Спектральные характеристики одномерных и трехмерных жидкокристаллических фотонных кристаллов

1. Спектральные характеристики одномерных и трехмерных жидкокристаллических фотонных кристаллов

П.В. Долганов1, К.Д. Бакланова1,2, В.К. Долганов1
1.Институт физики твердого тела Российской академии наук,
Черноголовка, Россия
2. Национальный исследовательский университет Высшая школа
экономики, Москва, Россия
2019г.

2.

Холестерический жидкий кристалл
L
D
D~0.5 нм
L~2.5 нм
Структура нематического ЖК
Структура холестерического ЖК
2

3.

Установка на базе микроскопа
Оптический микроскоп
Спектрометр
Ячейка с ЖК
Лазер
Регулятор температуры
ЖК
Ориентант
Схематическое изображение ячейки с ЖК
3

4.

Селективное отражение и фотонная зона
1.0
70
65
0.8
60
55
I/I0
, nm
0.6
0.4
50
45
0.2
40
35
0.0
550
600
650
700
Wavelength, nm
Изменение спектра поглощения ХЖК с температурой
20
25
30
35
40
o
T, C
Зависимость ширины фотонной зоны
ХЖК от температуры
4

5.

Теоретически рассчитанный спектр
1.0
Формулы для расчета теоретической
зависимости селективного отражения [1]
0.8
I/I0
0.6
0.4
0.2
0.0
550
600
650
700
Wavelength, nm
Селективное отражение и фотонная зона для собственной круговой
поляризации; сплошная кривая – экспериментальный спектр, пунктирная
– рассчитанный теоретически.
[1] В.А. Беляков, В.Е. Дмитриенко, В.П. Орлов, Оптика холестерических кристаллов, УФН Т. 127 В. 2,
1979г
5

6.

Относительная люминесценция ХЖК
Золотое правило Ферми
3.5
3.0
2.5
I/I0
2.0
1.5
1.0
0.5
2
diso
0.0
550
600
650
700
IR
0 I L di2
[2]
clc
Wavelength, nm
Относительная люминесценция в ХЖК при разных температурах
[2] J. Schmidtke and W. Stille Fluorescence of a dye-doped cholesteric liquid crystal film in the region of the stop band:
theory and experiment, Eur. Phys. J. B31, 179-194 (2003)
.
6

7.

Плотность фотонных состояний ХЖК
2
I R diso
0 I L di2
2.5
2.0
clc
di
2
2
1
2 fi 2
1
2
S
3 fi 1
3
1.5
/ 0
2
d iso
1
3
1.0
0.6
0.5
0.5
0.0
0.4
, S
550
600
650
700
Wavelenght, nm
0.3
Плотность фотонных состояний при разных температурах
0.2
0.1
0
10
20
30
40
T,oC
Температурная зависимость параметра порядка для нематика (черные
квадраты). Зависимость δ (красные круги) и она же умноженная на k=4.5
(полые красные круги).
7

8.

Голубые фазы
1.0
0.8
BP 1
I/I0
0.6
0.4
BP 2
0.2
0.0
500
550
600
650
700
750
Wavelength, nm
Спектр пропускания ХЖК в голубой фазе
1.4
1.4
1.2
1.0
1.0
/ 0
Fluorescence, arb. units
1.2
0.8
0.8
0.6
0.6
550
600
650
Wavelength, nm
Люминесценция ХЖК в фазе BP2
0.4
525
550
575
600
625
650
Wavelength, nm
Рассчитанная ПФС ХЖК в фазе BP2
8

9.

Выводы
1. Периодическая структура и наличие фотонной зоны существенно изменяет
оптические свойства ЖК. В спектральной области фотонной зоны плотность
состояний существенно уменьшается по сравнению со структурой без ФЗЗ.
Вблизи границ зоны плотность фотонных состояний имеет резкие
максимумы.
2. Проанализирована зависимость спектров люминесценции от
ориентационного параметра порядка ЖК.
3. Сопоставлены результаты измерений на фотонных кристаллах с
одномерным и трехмерным упорядочением.
4. Наблюдается существенная трансформация спектров люминесценции и
плотности фотонных состояний при изменении температуры.
9

10.

Спасибо за внимание.

11.

Дисперсионное соотношение [2]
Волны не могут
распространяться в кристалле,
т.е. имеется «запрещенная зона».
Решения определяют 4 возможных суперпозиции волн при
данной частоте
[2] В.А. Беляков, В.Е. Дмитриенко, В.П. Орлов, Оптика холестерических кристаллов, УФН Т. 127 В. 2,
1979г
11

12.

Определение параметра порядка [1]
n
S = 0 жидкость
S = 1 полное упорядочение
[1] П. де Жен. Физика Жидких кристаллов. 1977г.
12

13.

IR/IL
3.0
1.5
2.5
1.0
2.0
0.5
1.5
0.0
1.0
-0.5
0.5
-1.0
550
T
2.0
0.0
600
650
700
, nm
13

14.

ПЛОТНОСТЬ ФОТОННЫХ СОСТОЯНИЙ
Относительная интенсивность
излученного света
Для Е1 (внутри ЗЗ):
Необходимо выразить di через параметр порядка
d-дипольный момент

15.

ПЛОТНОСТЬ СОСТОЯНИЙ