Жидкокристаллические среды для нелинейно-оптического ограничения.

Среди материалов, на которых исследуется нелинейно-оптическое ограничение, значительное место занимают жидкие кристаллы (ЖК). Жидкокристаллические среды могут применяться не только в виде жидкостей, но и составляющих компонент пленок или твердых пористых структур. ЖК системы имеют перспективу использования их как низкопороговых ограничителей лазерного излучения. Отметим работы группы Khoo [81,82,83], авторы которых в качестве ограничителя использовали микроканальную шайбу, выполненную из оптических капилляров, заполненных изотропным ЖК, и помещенным в фокальную плоскость телескопа (рис. 20).

Рис. 20. Нелинейный защитный оптический элемент в системе передачи изображения

Согласно утверждению авторов в такой системе возникают два механизма ограничения: двухфотонное поглощение в жидкости и нелинейное рассеяние на границе жидкость-оболочка, вызванные светоиндуцированным изменением показателя преломления жидкости. В работе [83] показано, что короткие волокна (3 мм), заполненные системой ЖК-фуллерен, эффективны в качестве низкопорогового ограничителя. Отклонение от линейности в пропускании начиналось (при начальном пропускании 70 %) при значениях лазерной энергии 2 мкДж (0.2 Дж/cм² для волокна 30 мкм).

Для решения задач низкопорогового ограничения в работах [84÷87] предложен и развит способ, основанный на использовании быстрой Керровской нелинейности в поглощающих хиральных жидкокристаллических средах, так называемы Бормановских ячейках. Принцип действия такого устройства приведен на рисунке 21.

Специфические свойства холестериков обусловлены их хиральной структурой. При прохождении света вдоль оптической оси, совпадающей с осью холестерической спирали наблюдается вращение плоскости поляризации света. В этом случае для одной из поляризаций это будет область полного отражения или область селективного отражения. Это же явление можно понять, рассматривая структуру холестерика в виде системы параллельных слоев толщиной p/2, где p – шаг хиральной спирали. Такая система будет работать как диффракционная решетка, для которой выполняется условие Вульфа-Брегга 2dnsinq=l₀, d=p/2, q - угол между падающим лучом и плоскостью текстуры холестерика. Т.е. при нормальном падении плоская текстура холестерика будет отражать свет с длиной волны, равной шагу холестерической спирали.

Рис. 21. Механизм низкопорогового ограничения в легированных нематохиральных ЖК-системах.

Если в такую систему добавить поглощающую примесь, имеющую поглощение на длине волны падающего излучения, то это резонанскное поглощение приведет к фотоиндуцированному изменению показателя преломления в ЖК системе. Условия Вульфа-Брегга будут выполняться для другой длины волны. Dnp=Dl. Если сдвиг области селективного отражения к области длины волны падающего излучения обуславливается фотоиндуцированным изменением индекса преломления, то наблюдается эффект диффракционного подавления поглощения отражением, и весь падающий свет отражается. На рис. 22 а показано оптическое ограничение на Бормановской ячейке с красителем-кетоцианом (КТС). Для кетоцианина порог нелинейности составил 0.25 мДж/см². Еще более низкое значение порога ограничения получено при использовании системы раствора фуллерена С₇₀ в ХЖК (рис. 22 б). Как видно в «Бормановских ячейках» удалось достичь ограничения при значительно более низких уровнях плотности энергии падающего излучения 10^-6 – 10^-7 Дж/см² .(l=532 нм, 2-я гармоника Nd:YAG лазера, длительность импульса 8-10 нс). Достигнут уровень выходного сигнала, удовлетворяющий работе органов зрения.

Рис. 22 а. Эффект оптического ограничения для борманновских ячеек с кетоцианином I (1,1’) (Т0=35%, толщина 1мкм) и с кетоцианином II (2,2’) (Т0=27%, толщина 5мкм).	Рис. 22 б. Эффект оптического ограничения: 1; 4 – в бормановской ячейке с фуллереном С70 (1 – tо=22oC; 4 – tо=30oC); 2 – в чистом ХЖК; 3 – в НЖК с С70.

В работе [87] предложена аьтернативная концепция низкопорогового ограничения, основаная на двух особенностях ЖК-систем: экситонном механизме передачи в них энергии электронного возбуждения при двухфотонном поглощении (ДФП) и возможности создания на базе ЖК миниатюрных оптических устройств – жидкокристаллических микролинз (рис 23).

Рис. 23. Схема микролинзы(а), растра микролинз(b).

Первая особенность легла в основу оптического ограничителя, который впервые использует экситонный механизм передачи энергии при двухфотонном поглощении от растворителя на примесные центы-молекулы, обладающие высоким сечением поглощения из возбужденного состояния в необходимом спектральном интервале. Результаты проведенных расчетов и экспериментов подтвердили перспективность использования указанного механизма. Проведена оптимизация эффективности двухфотонного поглощения в ЖК-структурах. Вторым слагаемым концепции является миниатюризация телескопической фокусирующей системы для ограничителя, благодаря использованию управляемых жидкокристаллических микролинз.

К сожалению, ввиду больших технических трудностей системы с ЖК пока не получили практического применения.