Работа 4.

ЭФФЕКТ ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В

НЕМАТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ.

Эффект динамического рассеяния света (ДРС) обнаружен в нематических жидких кристаллах о отрицательной диэлектрической анизотропией ε _а и положительной анизотропией электропроводности σ _а.

Нематический кристалл располагается в ячейке со стёклами, покрытыми прозрачным электропроводящим слоем. Исходная текстура- планарная.

Эффект ДРС находит широкое применение в оптоэлектронике, в индикаторных устройствах, светоклапанах, активных экранах. Поэтому его исследованию посвящено много работ.

Тем не менее, природа эффекта ДРС до сих пор окончательно не выяснена. Рассмотрим простейшие представления о механизме ДРС.

При увеличении напряжения домены становятся неустойчивыми1 перемещаются в плоскости стёкол ячейки (ХУ). Продолжая увеличивать V, можно получить новое состояние образца названное эффектом динамического рассеяния света.

Визуально в поле зрения микроскопа наблюдается “кипение” вещества, непрерывное хаотическое движение отдельных элементов текстуры. Непосредственное наблюдение за ячейкой показывает, что образец мутнеет, сильно рассеивает свет в больших углах.

В настоящее время большинство исследователей считают эффект ДРС следствием турбулизации течения, первоначально существующего в виде электроконвективных доменов. При этом распределение директора n в слое кристалла описывают непрерывным набором волновых векторов k от наибольшего π /w до наименьшего π /d. Здесь w- некий “минимальный масштаб” турбулентности. Углы дифракции φ определяются формулой sin φ =kλ, где k-набор значений волновых векторов. Поэтому эффект ДРС можно представить как дифракцию света на фазовой решётке со случайным периодом, индуцированным случайным распределением директора Х У за счёт турбулентности течения.

Вторая точка зрения на природу ДРС состоит в следующем. При турбулентном течении жидкости возникают области с различными показателями преломления. Рассеяние света происходит на границах этих областей. Моделью такого состояния является оптически изотропная среда, в которой взвешены частицы с другим показателем преломления. В рамках такой квазиизотропной модели можно использовать для расчёта известные теории рассеяния света на прозрачных частицах, которые обычно дают приемлемые величины рассеивающих центров, совпадающие с характеристическими размерами в текстуре образца на стадии ДРС. Однако этот чисто феноменологический подход основан на простом соответствии картины рассеяния и изображения текстуры образца в световом пучке одинаковой поляризации,

Третий подход к эффекту ДРС предполагает это явление предельным случаем возмущения электроконвективных доменов.

Таким образом, эффект ДРС связан с турбулизацией течения, когда домены начинают беспорядочно двигаться, разрушаются и возникают вновь. Рассеяние света в больших углах приводит уменьшению интенсивности света, проходящего через ячейку. Само рассеяние является результатом дифракции света на сложной фазовой решётке доменов, находящейся в непрерывном беспорядочном движении. Поэтому вид картины рассеяния света и интенсивность пропускания У находясь в зависимости от взаимной ориентации оптической оси исходного нематической оси кристалла и поляроидов.

Если направление Поляризации совпадает с первоначальной ориентацией молекул (с направлением натрия), то при параллельных поляроидах хорошо видна беспорядочно меняющаяся сетка ярких фокусных линий (“кипение образца”). В скрещенных поляроидах особенно хорошо видны районы узлов, где молекулы повёрнуты в плоскости стёкол ячейки (ХУ). При поляризация, направленной перпендикулярно длинным осям молекул, видны только тёмные петли дисклинации, появляющиеся всё чаще по мере турбулизации течения (поляроиды параллельны). Поэтому светопропускание ослабляется мало. Картины дифракции света для указанных случаев показаны на рис. 1. При увеличении У интенсивность в рефлексах уменьшается, а диффузионный фон возрастает.

Нам представляется поэтому, что эффект ДРС не следует интерпретировать как рассеянье света на частицах некоторой оптической плотности, взвешенных в среде с другой оптической плотностью. Более корректно представление о фазовой дифракционной решётке, испытывающей всё возрастающие с напряжением флуктуации фоны и размеров периодичности. Фазовая решётка представляет собой некое возмущенное состояние электроконвективных вихревых трубок—доменов (рис. 3).

Зависимости светопропускания от напряжения при различных положениях образца и поляроидов показаны на рис.2 Контрастное соотношение для прямого пучка

уменьшается от 1 до 1/100.

Поскольку эффект ДРС широко используется в электрических устройствах на жидких кристаллах. Приведём его некоторые экспериментальные характеристики. Вид контрастной кривой не зависит от длины волны падающего света видимой части спектра. При увеличении V увеличивается доля света, рассеянного под большими углами (до 40⁰). Увеличение d требует повышения рабочего напряжения V для создания такого же ослабления света. Чем меньше d, тем меньше период решётки и больше углы рассеяния. Пороговое напряжение V_п в постоянном поле практически не зависит от толщины образца d. Рассеяние существенно зависит от оптической анизотропии кристалла, не зависит от плотности тока, различно для разных ориентаций анализатора, поляризатора и образца.

Целью настоящей работы является изучение эффекта ДРС в нематическом кристалле МББА. Измерение интенсивности проходящего света производят с помощью фотодетектора, помещённого на тубус микроскопа. Ячейка на столике микроскопа. Ячейка располагается на столике микроскопа в следующих положениях: плоскость поляризации параллельна n (направлению натирания стёкол); плоскость поляризации перпендикулярна n; в обоих случаях – анализатор ставится в скрещенное положение относительно поляризатора (образец погашен).

Визуальную картину доменов и ДРС наблюдают в четырёх указанных положениях. Затем измеряют зависимость I(V) для этих четырёх случаев. Результаты оформляют в виде графика. Необходимо указать, какой визуальной картине соответствуют характерные участки кривых. Зарисуйте в тетради экспериментальную схему измерения ДРС.

Рис.1. Дифрактограммы светорассеяния на первоначальной стадии ДРС. Отдельные рефлексы наблюдаются вплоть до 48 В.

Рис.2. зависимость контрастного отношения ДРС для прямого пучка света. 1-поляризатор, 2-поляризатор анализатор убран. (смесь МББА и ЭББА, ∆ ε =-0, 4; σ _II/σ _┴ =1, 6).

Выполнение работы:

1. Установить поляроиды в скрещенное положение.

2. Установить образец МББА с планарной текстурой в положение погасания.

3.Ввести анализатор а параллельное положение.

4. Увеличивая напряжение V, наблюдать эффект ДРС.

5. Аналогичные наблюдения при поляроидах и при поляризаторе, повёрнутом на 90⁰.

6.Записать особенности доменной картины в этих четырёх случаях (см. текст работы).

7. Поместить на тубус микроскопа фотонасадку. Измерить зависимость I(V) для четырёх возможных случаёв положения поляроидов и образца.

8. Нанесите полученные кривые на график I(V).

Вопросы:

1. Опишите основные взгляды на механизм ДРС.

2. Объясните характерные особенности полученных кривых, связав их с состоянием образца и поляризации света.

3. Где применяется эффект ДРС.