кристаллов стоячих поверхностных акустических волн типа Гуляева — Блюштейна [27], дифрагированное поле при этом имеет несколько максимумов различной интенсивности, что напоминает дифракцию Рамана — Ната. Воздействие на нематический жидкий кристалл поверхностной волны рэлеевского типа анализировалось в работе [29] также с учетом только сдвиговых колебаний. Определялась так называемая «средняя прозрачность», или средняя интенсивность прошедшего света (нормированная по отношению к падающему) для системы, состоящей

из слоя жидких кристаллов и двух скрещенных николей, не пропускающей свет в отсутствие возмущения. Согласно проведенным оценкам для частоты 6 МГц и амплитуды смещений на границе см (интенсивность волны вблизи границы) средняя прозрачность оказалась равной На низких частотах когда колебания пластины можно было рассматривать как ее поступательные перемещения, средняя прозрачность при тех же мощностях механических колебаний (амплитуды смещений см) составила Отметим, что переменная составляющая проходящего света в низкочастотном режиме и при умеренных модулирующих мощностях изменялась с двойной частотой механических колебаний [27], что отражает зависимость коэффициента преломления от интенсивности последних.

Рис. 13.9. Зависимости переменной (1) и постоянной (2) составляющих света, прошедшего через жидкокристаллическую ячейку со скрещенными поляроидами, от амплитуды смещения одной из пластин [30].

Экспериментально этот эффект наблюдался в работе [30]. Кривые для интенсивностей постоянной и переменной составляющих света, прошедшего через слой жидкого кристалла и два скрещенных николя, от амплитуды смещений пластины, полученные в этой работе, приведены на рис. 13.9. В отсутствие возбуждения и при очень малых колебаниях фотоприемник на выходе системы регистрировал слабую высокочастотную составляющую, связанную с шумами лазерного излучения. При превышении амплитудой смещений некоторого значения (на частоте 296 Гц мкм) в прошедшем свете наблюдалась составляющая с удвоенной частотой модуляции, величина которой возрастала с ростом По достижении максимума спектральный состав переменной составляющей прошедшего света менялся, что можно было наблюдать по искажению профилей осциллограмм. Для постоянной составляющей наблюдалась во многом аналогичная картина. Таким образом, зависимости переменной (на двойной частоте) и постоянной составляющих света, прошедшего через ячейку, при достаточно больших оказываются существенно нелинейными и характеризуются резкими максимумами. Последующие исследования [31] показали, что наличие максимумов постоянной составляющей и составляющей с двойной частотой объясняется перекачкой энергии прошедшего света в гармоники с более высокими номерами. Этот факт, по-видимому, может представлять интерес с точки зрения создания нелинейных акустооптических устройств на жидких кристаллах.

Весьма перспективным представляется использование жидких кристаллов для визуализации акустических полей [8, 26]. С этой целью обычно применяется эффект селективного отражения света

от жидких кристаллов, находящихся в холестерической фазе. Как известно, в этой фазе жидкий кристалл обладает спиральной структурой, шаг которой и определяет частоту отраженного света в соответствии с брэгговским условием. Кристалл, освещенный белым светом, при этом кажется окрашенным, причем цвет окраски существенно зависит от температуры, которая определяет период спиральной структуры. Например, при изменении температуры на 2 °С цвет отраженного света может измениться от красного до голубого — полный цветовой переход. Если холестерический жидкий кристалл привести в контакт со средой, в которой распространяются акустические волны, например поверхностные, то в результате поглощения последних в кристалле устанавливается стационарное распределение температуры, соответствующее распределению интенсивности звукового поля. Получившуюся картину — изображение звукового поля — легко наблюдать при освещении жидкого кристалла белым светом.

Основная трудность, стоящая на пути использования жидких кристаллов в качестве индикаторов звука, состоит в больших временах установления звуковых изображений в известных образцах кристаллов (обычно они составляют несколько секунд). Это препятствует применениям жидких кристаллов для визуализации быстро изменяющихся акустических полей. То же самое можно сказать и относительно использования жидкокристаллических ячеек в качестве акустооптических модуляторов, поскольку максимальные частоты модуляции обратно пропорциональны временам релаксации. Существенный прогресс в этой области, очевидно, связан с поиском новых быстрорелаксирующих жидких кристаллов. Это, однако, не относится к области использования жидких кристаллов в качестве запоминающих устройств [32], где большие времена релаксации, наоборот, желательны.