Введение к работе
Актуальность работы В последние годы большое внимание уделяется исследованию распространения волн в анизотропных средах со сложной плавноменяющей-ся структурой. Особенно широкий круг задач возникает при анализе оптических свойств разнообразных жидкокристаллических соединений. Повышенный интерес к жидким кристаллам связан с их многочисленными применениями в оптических устройствах отображения информации, в медицинской диагностике, системах записи, хранения и передачи информации. Такие широкие возможности жидких кристаллов обусловлены, прежде всего, их повышенной чувствительностью к слабым внешним воздействиям, в особенности к электрическим полям. Особенно широко применяются жидкие кристаллы с пространственно неоднородной оптической структурой, такие как холестерические жидкие кристаллы и сегнетоэлектрические смектики С*. Теоретически распространение света в жидких кристаллах с плавной слоистой структурой исследуется давно в основном с помощью методов, использующие подходы геометрической оптики. Однако при разработке более совершенных устройств на жидких кристаллах возникают задачи физической оптики, которые требуют выхода за рамки геометрооптического подхода. К таким проблемам относятся анализ распространения света в окрестности точек поворота и внутри запрещенных зон, описание эффекта просачивания волн и трансформации мод. С точки зрения общей теории волн эти эффекты исследовались достаточно подробно. Однако к слоистым жидким кристаллам развитая техника в полном объеме не применялась. С другой стороны решение этих проблем представляет как самостоятельный интерес с точки зрения теории распространения волн в анизотропных средах, так и является важным в прикладных задачах как теоретическая база при разработке разнообразных оптических систем на жидких кристаллах с заданными свойствами.
Цель работы Целью диссертационной работы является изучение оптических свойств
слоистых анизотропных сред с плавноменяющейся структурой. Работа включает в себя последовательное описание эффектов связанных с точками поворота, наличие которых приводит к появлению запрещенных зон, трансформации мод, эффектам просачивания и надбарьерного отражения. В качестве конкретного приложения подробно исследуются такие эффекты в холестерических жидких кристаллах и в твист-ячейках, находящихся во внешнем электрическом поле.
Научная новизна работы В диссертации впервые получены следующие результаты:
Предложен новый подход к анализу особенностей распространения света в слоистой анизотропной среде с плавным изменением направления оптической оси.
Рассчитано поле световой волны в геликоидальном жидком кристалле с учетом особенностей распространения света в окрестности точек поворота и внутри запрещенных зон.
Предсказан эффект просачивания лучей через запрещенные зоны в геликоидальных жидких кристаллах и рассчитаны коэффициенты прохождения для случаев широкой, узкой и нулевой запрещенной зоны. Предложен эксперимент для определения коэффициента просачивания лучей в твист-ячейках жидкого кристалла, в котором получено подтверждение предсказанных теоретических зависимостей для коэффициента просачивания.
Исследовано влияние внешнего электрического поля на эффект просачивания в твист-ячейке жидкого кристалла. Рассчитана зависимость предельного угла от величины поля, подтвержденная экспериментально.
Предложен метод послойного оптического сканирования для определения профилей ориентации директора в твист-ячейке жидкого кристалла, находящейся во внешнем электрическом поле.
Теоретическая и практическая ценность Развитый теоретический метод анализа особенностей распространения света в слоистой анизотропной среде с плавным изменением оптической оси позволяет анализировать оптические свойства разнообразных систем без сложных аналитических расчетов. Такой метод может применяться не только в случае электромагнитных волн, но и для волн другой природы.
С прикладной точки зрения разработанный метод может найти применение для анализа особенностей, возникающих при прохождении света через твист-ячейки жидких кристаллов, ввиду активного использования таких ячеек в системах отображения информации. Метод может быть полезен для задач проектирования жидкокристаллических ячеек с заданными свойствами.
Метод послойного оптического сканирования твист-ячеек жидких кристаллов, находящихся во внешнем поле, важен при исследовании распределения вектора директора в ячейке. Такой метод может быть полезен для анализа внутренней структуры жидкого кристалла, а также для исследования кинетики переориентации в киральных жидких кристаллах.
Достоверность результатов обоснована тем, что все расчеты проведены с использованием современных методов математической и теоретической физики. Результаты, полученные теоретически, подтверждены прямым согласием с экспериментом.
Апробация работы и публикации Результаты работы докладывались на международных конференциях "Days On Diffraction" (Санкт-Петербург, 2006), "21st International Liquid Crystal Conference" (Keystone, Colorado, USA, 2006), "9th European Conference on Liquid Crystal", (Lisbon, Portugal, 2007). Основные материалы диссертации отражены в 10 публикациях, приведенных в конце автореферата.
Личный вклад автора Во всех совместных публикациях автор принимал участие в постановке
задач и обсуждении результатов. Им лично проведены все аналитические и численные расчеты.
Публикации Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 печатных изданиях, 7 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 -в трудах конференций и 2 - в тезисах докладов. Личный вклад соискателя в опубликованные работы составляет в среднем не менее 50%. В работах, выполненных совместно с экспериментаторами, автор внес вклад в теоретическую часть.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Полный объем диссертации 129 страниц, в тексте расположен 21 рисунок. Список литературы содержит 46 наименований.
