RU2649062C1 - Optical modulator - Google Patents

Abstract

FIELD: optics; electronic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to optics and opto-electronics. Its application in visible and infrared light beams devices and control systems, including in spatial light modulators, in holography, visualization and display of information, in storage devices, transformation and image processing makes it possible to expand the functionality due to the achievement in the optical modulator of a bi-stable mode of light scattering modulation with an increased modulation frequency range of up to 5 kHz, with a light scattering efficiency of at least 200:1 and storing any of the two optical states for at least ten seconds with possibility of its turning off in less than 50 mcs. For this purpose, the optical modulator is made on the basis of an electro-optical cell with a non-helicoidal ferroelectric liquid crystal (hereinafter – FLC) having a spontaneous polarization of not more than 50 nC/cm², the rotational viscosity in the interval 0.3–1.0 Poise, the thickness of the layer in the range of 10–25 mcm, and the periodic deformation of the smectic layers in the absence of an electric field and changing its optical anisotropy under the action of an alternating electric field. At that, FLC smectic layers deformation energy is less than 5⋅10³ erg/cm³.

EFFECT: invention application in optics and opto-electronics.

2 cl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Данное изобретение относится к области оптики и оптоэлектроники и может быть использовано в устройствах и в системах управления световыми пучками видимого и ИК-диапазона, в том числе в пространственных модуляторах света, в голографии, визуализации и отображении информации, в устройствах хранения, преобразования и обработки изображений.This invention relates to the field of optics and optoelectronics and can be used in devices and in control systems for visible and infrared light beams, including spatial light modulators, in holography, visualization and display of information, in devices for storage, conversion and image processing .

Уровень техникиState of the art

Оптический материал с управляемой электрическим полем способностью рассеивать проходящий через него свет интересен для создания оптического модулятора с малыми световыми потерями и, соответственно, с высокой эффективностью по свету (вследствие отсутствия поляризаторов), особенно предназначенного для использования в инфракрасной (ИК) области спектра, для которой простые пленочные и тонкие кристаллические поляризаторы отсутствуют. Материал также может быть перспективен для применений в пространственных модуляторах и дисплеях электронных книг.An optical material with an electric field controlled ability to scatter light passing through it is interesting for creating an optical modulator with low light losses and, accordingly, with high light efficiency (due to the absence of polarizers), especially intended for use in the infrared (IR) region of the spectrum, for which simple film and thin crystalline polarizers are absent. The material may also be promising for applications in spatial modulators and displays of electronic books.

Главным требованием к светорассеивающему материалу и оптическому модулятору на его основе обычно является максимальная частота переключения оптических состояний (например, несколько сотен и тысяч герц) при малом управляющем напряжении (например, несколько вольт) и минимальном времени электрооптического отклика, определяющем времена включения и выключения рассеяния [1]. Кроме того, модуляторы должны минимально рассеивать свет в пропускающем состоянии и иметь максимальный оптический контраст, определяемый как отношение интенсивностей излучения, распространяющегося прямолинейно без рассеяния, и рассеянного в некотором, достаточно малом, телесном угле, определяемом используемой диафрагмой (пространственным фильтром). При этом также весьма желательно обеспечить характеризующийся пониженным энергопотреблением бистабильный режим светорассеяния с запоминанием любого (из двух) включенного оптического состояния до момента его выключения.The main requirement for light-scattering material and an optical modulator based on it is usually the maximum switching frequency of optical states (for example, several hundreds and thousands of hertz) with a low control voltage (for example, several volts) and a minimum electro-optical response time that determines the on and off times of scattering [ one]. In addition, modulators should minimize the scattering of light in a transmitting state and have a maximum optical contrast, defined as the ratio of the intensities of the radiation propagating rectilinearly without scattering, and scattered in a certain rather small solid angle, determined by the diaphragm used (spatial filter). It is also highly desirable to provide a bistable mode of light scattering characterized by reduced power consumption with storing any (of two) switched on optical states until it is turned off.

К электрически управляемым светорассеивающим материалам можно отнести прессованную крупнозернистую (размер зерен ≥3 мкм) оптическую керамику на основе цирконата-титаната свинца с примесью лантана (ЦТСЛ) [1]. Рассеяние света в ней возникает на границах оптически анизотропных зерен-кристаллитов при переходе такой керамики из электрически поляризованного состояния, имеющего выделенную оптическую ось вдоль направления поля и вектора поляризации в кристаллитах, в электрически деполяризованное состояние, без выделенной оптической оси, с хаотическим направлением векторов поляризации в кристаллитах. Для модуляции светорассеяния можно использовать конфигурацию электродов как для продольного электрооптического эффекта (луч проходит через сплошные электроды на обеих сторонах керамической пластины), так и поперечного (луч проходит между электродами, нанесенными на одной стороне пластины). Время переориентации вектора поляризации составило десятки микросекунд при напряжении порядка 300 В, приложенном к пластине ЦТСЛ-керамики состава 7/65/35 толщиной 250 мкм. Оптический контраст, характеризующий отношение световых потоков при рассеянии и при его выключении в заданном, обычно малом, телесном угле, был невелик - порядка 10:1. Такие параметры не позволили использовать ЦТСЛ-керамику в практических устройствах.Electrically controlled light-scattering materials include extruded coarse-grained (grain size ≥3 μm) optical ceramics based on lead zirconate-titanate mixed with lanthanum (TsTSL) [1]. Light scattering in it occurs at the boundaries of optically anisotropic grains of crystallites during the transition of such ceramics from an electrically polarized state having a distinguished optical axis along the field direction and a polarization vector in crystallites to an electrically depolarized state, without a distinguished optical axis, with a random direction of polarization vectors in crystallites. To modulate light scattering, one can use the configuration of the electrodes both for the longitudinal electro-optical effect (the beam passes through solid electrodes on both sides of the ceramic plate) and the transverse one (the beam passes between electrodes deposited on one side of the plate). The time of reorientation of the polarization vector was tens of microseconds at a voltage of the order of 300 V applied to a 7/65/35 TsTSL ceramic plate with a thickness of 250 μm. The optical contrast characterizing the ratio of light fluxes during scattering and when it was turned off in a given, usually small, solid angle was small - about 10: 1. Such parameters did not allow the use of CTSL ceramics in practical devices.

В нематических жидких кристаллах (НЖК) с анизотропной и относительно высокой проводимостью (10^-8-10^-10 Ом^-1 см^-1) при приложении электрического напряжения выше некоторого порога (несколько вольт) возникают электрогидродинамические неустойчивости, приводящие к «рулонному», а затем к вихревому пространственно-периодическому течению, переходящему при повышении напряжения в турбулентное движение молекул НЖК [1, 2]. Вследствие анизотропии электропроводимости и большой оптической анизотропии молекул явление сопровождается сильным, так называемым «динамическим» рассеянием света (ДРС). В семидесятые годы прошлого столетия такие НЖК-материалы использовались в бесполяроидных модуляторах света и в индикаторах калькуляторов и первых электронных часов. Время включения рассеяния составляло как минимум несколько миллисекунд, а время выключения - несколько десятков миллисекунд, и оптический контраст достигал 200:1. По причине диссоциации такие НЖК имели малый срок службы и уже давно не применяются (заменены широко используемыми в современных дисплеях и индикаторах высокоомными НЖК с фазо-поляризационной модуляцией света).In nematic liquid crystals (NLC) with anisotropic and relatively high conductivity (10 ^-8 -10 ^-10 Ohm ^-1 cm ^-1 ), when an electric voltage is applied above a certain threshold (several volts), electro-hydrodynamic instabilities arise, leading to a "roll", and then to a spatially periodic vortex flow, which transforms with increasing voltage into the turbulent motion of NLC molecules [1, 2]. Due to the anisotropy of electrical conductivity and the large optical anisotropy of the molecules, the phenomenon is accompanied by strong, the so-called “dynamic” light scattering (DLS). In the seventies of the last century, such NLC materials were used in non-polaroid light modulators and in indicators of calculators and the first electronic clocks. The scattering on time was at least a few milliseconds, and the off time a few tens of milliseconds, and the optical contrast reached 200: 1. Due to dissociation, such NLCs had a short service life and have not been used for a long time (replaced by high-resistance NLCs with phase-polarization modulation of light widely used in modern displays and indicators).

Известна модуляция светорассеяния при индуцированном электрическим полем переходе «холестерик-нематик», т.е. при переходе ЖК из холестерического типа с рассеивающей свет конфокально-закрученной структурой молекул в нематический тип - НЖК, в котором оси молекул параллельны друг другу, и рассеяние отсутствует [2]. Реально переключение из светорассеивающего состояния в прозрачное при напряжении 100 вольт осуществляется примерно за 250 микросекунд. Обратный переход к исходному состоянию после снятия электрического напряжения, обусловленный действием упругих сил, гораздо более медленный, но общее время цикла включения-выключения рассеяния не превышает 2 мс. Это позволило использовать пакет из 20 оптических ЖК-модуляторов (затворов) в качестве объемного экрана трехмерного дисплея [3], визуализирующего по сечениям в реальном времени (25 кадров в сек) световой макет трехмерного объекта при проецировании изображений его сечений на модуляторы в момент поочередного включения в них рассеяния света. Недостаточное быстродействие светорассеивающих модуляторов и высокое управляющее напряжение, а также тот факт, что прозрачное состояние не является стабильным и требует приложения электрического напряжения, затрудняют использование этих модуляторов.Light scattering modulation is known in the case of the “cholesteric-nematic” transition induced by an electric field, i.e. upon the transition of an LC from a cholesteric type with a light-scattering confocal-twisted structure of molecules to a nematic type — NLC, in which the molecular axes are parallel to each other and there is no scattering [2]. Actually, switching from a light-scattering state to a transparent one at a voltage of 100 volts takes about 250 microseconds. The reverse transition to the initial state after removal of the electric voltage, due to the action of elastic forces, is much slower, but the total time of the on-off scattering cycle does not exceed 2 ms. This made it possible to use a package of 20 optical LCD modulators (shutters) as a three-dimensional display volumetric screen [3], which visualizes the real-time light sections (25 frames per second) of sections of a three-dimensional object when projecting images of its sections onto modulators at the moment of switching it on light scattering in them. The insufficient speed of light-scattering modulators and the high control voltage, as well as the fact that the transparent state is not stable and requires the application of electric voltage, makes it difficult to use these modulators.

Рассеивающими свойствами обладают некоторые жидкие кристаллы смектического типа, имеющие слоистую структуру и более высокую вязкость, чем НЖК. Наиболее известны смектики А (оптические оси молекул направлены перпендикулярно к плоскости слоев) и смектики С (оптические оси молекул направлены наклонно к плоскости слоев). Практически все электрооптические эффекты в смектиках А обусловлены текстурными переходами, причем некоторые из этих переходов имеют характер электро-гидро-динамических неустойчивостей [2]. Как и при «динамическом» рассеянии света в НЖК, в электрическом поле в смектике А при достаточно большой электропроводимости вследствие ее анизотропии может наблюдаться турбулентное движение молекул, а также электрически индуцированная «память», но вследствие медленности процессов переключения оптических состояний при рассеянии света (10^-1-10^-2 с) этот материал в качестве перспективного рассматриваться не может.The scattering properties are possessed by some smectic type liquid crystals having a layered structure and higher viscosity than NLC. The most famous are smectics A (the optical axes of the molecules are directed perpendicular to the plane of the layers) and smectics C (the optical axes of the molecules are directed obliquely to the plane of the layers). Almost all electro-optical effects in smectic A are due to texture transitions, some of which being electro-hydrodynamic instabilities [2]. As with “dynamic” light scattering in an NLC, a turbulent motion of molecules and also an electrically induced “memory” can be observed due to its anisotropy in an electric field in smectic A at a sufficiently high electrical conductivity, but due to the slow process of switching of optical states during light scattering (10 ^-1 -10 ^-2 c) this material cannot be considered promising.

Гораздо больший интерес представляют смектики С, а именно смектики С*, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, обусловленными наличием дипольного момента и спонтанной поляризации вследствие асимметрии их молекул [2]. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы (СЖК) обладают быстродействием в килогерцовом диапазоне и при определенных условиях интенсивно рассеивают свет. В отличие от НЖК электрооптический эффект в СЖК линеен по полю [4], и поскольку СЖК реагирует на знак приложенного электрического напряжения, то время включения и время выключения оптического отклика здесь одинаковы и пропорциональныOf greater interest are smectics C, namely, smectics C *, which have ferroelectric properties due to the presence of a dipole moment and spontaneous polarization due to the asymmetry of their molecules [2]. Ferroelectric liquid crystals (FLC) have a speed in the kilohertz range and, under certain conditions, intensively scatter light. In contrast to the NLC, the electro-optical effect in the FLC is linear in the field [4], and since the FLC reacts to the sign of the applied electric voltage, the on-time and off-time of the optical response are the same and proportional

где γ_ϕ - вращательная вязкость СЖК, P_S - спонтанная поляризация и Е - напряженность электрического поля. Иначе, возвращение к исходному состоянию осуществляется в СЖК импульсом обратной полярности, т.е. принудительно, а не в результате релаксации (за счет упругих сил), как в НЖК. Поэтому оптический оклик при включении-выключении является симметричным во времени и очень коротким (десятки микросекунд).where γ _ϕ is the rotational viscosity of the FLC, P _S is the spontaneous polarization, and E is the electric field strength. Otherwise, the return to the initial state is carried out in the FLC by a pulse of reverse polarity, i.e. forcedly, and not as a result of relaxation (due to elastic forces), as in NLC. Therefore, the on-off optical response is symmetrical in time and very short (tens of microseconds).

В одном из первых подходов к созданию оптического светорассеивающего модулятора на основе СЖК использовался композитный полимерно-жидкокристаллический материал, известный как капсулированный полимером СЖК [5, 6]. Он представлял собой полимерную пленку, внутри которой диспергированы капли ЖК, причем направления оптических осей во всем ансамбле капель преимущественно параллельны и лежат в плоскости пленки. Толщина пленки могла варьироваться от единиц до десятков микрометров и более. Размеры капель обычно лежат в пределах до 10 мкм. Показатель преломления полимера примерно равен показателю преломления ЖК для обыкновенного луча, т.е. для компоненты света, поляризованной перпендикулярно направлению директора. Это означает, что такая компонента не рассеивается в композитной пленке, находящейся в исходном состоянии (при заданной полярности приложенного к проводящим покрытиям электрического напряжения), в то время как параллельно поляризованная компонента света (необыкновенный луч) испытывает интенсивное рассеяние. Соответственно, при изменении параметров луча или полярности прилагаемого электрического напряжения ситуация изменяется на обратную. Время включения-выключения электрооптического отклика составило 15 мкс при достаточно малом значении переключающего напряжения - 15 В. Однако оптическое пропускание было невысоким (порядка 60%), как и оптический контраст (максимум 50:1), вследствие высокого остаточного рассеяния.In one of the first approaches to creating an optical light-scattering modulator based on FFA, a composite polymer-liquid-crystalline material known as encapsulated by the FLC polymer was used [5, 6]. It was a polymer film inside which liquid droplets were dispersed, and the directions of the optical axes in the entire ensemble of droplets were predominantly parallel and lie in the plane of the film. The film thickness could vary from units to tens of micrometers or more. Droplet sizes typically range up to 10 microns. The refractive index of the polymer is approximately equal to the refractive index of the LC for an ordinary beam, i.e. for a light component polarized perpendicular to the direction of the director. This means that such a component does not scatter in the composite film in its original state (at a given polarity of the voltage applied to the conductive coatings), while a parallelly polarized light component (extraordinary ray) experiences intense scattering. Accordingly, when changing the parameters of the beam or the polarity of the applied electrical voltage, the situation changes to the opposite. The on-off time of the electro-optical response was 15 μs with a sufficiently small value of the switching voltage of 15 V. However, the optical transmittance was low (about 60%), as well as the optical contrast (maximum 50: 1), due to the high residual scattering.

Известно также рассеяние света в электрооптической ячейке с монодоменным слоем геликоидального (спирального) СЖК, в том числе бистабильное светорассеяние, впервые исследованные в [7, 8].Light scattering is also known in an electro-optical cell with a single-domain layer of a helicoidal (spiral) FLC, including bistable light scattering, which was first studied in [7, 8].

Характерной особенностью геликоидальных СЖК является периодическая упорядоченность центров масс молекул вдоль направления ориентации их длинных осей (директора) с периодом порядка длины молекул - так называемые смектические слои. Если молекулы не зеркально симметричные и отклонены на некоторый угол Θ₀ от нормали к смектическим слоям, то в каждом слое существует единственный элемент симметрии - полярная ось второго порядка. Вдоль этой оси возможно существование спонтанной поляризации P_S слоя, если молекулы обладают дипольным моментом, перпендикулярным их длинным осям.A characteristic feature of helicoidal FFAs is the periodic ordering of the centers of mass of the molecules along the direction of orientation of their long axes (director) with a period of the order of the length of the molecules — the so-called smectic layers. If the molecules are not mirror symmetric and are deviated by a certain angle Θ ₀ from the normal to the smectic layers, then in each layer there is a single element of symmetry - the polar axis of the second order. Along this axis, the existence of a spontaneous polarization of the P _S layer is possible if the molecules have a dipole moment perpendicular to their long axes.

В отсутствие внешних воздействий полярные оси различных смектических слоев повернуты друг относительно друга, т.е. имеет место геликоидальная закрутка директора. В каждом слое положение директора определяется полярным углом Θ₀ и азимутальным углом ϕ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу р₀ геликоида. Под действием электрического поля, приложенного параллельно смектическим слоям и перпендикулярно к оси геликоида, вектор P_S во всех слоях ориентируется по направлению поля (т.е. геликоид как бы раскручивается). При смене знака поля вектор P_S переориентируется на 180 градусов. При этом длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2Θ₀, то есть азимутальный угол ориентации директора ϕ изменяется на 180 градусов.In the absence of external influences, the polar axes of various smectic layers are rotated relative to each other, i.e. there is a helical twist of the director. In each layer, the position of the director is determined by the polar angle Θ ₀ and the azimuthal angle ϕ, which varies from 0 to 2π at a distance equal to the pitch p _{0 of the} helicoid. Under the action of an electric field applied parallel to the smectic layers and perpendicular to the axis of the helicoid, the vector P _S in all layers is oriented in the direction of the field (i.e. the helicoid unwinds as it were). When the field sign changes, the vector P _{S is} reoriented by 180 degrees. In this case, the long axes of the molecules rotate in a cone with a solution of 2Θ ₀ , that is, the azimuthal angle of orientation of the director ϕ changes by 180 degrees.

Дипольные моменты молекул СЖК в электрическом поле стремятся принять энергетически выгодную ориентацию, то есть расположиться вдоль направления поля. Домен, в котором дипольные моменты изначально расположены не по направлению поля, неустойчив. В силу этого в нем происходит появление областей, в которых дипольные моменты располагаются энергетически выгодно. Развитие этого процесса приводит к образованию переходных рассеивающих свет доменов [7-9], то есть участков, где некоторое количество дипольных моментов молекул расположены против направления поля, разделяющих области с ориентацией диполей по направлению поля. Переходные домены представляют собой связанное состояние двух 180° доменных стенок разных знаков. При достижении некоторого критического поля стенки начинают двигаться таким образом, чтобы объем энергетически выгодного домена увеличивался за счет домена энергетически невыгодного, причем стенки разного знака движутся в противоположных направлениях. В результате во всех смектических слоях вектор P_S сориентируется по направлению поля. Для падающего на электрооптическую ячейку светового пучка с плоскостью поляризации, лежащей вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), светопропускание ячейки становится максимальным.The dipole moments of FFA molecules in an electric field tend to take an energetically favorable orientation, that is, to settle down along the field direction. The domain in which the dipole moments are initially located not in the direction of the field is unstable. Because of this, the appearance of regions in which dipole moments are energetically favored occurs in it. The development of this process leads to the formation of transient light scattering domains [7–9], that is, sites where a certain number of dipole moments of the molecules are located opposite the field direction, dividing the regions with the dipole orientation in the field direction. Transition domains are the bound state of two 180 ° domain walls of different signs. When a certain critical field is reached, the walls begin to move in such a way that the volume of the energetically favorable domain increases due to the domain of energetically unfavorable, and the walls of different signs move in opposite directions. As a result, in all smectic layers, the vector P _{S is} oriented in the direction of the field. For a light beam incident on an electro-optical cell with a plane of polarization lying along the direction of the FLC director (along the main optical axis), the light transmission of the cell becomes maximum.

Инверсия знака электрического поля (полярности управляющего напряжения) вновь индуцирует образование переходных светорассеивающих доменов, а затем приводит к восстановлению невозмущенного геликоида (в результате движения доменных границ) и далее к однородной ориентации молекул. И каждый раз образование структуры переходных доменов вызывает появление градиентов показателя преломления вдоль оси геликоида, на которых происходит интенсивное рассеяние света.Inversion of the sign of the electric field (polarity of the control voltage) again induces the formation of transient light scattering domains, and then leads to the restoration of the unperturbed helicoid (as a result of the movement of the domain walls) and then to the uniform orientation of the molecules. And each time the formation of the structure of the transition domains causes the appearance of gradients of the refractive index along the axis of the helicoid, on which intense light scattering occurs.

В зависимости от частоты прилагаемого электрического поля различимы две рассеивающие моды - низкочастотная и высокочастотная. В низкочастотной моде (частота управляющего напряжения меньше 200 Гц) переход в рассеивающее состояние происходит при каждом изменении знака электрического поля, и эффективность светорассеяния не зависит от полярности управляющего напряжения. При переходе к высокочастотной моде (частота порядка 500 Гц) угол между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК, которому соответствуют максимальные значения эффективности рассеяния и светопропускания, увеличивается более чем на 60°. Поворот индикатрисы рассеяния означает, что изменяется угловое распределение плотности рассеивающих центров в объеме СЖК, когда действие высокочастотного поля нарушает регулярную прецессию вектора P_S в движущейся доменной стенке, а это, в свою очередь, приводит к возбуждению изгибных колебаний и увеличению площади стенки. Переходу от низкочастотной к высокочастотной рассеивающей моде соответствует наиболее существенная деформация слоя, вызывающая увеличение угла между плоскостью поляризации падающего света и направлением главной оптической оси СЖК, в результате чего индикатриса рассеяния поворачивается на угол порядка 90°.Depending on the frequency of the applied electric field, two scattering modes are distinguishable - low-frequency and high-frequency. In the low-frequency mode (the frequency of the control voltage is less than 200 Hz), the transition to the scattering state occurs with each change in the sign of the electric field, and the light scattering efficiency does not depend on the polarity of the control voltage. When switching to the high-frequency mode (frequency of the order of 500 Hz), the angle between the plane of polarization of the incident light and the direction of the main optical axis of the FLC, which corresponds to the maximum values of the scattering and light transmission efficiency, increases by more than 60 °. The rotation of the scattering indicatrix means that the angular distribution of the density of scattering centers in the FLC volume changes when the action of a high-frequency field violates the regular precession of the vector P _S in the moving domain wall, and this, in turn, leads to the excitation of bending vibrations and an increase in the wall area. The transition from the low-frequency to the high-frequency scattering mode corresponds to the most significant deformation of the layer, causing an increase in the angle between the plane of polarization of the incident light and the direction of the main optical axis of the FLC, as a result of which the scattering indicatrix rotates by an angle of about 90 °.

Переходное рассеяние характеризуется достаточно высоким быстродействием: времена включения и выключения процесса рассеяния не превышали 150 мкс при напряженности поля 5-6 В/мкм. Амплитуда импульсов составляла порядка ±80 В, оптический контраст - около 100:1.Transitional scattering is characterized by a fairly high speed: the on and off times of the scattering process did not exceed 150 μs at a field strength of 5-6 V / μm. The pulse amplitude was of the order of ± 80 V, the optical contrast was about 100: 1.

При определенном экспериментально подобранном соотношении между амплитудой и длительностью знакопеременных импульсов управляющего напряжения, а также между упругой энергией геликоида и спонтанной поляризацией СЖК процесс рассеяния приобретал бистабильный характер с максимальным светопропусканием свыше 80% и контрастным отношением порядка 100:1 [7]. Изменение скважности между импульсами управляющего напряжения (при сохранении длительности) приводило к изменению соотношения между временами существования обоих оптических состояний. При инверсии длительности знакопеременных импульсов (при сохранении скважности), когда длительность импульса, включающего рассеяние, становится равной длительности выключающего импульса (и наоборот), соотношение между временами существования состояний с максимальным светопропусканием и с максимальной эффективностью светорассеяния меняется на противоположное. При этом во всех рассмотренных случаях оба оптических состояния сохранялись без уменьшения светопропускания и контрастного отношения в течение нескольких секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности.With a certain experimentally selected ratio between the amplitude and duration of alternating pulses of the control voltage, as well as between the elastic energy of the helicoid and the spontaneous polarization of the FLC, the scattering process became bistable with a maximum light transmission of over 80% and a contrast ratio of the order of 100: 1 [7]. A change in the duty cycle between the control voltage pulses (while maintaining the duration) led to a change in the relationship between the lifetimes of both optical states. With an inversion of the duration of alternating pulses (while maintaining the duty cycle), when the duration of the pulse including scattering becomes equal to the duration of the switching pulse (and vice versa), the ratio between the times of existence of states with maximum light transmission and maximum light scattering efficiency is reversed. Moreover, in all the cases considered, both optical states were preserved without decreasing light transmission and contrast ratio for several seconds after switching off the electric field or until a pulse of opposite polarity arrived.

Наиболее близким к заявляемому устройству является оптический модулятор, описанный в патенте РФ №2561307 (опубл. 27.08.2015) «Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления» [10]. В этом модуляторе оптическим материалом, способным к рассеянию света, является негеликоидальный (бесспиральный) сегнетоэлектрический жидкий кристалл (СЖК). В нем, в отличие от геликоидального (спирального) СЖК, геликоид отсутствует, т.е. шаг спирали p₀→∞ благодаря компенсационному взаимодействию хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности. Как показали исследования [11], отсутствие геликоида в бесспиральном СЖК обеспечивает ему следующие важные преимущества: после выключения электрического поля не наблюдается остаточное светорассеяние в СЖК, проходящее оптическое излучение при модуляции не изменяет свой спектральный состав, а частота повторения низкочастотного сигнала (меандр) амплитудой ±35 В составила уже не 500 Гц, а вдвое большую величину - около 1 кГц.Closest to the claimed device is an optical modulator described in RF patent No. 2561307 (published on 08.27.2015) "A method of spatially inhomogeneous modulation of the phase of light and an optical modulator for its implementation" [10]. In this modulator, an optical material capable of scattering light is a non-helicoidal (helix-free) ferroelectric liquid crystal (FLC). In it, unlike the helicoidal (spiral) FFA, the helicoid is absent, i.e. helix pitch p ₀ → ∞ due to the compensatory interaction of chiral additives with opposite signs of optical activity. As studies [11] showed, the absence of a helicoid in a helixless FFA provides it with the following important advantages: after switching off the electric field, residual light scattering in the FFA is not observed, transmitted optical radiation does not change its spectral composition upon modulation, and the low-frequency signal repetition frequency (meander) with an amplitude of ± 35 V was no longer 500 Hz, but twice as large - about 1 kHz.

Однако описанный в ближайшем аналоге оптический модулятор, предназначенный для инициирования рассеянием света пространственно неоднородной модуляции фазы света в СЖК, не в состоянии осуществлять перспективный для применений стационарный, в том числе бистабильный режим модуляции светорассеяния с высоким значением эффективности (оптического контраста), т.к. амплитуда и длительность импульсов выбирались таким образом, чтобы эффективность светорассеяния изменялась за время действия каждого из последовательности импульсов, но не достигала бы своего максимального значения. Поэтому описанный оптический модулятор не обеспечивал процесс запоминания любого из двух оптических состояний в течение какого-либо времени после выключения электрического поля, а время включения светорассеяния составляло более 50 микросекунд. Кроме того, такой оптический модулятор нуждается в гораздо большем увеличении интервала частот модуляции (до нескольких кГц) с целью расширения спектра его возможных применений.However, the optical modulator described in the closest analogue, designed to initiate spatially inhomogeneous light phase modulation in the FLC by light scattering, is not able to carry out stationary, including bistable, light scattering modulation mode with high efficiency (optical contrast), which is promising for applications, because the amplitude and duration of the pulses were chosen so that the light scattering efficiency changed during the action of each of the pulse sequences, but would not reach its maximum value. Therefore, the described optical modulator did not provide the process of memorizing either of the two optical states for any time after turning off the electric field, and the light scattering on time was more than 50 microseconds. In addition, such an optical modulator needs a much larger increase in the range of modulation frequencies (up to several kHz) in order to expand the spectrum of its possible applications.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение функциональных возможностей за счет достижения в оптическом модуляторе бистабильного режима модуляции рассеяния света с увеличенным до 5 кГц интервалом частот модуляции, с эффективностью рассеяния света не менее 200:1 и запоминанием любого из двух оптических состояний в течение не менее десятка секунд при возможности его выключения за время менее 50 мкс.The problem solved by the present invention is to expand the functionality by achieving in the optical modulator a bistable mode of scattering of light with an increased to 5 kHz modulation frequency range, with a scattering efficiency of at least 200: 1 and storing any of the two optical states for at least ten seconds if you can turn it off in less than 50 μs.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложен оптический модулятор, выполненный на основе электрооптической ячейки с негеликоидальным сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (далее - СЖК), имеющим: спонтанную поляризацию не более 50 нКл/см², вращательную вязкость в интервале 0,3-1,0 Пуаз, толщину слоя в интервале 10-25 мкм и периодические деформации смектических слоев в отсутствие электрического поля, и изменяющим свою оптическую анизотропию под воздействием знакопеременного электрического поля, при этом энергия деформации смектических слоев СЖК составляет менее 5⋅10³ эрг/см³.To solve this problem and achieve the technical result, the present invention provides an optical modulator based on an electro-optical cell with a non-helicoidal ferroelectric liquid crystal (hereinafter referred to as FLC), having: spontaneous polarization of not more than 50 nC / cm ² , rotational viscosity in the range 0, 3-1.0 Poise, layer thickness in the range of 10-25 μm and periodic deformation of smectic layers in the absence of an electric field, and changing its optical anisotropy under the influence of alternating electrons -parameter field, the deformation energy of the smectic layers is less than FFA 5⋅10 ³ erg / cm ^3.

Особенность модулятора по настоящему изобретению состоит в том, что для создания знакопеременного поля может быть применен источник электрического напряжения, выполненный с возможностью работы в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния не более 6 кГц при напряжении, обеспечивающем в слое СЖК электрическое поле не более 3 В/мкм, причем минимальная длительность управляющего импульса может быть выбрана не короче времени переориентации директора СЖК.A feature of the modulator of the present invention is that to create an alternating field, an electric voltage source can be applied that can operate in a bistable mode when the duty cycle and duration of the alternating control pulses are varied in the frequency range of light scattering modulation of not more than 6 kHz at a voltage providing FLC layer, the electric field is not more than 3 V / μm, and the minimum duration of the control pulse can be selected no shorter than the reorientation time AI Director FFA.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Настоящее изобретение поясняется приложенными чертежами.The present invention is illustrated by the attached drawings.

На Фиг. 1 схематически показан негеликоидальный СЖК с планарной ориентацией директора в электрооптической ячейке.In FIG. Figure 1 schematically shows a non-helicoidal FLC with a planar director orientation in an electro-optical cell.

На Фиг. 2 показаны осциллограммы управляющего напряжения и электрооптического отклика в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению.In FIG. 2 shows waveforms of control voltage and electro-optical response in a light scattering optical modulator of the present invention.

На Фиг. 3 приведены зависимости эффективности светорассеяния и светопропускания от длительности импульсов биполярного напряжения в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению.In FIG. 3 shows the dependences of the light scattering efficiency and light transmission on the pulse width of the bipolar voltage in the light scattering optical modulator of the present invention.

На Фиг. 4 приведены полевые зависимости времени электрооптического отклика для электрооптической ячейки в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению.In FIG. 4 shows the field dependences of the electro-optical response time for an electro-optical cell in the light-scattering optical modulator of the present invention.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

На Фиг. 1а схематически показан негеликоидальный СЖК с планарной ориентацией директора в электрооптической ячейке, а на Фиг. 1б в увеличенном виде изображен фрагмент смектического слоя этого СЖК.In FIG. 1a schematically shows a non-helicoidal FFA with planar director orientation in an electro-optical cell, and FIG. 1b, an enlarged view shows a fragment of the smectic layer of this FFA.

Ссылочной позицией 11 обозначены стеклянные подложки с прозрачным токопроводящим покрытием, а ссылочной позицией 12 - смектические слои. На Фиг. 1 приняты следующие условные обозначения: d - толщина ячейки, Θ₀ - угол наклона молекул в смектических слоях, Ψ - угол наклона смектического слоя, P_S - вектор спонтанной поляризации,

- толщина смектического слоя.Reference numeral 11 denotes glass substrates with a transparent conductive coating, and reference numeral 12 denotes smectic layers. In FIG. 1, the following conventions are used: d is the thickness of the cell, - ₀ is the angle of inclination of the molecules in the smectic layers, Ψ is the angle of inclination of the smectic layer, P _S is the vector of spontaneous polarization,

- thickness of the smectic layer.

Выполнение указанных условий обеспечивает в слое негеликоидального СЖК компенсацию объемного заряда, создаваемого спонтанной поляризацией, и приводит к образованию в нем в отсутствие электрического поля периодических пространственных деформаций смектических слоев. Их наличие означает (Фиг. 1), что в смектических слоях 12 молекулы СЖК, исходно наклоненные на угол Θ₀ относительно нормали к слою в данной точке, дополнительно отклоняются на некоторый угол Ψ относительно оси z. Вследствие этого изменяется проекция директора на плоскость xy. Знакопеременное электрическое поле Е, приложенное вдоль координаты x, взаимодействуя со спонтанной поляризацией P_S, изменяет распределение угла Ψ, обусловленное деформацией смектических слоев, и оптические свойства СЖК.Fulfillment of these conditions ensures compensation of the space charge created by spontaneous polarization in the non-helicoidal FFA layer and leads to the formation of periodic spatial deformations of smectic layers in it in the absence of an electric field. Their presence means (Fig. 1) that in smectic layers 12, FFA molecules, initially inclined at an angle Θ ₀ relative to the normal to the layer at a given point, are additionally deflected at a certain angle Ψ relative to the z axis. As a result, the projection of the director on the xy plane changes. An alternating electric field E applied along the x coordinate, interacting with the spontaneous polarization P _S , changes the angle distribution Ψ due to deformation of the smectic layers and the optical properties of the FLC.

Физически это означает изменение типа диссипации энергии и переход характеризующих ее коэффициентов от вращательной вязкости γ_ϕ к сдвиговой вязкости γ_ψ. Развитие процесса приводит к появлению солитона, который представляет собой волновой пакет с локализованной в нем периодической волной (по сути, цуг солитонов). Процесс рассеяния света на динамической доменной структуре, которая возникает при движении пространственно-локализованных волн стационарного профиля - солитонов, при переходе к максвелловскому механизму диссипации энергии при определенном соотношении между амплитудой и длительностью биполярных импульсов управляющего напряжения, энергией деформации смектических слоев и спонтанной поляризацией СЖК, имеет бистабильный характер.Physically, this means a change in the type of energy dissipation and a transition of the coefficients characterizing it from rotational viscosity γ _ϕ to shear viscosity γ _ψ . The development of the process leads to the appearance of a soliton, which is a wave packet with a periodic wave localized in it (in fact, a train of solitons). The process of light scattering on a dynamic domain structure that occurs during the motion of spatially localized waves of a stationary profile - solitons, when passing to the Maxwell mechanism of energy dissipation at a certain ratio between the amplitude and duration of bipolar pulses of the control voltage, the strain energy of the smectic layers, and the spontaneous polarization of the FLC, has bistable character.

Отсутствие геликоида в СЖК также приводит к тому, что после выключения электрического поля не наблюдается остаточного светорассеяния в СЖК и проходящее оптическое излучение при модуляции не изменяет свой спектральный состав.The absence of a helicoid in the FFA also leads to the fact that after switching off the electric field, no residual light scattering is observed in the FLC and the transmitted optical radiation does not change its spectral composition upon modulation.

При увеличении значения спонтанной поляризации выше значения 50 нКл/см² повышается напряжение насыщения (следовательно, и рабочее напряжение СЖК-ячейки) и возникают сегнетоэлектрические домены, которые подобно геликоиду создают центры рассеяния в отсутствие электрического поля и делают основное нерассеивающее состояние менее устойчивым.With an increase in the spontaneous polarization value above 50 nC / cm ² , the saturation voltage increases (hence, the operating voltage of the FLC cell) and ferroelectric domains arise, which, like a helicoid, create scattering centers in the absence of an electric field and make the ground non-scattering state less stable.

Если значение γ_ϕ ниже 0,3 П, то при увеличении частоты модуляции сдвиговая вязкость γ_ψ не достигается, и солитонный механизм ориентации директора СЖК не реализуется, а при γ_ϕ≥1,0 П значительно увеличивается время оптического отклика не только на малых, но и на больших частотах, когда ответственной за диссипацию энергии становится сдвиговая вязкость γ_ψ.If the value of γ _{ϕ is} lower than 0.3 P, then with an increase in the modulation frequency, the shear viscosity γ _{ψ is} not achieved, and the soliton orientation mechanism of the FLC director is not realized, and for γ _ϕ ≥1.0 P the optical response time significantly increases not only at small, but also at high frequencies, when the shear viscosity γ _ψ becomes responsible for the energy dissipation.

Толщина ячейки выбирается исходя из заданного соотношения между периодом деформации смектических слоев СЖК и толщиной электрооптической ячейки, при котором время электрооптического оклика τ_0,1-0,9 минимально, а скорость движения солитонных волн соответственно максимальна (частота модуляции светового излучения тоже максимальна) при определенной напряженности электрического поля. Для СЖК с периодом деформации слоев порядка 2 мкм оптимальная толщина электрооптической ячейки составляет 15-20 мкм.The cell thickness is selected based on a predetermined relationship between the deformation period of smectic FLC layers and the thickness of the electro-optical cell, at which the electro-optical response time τ is _0.1-0.9 and the soliton wave velocity is correspondingly maximum (the modulation frequency of light radiation is also maximum) for a certain electric field strength. For FLC with a period of layer deformation of the order of 2 μm, the optimal thickness of the electro-optical cell is 15–20 μm.

Подбором компонентов СЖК выбран с энергией деформации смектических слоев менее 5⋅10³ эрг/см³, что обусловлено необходимостью обеспечить минимальную напряженность электрического поля, достаточную для переориентации директора СЖК за счет движения солитонных волн. Ее величина связана с энергией изгиба смектических слоев М, спонтанной поляризацией P_S и начальным азимутальным углом ориентации директора ϕ₀ следующим соотношением [12]:A selection of FLC components was chosen with a deformation energy of smectic layers of less than 5⋅10 ³ erg / cm ³ , which is due to the need to ensure the minimum electric field strength sufficient to reorient the FLC director due to the motion of soliton waves. Its value is related to the bending energy of the smectic layers M, the spontaneous polarization P _S and the initial azimuthal angle of director orientation ϕ _{0 with the} following relation [12]:

При ϕ₀=30°, P_S=50 нКл/см², М=4⋅10³ эрг/см³ напряженность электрического поля Е_С=0,2 В/мкм. Предел значения энергии деформации смектических слоев также означает, что при большем значении этого параметра время существования любого из двух стабильных оптических состояний уменьшается.When ϕ ₀ = 30 °, P _S = 50 nC / cm ² , M = 4⋅10 ³ erg / cm ³ , the electric field strength E _C = 0.2 V / μm. The limit of the strain energy of smectic layers also means that with a larger value of this parameter, the lifetime of any of the two stable optical states decreases.

В совокупности вышеуказанные условия являются достаточными для того, чтобы процесс рассеяния приобрел бистабильный характер. Тогда оба оптических состояния структуры как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния могут сохраняться в течение нескольких десятков секунд после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности.Together, the above conditions are sufficient for the scattering process to become bistable. Then both optical states of the structure, both with maximum light transmission and with maximum light scattering efficiency, can persist for several tens of seconds after turning off the electric field or until a pulse of opposite polarity arrives.

К важному условию работы оптического модулятора следует отнести выполнение источника электрического напряжения с возможностью управления модуляцией излучения в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц при напряжении до 60 В, обеспечивающем в слое СЖК толщиной 10-25 мкм величину электрического поля 2÷3 В/мкм.An important condition for the operation of the optical modulator should include the implementation of an electric voltage source with the ability to control radiation modulation in a bistable mode when changing the duty cycle and duration of control alternating pulses in the frequency range of light scattering modulation up to 6 kHz at a voltage of up to 60 V, providing 10–25 thickness in the FLC layer μm, the electric field is 2–3 V / μm.

При этом минимальная длительность импульсов напряжения, включающего и выключающего процесс рассеяния, не должна превышать характерное время переориентации директора, обусловленное движением ориентационного перегиба [12]:In this case, the minimum duration of voltage pulses that turn the scattering process on and off should not exceed the characteristic director reorientation time due to the orientation bend movement [12]:

При ϕ₀=30°, P_S=50 нКл/см², М=4⋅10³ эрг/см³, Е=3 В/мкм, Θ₀=23° и сдвиговой вязкости γ_ψ=0,2 Пуаз максимальное время переориентации директора τ_С составляет около 150 мкс, причем при любой частоте модуляции в солитонной моде.At ϕ ₀ = 30 °, P _S = 50 nC / cm ² , M = 4⋅10 ³ erg / cm ³ , E = 3 V / μm, Θ ₀ = 23 ° and shear viscosity γ _ψ = 0.2 Poise maximum The director reorientation time τ _С is about 150 μs, moreover, at any modulation frequency in the soliton mode.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в создании в светорассеивающем оптическом модуляторе на основе ячейки негеликоидального СЖК, предназначенном для пространственно неоднородной модуляции фазы света, условий для достижения в нем бистабильного режима модуляции рассеяния света с высокими значениями быстродействия и эффективности светорассеяния.Thus, the essence of the present invention consists in creating in a light-scattering optical modulator based on a non-helicoidal FLC cell designed for spatially inhomogeneous modulation of the light phase, conditions for achieving a bistable mode of light scattering modulation in it with high values of speed and light scattering efficiency.

Настоящее изобретение позволяет создать светорассеивающий оптический модулятор, в котором переключения импульсами напряжения разной длительности обеспечивают модуляцию излучения в бистабильном режиме со светопропусканием порядка 80%, контрастным отношением свыше 200:1 и запоминанием любого из двух оптических состояний в течение не менее десятка секунд при возможности его выключения за время даже менее 30 микросекунд. Переход к максвелловскому механизму диссипации энергии в СЖК позволяет получить максимальную эффективность светорассеяния при напряженности электрического поля 2÷3 В/мкм и достичь частоты модуляции светового излучения 3÷5 килогерц.The present invention allows to create a light-scattering optical modulator, in which switching by voltage pulses of different durations provide modulation of radiation in a bistable mode with a transmittance of about 80%, a contrast ratio of more than 200: 1 and storing any of the two optical states for at least a dozen seconds if it can be turned off for even less than 30 microseconds. The transition to the Maxwell mechanism of energy dissipation in FFA makes it possible to obtain the maximum light scattering efficiency at an electric field strength of 2–3 V / μm and achieve a modulation frequency of light radiation of 3–5 kHz.

Преимущества предлагаемого светорассеивающего оптического модулятора на основе ячейки негеликоидального СЖК по отношению к оптическому модулятору ближайшего аналога реализуются за счет выбора СЖК с энергией деформации смектических слоев менее 5⋅10³ эрг/см³, а также выполнения источника электрического напряжения с возможностью управления модуляцией излучения в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц при напряжении до 60 В, обеспечивающем в слое СЖК толщиной 10-25 мкм величину электрического поля 2÷3 В/мкм.The advantages of the proposed light-scattering optical modulator based on a cell of a non-helicoidal FFA with respect to the optical modulator of the closest analogue are realized by choosing FFA with a deformation energy of smectic layers less than 5⋅10 ³ erg / cm ³ , as well as performing an electric voltage source with the ability to control radiation modulation in a bistable mode when changing the duty cycle and duration of alternating control pulses in the frequency interval of light scattering modulation up to 6 kHz at a voltage of 60 V, providing an electric field of 2 ÷ 3 V / μm in the FLC layer 10–25 μm thick.

Главными достоинствами светорассеивающего оптического модулятора по настоящему изобретению в сравнении с ближайшим аналогом в итоге являются: достижение бистабильного режима и улучшение параметров модуляции рассеяния света (расширение интервала частот модуляции, уменьшение времени оптического отклика и увеличение времени запоминания и оптического контраста), что является предпосылками более широкого и эффективного применения таких светорассеивающих оптических модуляторов. При этом из уровня техники не известно, что в таком модуляторе на основе негеликоидального СЖК можно добиться перечисленных достоинств за счет выбора материальных параметров СЖК, равно как и выполнения источника электрического напряжения с возможностью изменения скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов напряжения.The main advantages of the light-scattering optical modulator of the present invention in comparison with the closest analogue as a result are: achieving a bistable mode and improving the parameters of light scattering modulation (extending the modulation frequency range, decreasing the optical response time and increasing the memory time and optical contrast), which are prerequisites for a wider and the effective use of such light scattering optical modulators. At the same time, it is not known from the prior art that in such a modulator based on a non-helicoidal FFA, the listed advantages can be achieved by choosing the material parameters of the FFA, as well as by performing an electric voltage source with the possibility of changing the duty cycle and duration of alternating voltage pulses.

Для улучшения характеристик модуляции света в светорассеивающем оптическом модуляторе по настоящему изобретению можно в отдельности или в совокупности использовать изменение состава жидкокристаллического вещества, видоизменение конструкции и режима управления модулятором. Например, в нем диэлектрические пластины (подложки) могут быть выполнены в виде тонких и гибких пленок; одна из диэлектрических пластин может быть вообще исключена, а отражающее токопроводящее покрытие в этом случае может быть выполнено на кремниевой пластине, в которой формируется управляющая интегральная схема.To improve the characteristics of light modulation in the light scattering optical modulator of the present invention, it is possible to individually or collectively use a change in the composition of the liquid crystal substance, a modification of the design and control mode of the modulator. For example, in it dielectric plates (substrates) can be made in the form of thin and flexible films; one of the dielectric plates can be completely excluded, and the reflective conductive coating in this case can be performed on a silicon plate in which a control integrated circuit is formed.

Таким образом, благодаря использованию негеликоидального СЖК с энергией деформации смектических слоев менее 5⋅10³ эрг/см³ и источника электрического напряжения с возможностью управления модуляцией излучения в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц при напряжении до 60 В, обеспечивающем в слое СЖК толщиной 10-25 мкм величину электрического поля 2÷3 В/мкм, данный светорассеивающий оптический модулятор по отношению к ближайшему аналогу обладает не только новым качеством - бистабильным режимом модуляции рассеяния света, но и улучшенными параметрами модуляции: интервал частот расширен минимум в 5 раз, а значения быстродействия оптического отклика и оптического контраста увеличены не менее чем вдвое.Thus, due to the use of a non-helicoidal FFA with a deformation energy of smectic layers of less than 5⋅10 ³ erg / cm ³ and an electric voltage source with the ability to control radiation modulation in a bistable mode with a change in duty cycle and duration of control alternating pulses in the frequency range of light scattering modulation up to 6 kHz at voltage up to 60 V, providing in the FLC layer with a thickness of 10-25 μm the electric field is 2 ÷ 3 V / μm, this light-scattering optical modulator with respect to the nearest y analogue possesses not only a new quality - a bistable light scattering modulation mode, but also improved modulation parameters: frequency interval is expanded at least 5 times, and the values of the optical response speed and an optical contrast is not less than twice enlarged.

Эти результаты открывают возможность создания нового поколения бесполяроидных жидкокристаллических модуляторов света, характеризующихся высокими быстродействием и светопропусканием, интенсивным высококонтрастным светорассеянием и простыми технологией и управлением.These results open up the possibility of creating a new generation of non-polaroid liquid crystal light modulators characterized by high speed and light transmission, intense high-contrast light scattering and simple technology and control.

По настоящему изобретению были изготовлены несколько экспериментальных образцов бесполяроидных светорассеивающих оптических модуляторов на основе электрооптической жидкокристаллический ячейки с негеликоидальным СЖК, осуществляющим модуляцию рассеяния светового пучка, проходящего через ячейку, и были измерены характеристики таких модуляторов.According to the present invention, several experimental samples of non-polaroid light-scattering optical modulators based on an electro-optical liquid crystal cell with a non-helicoidal FLC, modulating the scattering of a light beam passing through the cell, were made, and the characteristics of such modulators were measured.

Принципиальная конструкция жидкокристаллических ячеек изготовленных модуляторов не отличалась от использованной в ближайшем аналоге (патент РФ №2561307). Ячейки заполнялись композицией негеликоидального СЖК со следующими материальными параметрами: энергия деформации смектических слоев менее 5⋅10³ эрг/см³, спонтанная поляризация P_S=40 нКл/см², коэффициент вращательной вязкости γ_ϕ=0,7 Пуаз, угол наклона молекул в смектических слоях Θ₀=23° (при температуре 20°С), температурный интервал существования сегнетоэлектрической фазы от +2 до 70°С.The basic design of the liquid crystal cells of the manufactured modulators did not differ from that used in the closest analogue (RF patent No. 2561307). The cells were filled with a non-helicoidal FFA composition with the following material parameters: deformation energy of smectic layers less than 5⋅10 ³ erg / cm ³ , spontaneous polarization P _S = 40 nC / cm ² , rotational viscosity coefficient γ _ϕ = 0.7 Poise, the molecular angle of inclination smectic layers Θ ₀ = 23 ° (at a temperature of 20 ° C), the temperature range of the existence of the ferroelectric phase is from +2 to 70 ° C.

СЖК композиция была разработана и подготовлена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) впервые и не имеет коммерческого названия. Чтобы создать ее и подобные ей композиции, использовались производные трифенил дикарбоновых кислот (оптически активные легирующие примеси), бензоаты фенила (сложные эфиры), замещенные фенил- и бифенил-пиримидины.SJK composition was developed and prepared at the Physics Institute. P.N. Lebedeva RAS (LPI) for the first time and does not have a commercial name. To create it and similar compositions, derivatives of triphenyl dicarboxylic acids (optically active dopants), phenyl benzoates (esters), substituted phenyl and biphenyl pyrimidines were used.

Геликоидальная закрутка директора в объеме СЖК была подавлена за счет взаимодействия хиральных добавок с противоположными знаками оптической активности до полной компенсации активности. Источник электрического напряжения обеспечивал изменение скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов напряжения (меандр) в частотном интервале модуляции светорассеяния до 6 кГц и напряженность электрического поля 2÷3 В/мкм в электрооптических ячейках толщиной от 10 до 25 мкм.The helicoidal twist of the director in the volume of FFA was suppressed due to the interaction of chiral additives with opposite signs of optical activity to completely compensate for the activity. The voltage source provided a change in the duty cycle and duration of alternating control voltage pulses (meander) in the frequency range of light scattering modulation up to 6 kHz and an electric field strength of 2 ÷ 3 V / μm in electro-optical cells with a thickness of 10 to 25 μm.

В экспериментальных образцах модуляторов использовались стандартные стеклянные пластины с проводящим слоем ITO (сопротивление около 50 Ω/□), покрытым слоем диэлектрика Al₂O₃ (около 70 нм толщиной), а затем полимерным слоем полиимида (PMDA-ODA, толщиной 20-40 нм), натираемым с целью ориентации СЖК. Толщина слоя СЖК составляла от 10 до 25 мкм, апертура ячеек - 2×2 см.The experimental modulator samples used standard glass plates with an ITO conductive layer (resistance of about 50 Ω / □), coated with an Al ₂ O ₃ dielectric layer (about 70 nm thick), and then with a polyimide polymer layer (PMDA-ODA, 20-40 nm thick ) rubbed to orient the FFA. The thickness of the FLC layer was from 10 to 25 μm, the aperture of the cells was 2 × 2 cm.

При определенном соотношении между периодом деформации смектических слоев и толщиной электрооптической ячейки, амплитудой и длительностью импульсов управляющего напряжения, возникновение солитонной волны вызывало появление градиентов показателя преломления вдоль смектических слоев и сопровождалось интенсивным рассеянием света. Движение солитонов приводило к переориентации директора во всем объеме СЖК. В результате во всех смектических слоях азимутальный угол ϕ становился одинаковым и равным 0 или π, в зависимости от направления поля, а вектор P_S ориентировался по направлению поля. В этом случае, поскольку плоскость поляризации падающего света лежит вдоль направления директора СЖК (вдоль главной оптической оси), то светопропускание электрооптической ячейки было максимальным. Инверсия знака электрического поля (полярности импульсов управляющего напряжения) вновь индуцировала образование солитонных волн и интенсивное рассеяние света.For a certain ratio between the period of deformation of the smectic layers and the thickness of the electro-optical cell, the amplitude and duration of the control voltage pulses, the appearance of a soliton wave caused the appearance of refractive index gradients along the smectic layers and was accompanied by intense light scattering. The movement of solitons led to the reorientation of the director in the entire volume of FFA. As a result, in all smectic layers, the azimuthal angle ϕ became the same and equal to 0 or π, depending on the direction of the field, and the vector P _{S was} oriented in the direction of the field. In this case, since the plane of polarization of the incident light lies along the direction of the FLC director (along the main optical axis), the light transmission of the electro-optical cell was maximal. Inversion of the sign of the electric field (polarity of the control voltage pulses) again induced the formation of soliton waves and intense scattering of light.

Для используемого СЖК с периодом деформации слоев порядка 2 мкм оптимальная толщина электрооптической ячейки, при которой время электрооптического оклика τ_0,1-0,9 минимально, а частота модуляции светового излучения максимальна, составила около 20 мкм. Так для ячейки толщиной d=18 мкм максимальная частота модуляции светового излучения была около 5 кГц (время τ_0,1-0,9 не превышало 13 мкс) при напряженности поля 2,7 В/мкм. На Фиг. 2 приведены осциллограммы знакопеременного управляющего напряжения 21 (канал СН3) и электрооптического отклика 22 (канал СН1) для упомянутой выше ячейки. Верхний уровень электрооптического отклика 22 соответствует рассеивающему состоянию, нижний уровень - пропускающему состоянию, нулевой уровень светопропускания - стрелка слева с цифрой 1). Изменение электрооптического отклика происходит при подаче импульсов напряжения с амплитудой ±35 В. На Фиг. 2а частота модуляции (Freq) составляет около 5,1 кГц, а на Фиг. 2б - около 400 Гц, при этом время отклика по переднему фронту (Rise) и по заднему фронту (Fall) составляет величины, не превышающие 50 мкс.For the FLC used with a layer deformation period of about 2 μm, the optimal thickness of the electro-optical cell at which the electro-optical response time τ is _{0.1-0.9 is} minimal and the modulation frequency of light radiation is maximum, was about 20 μm. So for a cell of thickness d = 18 μm, the maximum modulation frequency of light radiation was about 5 kHz (time τ _0.1-0.9 did not exceed 13 μs) with a field strength of 2.7 V / μm. In FIG. 2 shows oscillograms of alternating control voltage 21 (channel CH3) and electro-optical response 22 (channel CH1) for the aforementioned cell. The upper level of the electro-optical response 22 corresponds to the scattering state, the lower level to the transmissive state, and the zero light transmission level is the arrow to the left with the number 1). A change in the electro-optical response occurs when voltage pulses with an amplitude of ± 35 V are applied. FIG. 2a, the modulation frequency (Freq) is about 5.1 kHz, and in FIG. 2b - about 400 Hz, while the response time on the leading edge (Rise) and on the falling edge (Fall) is not more than 50 μs.

При выполненных условиях на параметры СЖК, электрооптической ячейки и биполярных импульсов управляющего напряжения (указаны на Фиг. 2) процесс рассеяния имел бистабильный характер. При этом оба оптических состояния структуры, как с максимальным светопропусканием, так и с максимальной эффективностью светорассеяния, сохранялись в течение нескольких десятков секунд (для данного конкретного случая - около 100 секунд) после выключения электрического поля или до прихода импульса противоположной полярности. Переключение импульсами напряжения разной длительности обеспечивало работу электрооптической ячейки в бистабильном режиме со светопропусканием порядка 80% и контрастным отношением свыше 200:1.Under the fulfilled conditions on the parameters of the FLC, electro-optical cell, and bipolar pulses of the control voltage (indicated in Fig. 2), the scattering process was bistable. At the same time, both optical states of the structure, both with maximum light transmission and maximum light scattering efficiency, persisted for several tens of seconds (for this particular case, about 100 seconds) after the electric field was turned off or until a pulse of opposite polarity arrived. Switching by voltage pulses of different durations ensured the operation of the electro-optical cell in a bistable mode with a light transmission of about 80% and a contrast ratio of over 200: 1.

Изменение скважности между импульсами управляющего напряжения (при сохранении длительности) приводило к изменению соотношения между временем существования обоих оптических состояний (Фиг. 2б). Минимальное время существования состояний с максимальным светопропусканием и с максимальной эффективностью светорассеяния не могло быть меньше суммарной длительности биполярных импульсов управляющего напряжения, включающих и выключающих процесс рассеяния. Время включения и выключения процесса рассеяния (время электрооптического отклика τ_0,1-0,9) не превысило минимальную длительность импульса, включающего процесс рассеяния. Важно также обеспечить минимальную длительность управляющих импульсов напряжения такой, чтобы при данной амплитуде импульсов достигались состояния с максимальной эффективностью светорассеяния и максимальным светопропусканием. Если эти состояния не достигаются, модулятор в бистабильный режим не входит.A change in the duty cycle between the control voltage pulses (while maintaining the duration) led to a change in the relationship between the lifetime of both optical states (Fig. 2b). The minimum time of existence of states with maximum light transmission and with maximum light scattering efficiency could not be less than the total duration of the bipolar control voltage pulses that turn the scattering process on and off. The on and off times of the scattering process (electro-optical response time τ _0.1-0.9 ) did not exceed the minimum pulse duration, including the scattering process. It is also important to ensure the minimum duration of the control voltage pulses such that at a given pulse amplitude, states with maximum light scattering efficiency and maximum light transmission are achieved. If these states are not achieved, the modulator does not enter bistable mode.

Эффективность светорассеяния (контрастное отношение) и величина светопропускания электрооптической ячейки определяются как частотой, так и амплитудой управляющего напряжения. На Фиг. 3 представлены зависимости эффективности светорассеяния (кривая 31) и светопропускания (кривая 32) от длительности импульсов биполярного напряжения при фиксированной амплитуде импульсов ±35 В. Толщина электрооптической ячейки составляла 13 мкм. При фиксированной напряженности электрического поля (амплитуде биполярных импульсов управляющего напряжения) максимальная эффективность светорассеяния и максимальное светопропускание электрооптической ячейки достигались при разной длительности импульсов. Это означает, что время формирования регулярной структуры переходных доменов и время полного исчезновения этой структуры различаются. Так, для переключения в состояние с максимальным светопропусканием, которому соответствует полное отсутствие переходных доменов, требовалась в 1,5÷2 раза большая длительность импульсов (Фиг. 3, кривая 32). Если длительность импульсов меньше минимального времени, необходимого для полного исчезновения переходных доменов, то светопропускание ячейки уменьшалось.The light scattering efficiency (contrast ratio) and the light transmission of the electro-optical cell are determined by both the frequency and the amplitude of the control voltage. In FIG. Figure 3 shows the dependences of the light scattering efficiency (curve 31) and light transmission (curve 32) on the duration of the bipolar voltage pulses at a fixed pulse amplitude of ± 35 V. The thickness of the electro-optical cell was 13 μm. At a fixed electric field strength (the amplitude of the bipolar pulses of the control voltage), the maximum light scattering efficiency and maximum light transmission of the electro-optical cell were achieved at different pulse durations. This means that the time of formation of the regular structure of transition domains and the time of complete disappearance of this structure are different. So, to switch to the state with maximum light transmission, which corresponds to the complete absence of transition domains, 1.5–2 times longer pulse durations were required (Fig. 3, curve 32). If the pulse duration is less than the minimum time required for the complete disappearance of the transition domains, then the light transmission of the cell decreased.

При инверсии знака поля недостаточное время действия поля (малая длительность импульсов) не позволяло сформироваться регулярной структуре рассеивающих центров в виде циркулярных переходных доменов, достаточно равномерно распределенных по объему СЖК. Это приводило к уменьшению плотности рассеивающих центров, и, как следствие, эффективность светорассеяния уменьшалась.When the field sign was inverted, the insufficient field action time (short pulse duration) did not allow the formation of a regular structure of scattering centers in the form of circular transition domains that were fairly uniformly distributed throughout the FLC. This led to a decrease in the density of scattering centers, and, as a result, the efficiency of light scattering decreased.

Связь длительности импульсов управляющего напряжения и напряженности электрического поля при фиксированной частоте следования импульсов для электрооптической ячейки с периодом деформации слоев порядка 2 мкм толщиной 13 мкм демонстрирует Фиг. 4. Зависимость величины τ_0,1-0,9 (Е), полученная на частоте управляющего напряжения ƒ=1 кГц (Фиг. 4, кривая 41), соответствовала случаю, когда одновременно присутствуют два диссипативных коэффициента γ_ϕ и γ_ψ. Преобладание сдвиговой вязкости γ_ψ (частота свыше 1 кГц) приводило к уменьшению в несколько раз времени τ_0,1-0,9 (Фиг. 4, кривая 42). Переход к солитонной моде сопровождался резким уменьшением времени электрооптического отклика при достижении порогового значения напряженности электрического поля. В солитонной моде время τ_0,1-0,9 слабо зависело от напряженности поля. При увеличении частоты изменения поля пороговое значение напряженности поля, при достижении которого происходил переход к солитонной моде, возрастало.The relationship between the pulse width of the control voltage and the electric field at a fixed pulse repetition rate for the electro-optical cell with a period of deformation of layers of the order of 2 μm with a thickness of 13 μm is shown in FIG. 4. The dependence of τ _0.1-0.9 (E) obtained at a control voltage frequency управля = 1 kHz (Fig. 4, curve 41) corresponded to the case when two dissipative coefficients γ _ϕ and γ _ψ are present simultaneously. The predominance of shear viscosity γ _ψ (frequency above 1 kHz) led to a decrease in the time τ _{0.1-0.9 by} several times (Fig. 4, curve 42). The transition to the soliton mode was accompanied by a sharp decrease in the electro-optical response time when the threshold value of the electric field strength was reached. In the soliton mode, the time τ _0.1–0.9 weakly depended on the field strength. With an increase in the frequency of field changes, the threshold field strength, upon reaching which the transition to the soliton mode occurs, increased.

При увеличении периода деформации смектических слоев время памяти пропускающего и рассеивающего свет состояний возрастает, но переход в солитонную моду происходит при большей напряженности электрического поля (например, при 3,5 В/мкм для периода в 5 мкм), и максимальная частота модуляции уменьшается. Если период деформации уменьшается, то следует уменьшать толщину ячейки, иначе бистабильный режим не реализуется.With an increase in the period of deformation of the smectic layers, the memory time of the states transmitting and scattering light increases, but the transition to the soliton mode occurs at a higher electric field strength (for example, at 3.5 V / μm for a period of 5 μm), and the maximum modulation frequency decreases. If the deformation period is reduced, then the cell thickness should be reduced, otherwise the bistable mode is not realized.

Уменьшение толщины электрооптической ячейки смещало максимум, соответствующий регулярной рассеивающей структуре, в сторону более коротких длительностей импульсов. Контрастное отношение при этом уменьшалось по причине уменьшения кратности актов рассеяния. Контрастное отношение (как и светопропускание в заданном диафрагмой телесном угле) уменьшалось и при толщинах гораздо выше оптимальных (более 30 мкм) по причине уширения диаграммы направленности излучения при многократном рассеянии и уменьшения части его, попадающей в диафрагму.A decrease in the thickness of the electro-optical cell shifted the maximum corresponding to the regular scattering structure toward shorter pulse durations. In this case, the contrast ratio decreased due to a decrease in the frequency of scattering events. The contrast ratio (as well as the light transmission in the solid angle set by the diaphragm) also decreased at thicknesses much higher than optimal (more than 30 μm) due to the broadening of the radiation pattern during multiple scattering and a decrease in the part of it falling into the diaphragm.

Характеристики бистабильного светорассеяния, полученные при тестировании экспериментальных образцов оптических модуляторов, полностью соответствовали положениям, раскрывающим сущность изобретения. Тестирование образцов подтвердило достижение заявленных параметров (технического результата), а также достоинства и преимущества заявленного устройства.The characteristics of bistable light scattering obtained by testing experimental samples of optical modulators were in full compliance with the provisions disclosing the essence of the invention. Testing of the samples confirmed the achievement of the declared parameters (technical result), as well as the advantages and advantages of the claimed device.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Светорассеивающий оптический модулятор по настоящему изобретению является простым, компактным, технологичным и эффективным устройством бесполяроидной модуляции оптического излучения, в том числе инфракрасного. Это делает возможным его применение во многих современных и перспективных устройствах и системах управления световыми пучками видимого и ИК-диапазона, в том числе в пространственных модуляторах света, в голографии, визуализации и отображении информации, в устройствах хранения, преобразования и обработки изображений.The light scattering optical modulator of the present invention is a simple, compact, technologically advanced and efficient device for the polarizationless modulation of optical radiation, including infrared. This makes it possible to use it in many modern and promising devices and control systems for visible and infrared light beams, including spatial light modulators, in holography, visualization and information display, in image storage, conversion and processing devices.

Источники информацииInformation sources

1. А.А. Васильев, Д. Касасент, И.Н. Компанец, А.В. Парфенов. Пространственные модуляторы света (под ред. И.Н. Компанца). - М.: «Радио и связь», 1987 - 320 с.1. A.A. Vasiliev, D. Casasent, I.N. Kompanets, A.V. Parfyonov. Spatial light modulators (edited by I.N. Kompanets). - M.: “Radio and Communications”, 1987 - 320 p.

2. Л.М. Блинов. Жидкие кристаллы: Структура и свойства. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 1978 - 480 с.2. L.M. Pancakes. Liquid crystals: structure and properties. - M.: Book House "LIBROCOM", 1978 - 480 p.

3. Sullivan A. A Solid State Multiplanar Volumeric Display // Digest of the SID Int. Symp., Seattle, 2003. - P. 354-356.3. Sullivan A. A Solid State Multiplanar Volumeric Display // Digest of the SID Int. Symp., Seattle, 2003 .-- P. 354-356.

4. Б.И. Островский, В.Г. Чигринов. Линейный электрооптический эффект в хиральных смектических С* жидких кристаллах. Кристаллография, т. 25, 322-331 (1980).4. B.I. Ostrovsky, V.G. Chigrinov. Linear electro-optical effect in chiral smectic С * liquid crystals. Crystallography, T. 25, 322-331 (1980).

5. Pozhidaev Е., Smorgon S., Andreev A., Kompanets I., Shin S. Low voltage polymer dispersed ferroelectric liquid crystals. OSA Trends in Optics and Photonics Series, v. 14 («Spatial Light Modulators»), 126-131 (1997).5. Pozhidaev E., Smorgon S., Andreev A., Kompanets I., Shin S. Low voltage polymer dispersed ferroelectric liquid crystals. OSA Trends in Optics and Photonics Series, v. 14 (Spatial Light Modulators), 126-131 (1997).

6. В.Я. Зырянов, С.Л. Сморгон, В.Ф. Шабанов, Е.П. Пожидаев, А.Л. Андреев, И.Н. Компанец. Оптимизация светомодуляционных характеристик ячейки капсулированного полимером сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Оптический журнал, т. 66, №6, 121-126 (1999).6. V.Ya. Zyryanov, S.L. Smorgon, V.F. Shabanov, E.P. Pozhidaev, A.L. Andreev, I.N. Companion. Optimization of the light modulation characteristics of a cell of a polymer-encapsulated ferroelectric liquid crystal. Optical Journal, vol. 66, No. 6, 121-126 (1999).

7. А.Л. Андреев, Ю.П. Бобылев, Н.А. Губасарян, И.Н. Компанец, Е.П. Пожидаев, В.М. Шошин, Ю.П. Шумкина. Рассеяние света в СЖК-модуляторах для объемных экранов. Оптический журнал, №9, 58-65 (2005).7. A.L. Andreev, Yu.P. Bobylev, N.A. Gubasaryan, I.N. Kompanets, E.P. Pozhidaev, V.M. Shoshin, Yu.P. Shumkina. Light scattering in FLC modulators for surround screens. Optical Journal, No. 9, 58-65 (2005).

8. А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева, И.Н. Компанец, Ю.П. Бобылев, С.А. Гончуков, М.В. Минченко, В.М. Шошин. Управляемое электрическим полем рассеяние света в геликоидальных сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Оптический журнал, №12, 52-61 (2010).8. A.L. Andreev, T.B. Andreeva, I.N. Kompanets, Yu.P. Bobylev, S.A. Gonchukov, M.V. Minchenko, V.M. Shoshin. Electric field-controlled scattering of light in helicoidal ferroelectric liquid crystals. Optical Journal, No. 12, 52-61 (2010).

9. Andreev A., Pozhidaev E., Fedosenkova Т., Kompanets I., Shumkina Yu. Dynamics of the Domain Walls Motion in FLC Display Cell. Proc. SPIE, Vol. 6637, 74-78 (2007).9. Andreev A., Pozhidaev E., Fedosenkova T., Kompanets I., Shumkina Yu. Dynamics of the Domain Walls Motion in FLC Display Cell. Proc. SPIE, Vol. 6637, 74-78 (2007).

10. И.Н. Компанец, А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева. Способ пространственно неоднородной модуляции фазы света и оптический модулятор для его осуществления. Патент РФ №2561307 (публикация 27.08.2015, приоритет 16.01.2014).10. I.N. Kompanets, A.L. Andreev, T.B. Andreeva. A method of spatially heterogeneous modulation of the phase of light and an optical modulator for its implementation. RF patent No. 2561307 (publication 08/27/2015, priority 01/16/2014).

11. А.Л. Андреев, Т.Б. Андреева, И.Н. Компанец, Н.В. Заляпин. Подавление спекл-шума с помощью ячейки негеликоидального сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Квантовая электроника, т. 44, №12, 1136-1140 (2014).11. A.L. Andreev, T.B. Andreeva, I.N. Kompanets, N.V. Zalyapin. Speckle suppression using a non-helicoidal ferroelectric liquid crystal cell. Quantum Electronics, vol. 44, No. 12, 1136-1140 (2014).

12. A. Andreev, Т. Andreeva, I. Kompanets, N. Zalyapin, Н. Xu, М. Pivnenko, D. Chu. Fast Bistable Intensive Light Scattering in Helix-Free Ferroelectric Liquid Crystals. Journal of Applied Optics, Vol. 55, No. 18 (2016).12. A. Andreev, T. Andreeva, I. Kompanets, N. Zalyapin, N. Xu, M. Pivnenko, D. Chu. Fast Bistable Intensive Light Scattering in Helix-Free Ferroelectric Liquid Crystals. Journal of Applied Optics, Vol. 55, No. 18 (2016).

Claims (9)

1. Оптический модулятор, выполненный на основе электрооптической ячейки с негеликоидальным сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (далее - СЖК), имеющим:1. An optical modulator made on the basis of an electro-optical cell with a non-helicoidal ferroelectric liquid crystal (hereinafter - FLC), having: - спонтанную поляризацию не более 50 нКл/см²,- spontaneous polarization of not more than 50 nC / cm ² , - вращательную вязкость в интервале 0,3-1,0 Пуаз,- rotational viscosity in the range of 0.3-1.0 Poise, - толщину слоя в интервале 10-25 мкм и- layer thickness in the range of 10-25 microns and - периодические деформации смектических слоев в отсутствие электрического поля- periodic deformation of smectic layers in the absence of an electric field и изменяющим свою оптическую анизотропию под воздействием знакопеременного электрического поля,and changing its optical anisotropy under the influence of an alternating electric field, при этом энергия деформации смектических слоев упомянутого СЖК составляет менее 5⋅10³ эрг/см³.the strain energy of the smectic layers of the aforementioned FLC is less than 5 × 10 ³ erg / cm ³ . 2. Модулятор по п. 1, в котором для создания упомянутого знакопеременного поля применен источник электрического напряжения, выполненный с возможностью работы в бистабильном режиме при изменении скважности и длительности управляющих знакопеременных импульсов в частотном интервале модуляции светорассеяния не более 6 кГц при напряжении, обеспечивающем в слое упомянутого СЖК электрическое поле не более 3 В/мкм.2. The modulator according to claim 1, in which an electric voltage source is applied to create the aforementioned alternating field, configured to operate in a bistable mode when the duty cycle and duration of the alternating control pulses are varied in the frequency range of light scattering modulation of not more than 6 kHz at a voltage providing in the layer mentioned FFA electric field of not more than 3 V / μm. 3. Модулятор по п. 2, в котором минимальная длительность упомянутого управляющего импульса выбрана не короче времени переориентации директора СЖК.3. The modulator according to claim 2, in which the minimum duration of said control pulse is selected not shorter than the time of reorientation of the director of the FLC.

Images