Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние десятилетия наблюдается постоянный интерес к жидким кристаллам (ЖК) - средам, не просто совмещающим в себе свойства как кристаллических, так и жидких веществ, но и обладающим своеобразными уникальными свойствами. Этот интерес обусловлен прежде всего большой чувствительностью ЖК к внешним воздействиям. ЖК легко откликаются на сравнительно слабые механические воздействия или же воздействия ряда внешних полей - таких, как электрические, магнитные, акустические, световые, тепловые и др. Благодаря этому они нашли широкое применение в самых современных областях науки и техники: электронике, вычислительной технике, медицине и т.д. Трудно сейчас представить весь перечень научных и бытовых приборов, в которых в качестве дисплеев используются ЖК. Это недорогие и экономичные устройства отображения информации - цифровые и буквенные индикаторы различного назначения, приборы для визуализации и регистрации ИК и СВЧ излучений, устройства обработки оптической информации и др. Большой интерес ученых к жидкокристаллическому состоянию вещества обусловлен также их важностью в молекулярной биологии, особенно в связи с вопросами нормального функционирования живых систем и тем, что они предоставляют богатую информацию для развития и совершенствования теории конденсированных сред.
Среди исследований физических свойств ЖК особое место занимает проблема устойчивости его ориентационной структуры, так как ориентационные структурные превращения в таких анизотропных веществах, какими являются ЖК, приводят к радикальному изменению их свойств в целом. Наиболее ярко при этом проявляются изменения оптических характеристик тонких (толщиной Z/-100 мкм) слоев ЖК, чем и обусловлена прикладная ценность этих материалов. Основные достижения в этом направлении были связаны с обнаружением и изучением большого количества специфических для ЖК электро - и магнитооптических явлений, основой которых является переориентация директора - оси преимущественного направления молекул макроскопического объема вещества под действием внешнего поля. Помимо того, что эти явления продолжают оставаться столь важным источником получения количественной информации о физических параметрах ЖК (таких, как упругие постоянные Франка, диэлектрическая и диамагнитная анизотропия, коэффициенты вязкости, времена релаксации, энергия связи и др.), они не утратили свою научную актуальность в связи с их многими специфическими особенностями. К числу таких особенностей относится, например, то, что устойчивое равновесное состояние ориентации ЖК при непрерывном изменении внешних параметров (например, напряженностей полей) может стать неустойчивым, а плавное поведение системы может претерпеть скачки
и приобрести гистерезисный характер. Эффекты такого рода в последние годы являются предметом интенсивных исследований.
Начиная с восьмидесятых годов бурно развивается еще одно направление физики ЖК - нелинейная оптика ЖК. Интерес к нему обусловлен, прежде всего, теми большими возможностями, которые открываются для нелинейной оптики. Установлено, что ЖК, обладая нелинейными константами, на много порядков (примерно в 109 раз) превышающими соответствующие константы "обычных" жидкостей, например, с керровскои нелинейностью, позволяют осуществлять ряд нелинейно-оптических эффектов самовоздействия в поле излучения маломощных лазеров непрерывного действия в тонких слоях вещества. С помощью ориентационного механизма нелинейности оказывается возможным также взаимодействие двух и более световых пучков и основанные на этом взаимодействии эффекты взаимофокусировки, вынужденного рассеяния, обращения волнового фронта и др. Структура ЖК вносит специфику в традиционные нелинейно-оптические эффекты и позволяет управлять их характеристиками с помощью слабых внешних полей, например, статическим магнитным полем порядка сотен Гаусс.
С другой стороны многие нелинейно-оптические эффекты уже перестали представлять собой только позновательньш интерес, а служат основой для разработки новых методов физических исследований фундаментальных свойств самих ЖК сред, таких как симметрия молекулярного упорядочения, вязко-упругие свойства и др. Для физики ЖК и для практических приложений одним из самых актуальных вопросов является исследование границы между ЖК и соприкасающейся с ним средой. При этом к поверхностным условиям весьма чувствительными оказываются не только взаимодействия ЖК со световыми волнами, локализованными у границ раздела сред, но также и объемные взаимодействия. Тем самым, появляется возможность методами нелинейной оптики исследовать ориентирующее воздействие границы раздела ЖК с различными средами.
Исследование широкого класса ориентационных, в том числе и нелинейно-ориентационных явлений показало, что многим из них присущи эффекты бистабильности и гистерезиса. Эти эффекты представляют большой интерес в связи с перспективами их практических приложений. Так, например, бистабильные схемы, использующие ориентационную оптическую нелинейность ЖК, могут служить для моделирования работы элементов оптических вычислительных устройств, таких как оптические транзисторы, переключатели светового потока и др. При этом, кроме уменьшения мощностей срабатывания, можно ожидать принципиально новые специфические возможности. В связи с этим важным является выявление возможных скачкообразных и гистерезисных эффектов при управлении состоянием ориентации ЖК параметрами, характеризующими как внешние воздействия, так и ЖК-среду, а также определение особых подмножеств в
пространстве этих параметров, где система ЖК-внешнее воздействие ведет себя именно таким образом.
Разюмируя все сказанное, можно утверждать, что исследование ориентационных неустойчивостей в ЖК под влиянием различных внешних воздействий, а также поиск возможностей обобщения физических аспектов этих явлений, как с целью изучения физических свойств ЖК и других практических приложений, так и для обнаружения новых явлений неустойчивости, является актуальной задачей. Актуальность исследуемого направления обусловлена также тем, что большинство предсказанных явлений получили свое экспериментальное подтверждение и в настоящее время могут найти практические применения.
Цель работы. Целью диссертационной работы являлось предсказание и исследование ряда новых неустойчивостей ориентационного состояния ЖК под влиянием различных внешних воздействий (таких, как электрическое, магнитное, световое и др.) для изучения физических свойств ЖК и других практических приложений; рассмотрение как традиционных, так и новых эффектов неустойчивости с точки зрения теории катастроф для выявления и исследования их физических аспектов с единой точки зрения; предсказание и исследование на этом пути новых неустойчивостей ориентационного состояния ЖК при его управлении различными параметрами, характеризующими как внешние воздействия так и ЖК-среду.
Научная новизна работы определяется результатами впервые выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований, в ходе которых были разработаны разнообразные методы обнаружения и исследования ряда неустойчивостей ориентационного состояния ЖК и получены новые данные о его физических параметрах.
Рассмотрение впервые ориентационных эффектов в ЖК во внешних квазистатических электрических, магнитных и световых полях с единой точки зрения идеологии теории бифуркаций и катастроф, и развитие подхода к таким процессам как к катастрофам ориентационного состояния ЖК позволили не только глубже понять закономерности существования известных эффектов неустойчивости, но и предсказать все возможные виды неусточивостей, гистерезисов и скачков на основе самых общих свойств системы.
Полученные результаты позволили сформулировать новые области применения ЖК в нелинейной оптике и спектроскопии, а также и в лазерной физике.
Научная и практическая ценность работы определяется следующим.
1. Рассмотренные в диссертации ориентационные эффекты могут быть использованы для изучения физических свойств ЖК, в частности, для исследования поверхности ЖК и определения характеризующих ее физических параметров при соприкосновении с ней различных сред.
-
Предсказанные и исследованные в диссертации эффекты скачков, гастерезисов и оптической бистабильности могут быть положены в основу создания тонкослойных, малоэнергоемких бистабильных устройств с управляемыми характеристиками, оптических переключателей различного назначения, а также других устройств для управления лазерным излучением.
-
Полученные в диссертации результаты могут быть применены для моделирования как логических элементов оптических вычислительных устройств, так и неустоичивостеи и возникновения хаоса в различных физических системах.
4. Ценность работы определяется также следующим: предложен
инструмент для выявления и определения характера возможных
неустоичивостеи в ЖК-системе с тем или иным исходным ориентационным
состоянием, исходя из самых общих свойств системы, а именно типа и числа
наперед заданных внешних воздействий (управляющих параметров).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты теоретического и экспериментального исследования пороговых и надпороговых характеристик явления СПФ в пленке НЖК и возможность определения коэффициента анизотропии поверхностного натяжения НЖК с помощью этого явления.
-
Ориентирующее влияние светового излучения на мутную пленку НЖК и эффект светоиндуцированного пресветления. Существование эффектов гистерезиса прозрачности при светоиндуцированном просветлении и при нагревании лазерным излучением НЖК до изотропной фазы.
-
Возможность существования устойчивого состояния в виде закрученного распределения директора в обьеме пленки и с гомеотропной ориентацией на поверхностях при переходе "нематик-мсолестерик".
-
Возможность индуцирования и управления гистерезисами и скачками при светоиндуцированном переходе Фредерикса в НЖК с помощью внешнего статического магнитного и квазистатического электрического полей; использование СПФ для лазерного управления состоянием системы жидкокристаллических ячеек; использование ГОН для управления характеристиками интерференционно-поляризационного фильтра на основе НЖК.
5. Рассмотрение нелинейного резонатора Фабри-Перо с решеточной
оптической нелинейностью ЖК, а также анизотропного резонатора и
эффекты неустоичивостеи и скачков при взаимодействии световых волн в
них.
6. Результаты теоретического исследования порогового
ориентационного взаимодействия необыкновенных световых волн с НЖК
(СПФ-П); возможность компенсации беспороговых эффектов;
существование двух типов неустойчивости (плоский и поперечный СПФ-ІІ).
-
Рассмотрение с точки зрения теории катастроф ориентащюнных эффектов в НЖК во внешних квазистатических электрических, магнитных и световых полях и развитие подхода к таким процессам, как к катастрофам ориентационного состояния ЖК. Проведение систематизации полученных эффектов по известным классам элементарных катастроф.
-
Результаты теоретического исследования эффектов неустойчивости, бистабильности и процессов скачкообразного изменения состояния ориентации ЖК при плавном изменении таких внешних параметров, как напряженности квазистатических электрических и магнитных полей, шаг холестерической спирали хиральных добавок и т.д.
-
Скачкообразные изменения, гистерезисное поведение и эффекты оптической бистабильности при управлении ориентационным состоянием НЖК углами падения на него световых волн и их интенсивностями.
10. Возможность скачков и гистерезисов при пороговом
взаимодействии световых волн с НЖК. Получение конкретных результатов
при управлении состоянием его ориентации интенсивностью световой волны,
параметрами среды, напряженностью магнитного или электрического поля,
частотой квазистатического электрического поля, параметрами НЖК
ячейки.
11. Существование ряда нелинейно-оптических эффектов,
обусловленных влиянием световых полей на магнитные свойства среды;
самофокусировки света, нелинейного эффекта Фарадея, параметрического
взаимодействия.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на IV и VIII Международных конференциях социалистических стран по жидким кристаллам (Тбилиси, 1981, Польша, Краков, 1989); XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982); Юбилейной научной конференции молодых ученых ЕГУ (Ереван, 1982); I Всесоюзном семинаре "Оптика жидких кристаллов" (Ленинград, 1987); II и VI Международных тематических конференциях по оптике жидких кристаллов (Италия, Турин, 1988; Франция, Ле-туке, 1995); XIII, XIV и XV Международных конференциях по жидким кристаллам (Канада, Ванкувер, 1990; Италия, Пиза, 1992; Венгрия, Будапешт, 1994); VII Европейской конференции по жидким кристаллам (Литва, Вильнюс, 1991); Международной конференции по лазерам и электрооптике (США, Балтимор, 1997); Годовой конференции американского оптического общества (США, Рочестр, 1996), а также на научных семинарах МГУ, КГУ, ЕГУ, Института физики АН Украины, ИППФ НАН Армении и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 33 статьях и тезисах докладов конференций, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, четырех приложений и заключения. Работа изложена на 286 страницах
машинописного текста, содержит 61 рисунков и библиографию, включающую 220 наименований.