Mechanizmy reorientacyjnej nieliniowości optycznej w nematycznych ciekłych kryształach

Sierakowski, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Mechanizmy reorientacyjnej nieliniowości optycznej w nematycznych ciekłych kryształach

Autorzy

Sierakowski M.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Mechanisms of the optical reorientational nonlinearity in nematic liquid crystals

Języki publikacji

Abstrakty

Przedmiotem badań jest mechanizm optycznej reorientacji molekularnej w nematykach, wywołanej polem fali świetlnej, zwanej w skrócie optyczną nieliniowością reorientacyjną. Praca jest wynikiem badań efektu optycznej i elektrooptycznej reorientacji struktury ciekłych kryształów w zakresie okołoprogowych i dużych natężeń pola, prowadzonych przez autora na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej w latach 1994-2010. Ich rezultaty zostały wcześniej podane w około 30 publikacjach w czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym. Badania były ukierunkowane zwłaszcza na te aspekty reorientacji optycznej w układach ciekłokrystalicznych, których nie obejmują dotychczasowe opisy teoretyczne lub które pozostają nierozstrzygnięte, a jednocześnie są istotne m.in. ze względów aplikacyjnych. W pracy przeanalizowano w szczególności dwa zjawiska występujące w procesie optycznej reorientacji strukturalnej, mające istotne znaczenie zarówno dla poznania molekularnego mechanizmu tego efektu, jak też dla spodziewanych jego aplikacji. Są to : zjawisko progu reorientacji optycznej i zjawisko nieliniowości reakcji sprężystej struktury ciekłokrystalicznej. W rozprawie przedstawiono opis mechanizmu reorientacji uwzględniający molekularne ruchy termiczne w postaci fluktuacji orientacyjnych, pominięte w obecnie istniejących opisach. Pokazano, że termicznie indukowane fluktuacje orientacyjne oddziałujące z zewnętrznym polem elektrycznym (tak fali elektromagnetycznej, jak i niskiej częstotliwości) odgrywają istotną rolę w procesie reorientacji struktury ciekłokrystalicznej i nieuwzględnienie ich prowadzi w pewnych warunkach do rozbieżności między obecnie przyjętą teorią i wynikami obserwacji. Zaproponowano sposób włączenia pominiętych efektów do opisu procesu reorientacji, pozwalający na uniknięcie tych rozbieżności i związanej z tym częściowej niespójności dotychczasowego opisu teoretycznego. Publikację zamyka 143 pozycji bibliograficznych pomocnych w uzyskaniu przez zainteresowanego czytelnika pełniejszego obrazu dziedziny i szerszych wiadomości na temat poruszanych zagadnień.

This work presents a concise description of mechanisms of optically induced molecular reorientation in nematics leading to giant optical nonlinearity. The work is the result of investigation of the optical and electro-optical reorientation processes in liquid-crystalline structures, carried out by the author at the Faculty of Physics of Warsaw University of Technology in the years 1994-2010. Results obtained over these years were consecutively published in approx. 30 papers in various scientific journals. The scope of the work includes in particular two phenomena which may occur in the reorientation process but which were not sufficiently analyzed before - the treshold effect and the elastic nonlinearity of a nematic structure. The first one begins structure reorientation so it refers to relatively low field intensity, while the second one may be significant by large structural deformation at higher field, when the process is approaching completion. Since good recognition of these effects is crucial for full understanding of the molecular reorientation mechanism, therefore the detailed analysis of both of them is given in the work. Special attention is paid to thermal fluctuations in the liquid crystals structure, which have been before ignored in existing theory. The neglected molecular fluctuations caused however some discrepancies between theory and observation. The work presents description of the field-induced reorientation process in a nematic liquid crystal which includes formally the orientational fluctuations and their interaction with external fields. The proposed description eliminates certain intrinsic discrordance, what previously the reorientation theory suffered from. Attached 133 references help the reader for deeper studies of the considered topics.

Słowa kluczowe

ciekłe kryształy optyczna nieliniowość reorientacyjna indukowana reorientacja direktora

liquid crystals giant optical nonlinearity induced director reorientation

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Czasopismo

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Fizyka

Rocznik

2011

Tom

z. 54

Strony

3--119

Opis fizyczny

Bibliogr. 143 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Sierakowski M.

Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

1. G.W. Gray, A Review of the Structure and Physical Properties of Liquid Crystals, Butterworths, London 1971
2. A.P. Kapustin, Elektroopticzeskije i akusticzeskije swojstwa żidkich kristałłow, Nauka, Moskwa 1973
3. P.G. deGennes, The Physics of Liquid Crystals, Clarendon, Oxford Press, 1974
4. A. Adamczyk, Z. Strugalski, Ciekłe kryształy, WNT, Warszawa 1976
5. A.P. Kapustin, Eksperimientalnyje issiedowanija żidkich kristałłow, Nauka, Moskwa 1978
6. Ł.M. Blinow, Elektro-i magnitooptika żidkich kristałłow, Nauka, Moskwa 1978
7. H.J. Deuling, ed. L. Liebert, Liquid Crystals, Academic Press, New York 1978
8. G.H. Brown, J.J. Wolken, Liquid crystals and biological structures, Academic Press, New York 1979
9. S.J. Żdanow (ed.), Żidkije kristałły, Chimija, Moskwa 1979
10. D. Demus, L. Richter, Textures of liquid crystals, Chemie, Weinheim 1980
11. W.A. Bieljakow, A.S. Sonin, Optika cholestericzeskich żidkich kristałłow, Nauka, Moskwa 1982
12. S.M. Arakelian, J.S. Czilingarian, Nieliniejnaja optika żidkich kristałłow, Nauka, Moskwa 1984
13. N.V. Tabiryan, The Orientational Optical Nonlinearity in Liquid Crystals, New York 1986
14. P.S. Pershan, Structure of liquid crystal phases, 1988
15. G. Vertogen, Thermotropic liquid crystals; fundamentals, 1988
16. D. Demus, J. Goodby, Handhook of Liquid Crysltals,4-volumes Set, 1998
17. W.J. Doane, Liquid crystal displays and applications, 1990
18. B. Bahadur (ed.), Liquid Crystals: Applications and Uses, World Scientific Publishing, Singapore 1991
19. S.A. Pikin, Structural Transformations in Liquid Crystals, Gordon & Breach, New York 1991
20. I. Janossy (ed.). Optical Effects In Liquid Crystals, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1991
21. J-M. Coron, J-M. Ghidaglia, Nematics: mathematical and physical aspects, Orsay, Springer Verlag GmbH 1991
22. S. Martelluci, Phase transitions in liquid crystals, 1992
23. S. Chandrasekhar, Liquid Crystals, 2nd edition, Cambridge University Press, 1992
24. I.C. Khoo and S.T. Wu, Optics and Nonlinear Optics of Liquid Crystals. Series in Nonlinear Optics. vol. 1, World Scientific Publishing, Singapore 1993
25. A. Buka (ed.), Modern Topics in Liquid Crystals, World Scientific Publishing, 1993
26. J. Żmija, J. Zieliński, J. Parka, E. Nowinowski-Kruszelnicki, Displeje ciekłokrystaliczne, PWN, Warszawa 1993
27. E.G. Virga,Variational theories for liquid crystals, 1994
26. L.M. Blinov, V.G. Chigrinov, Electro-optic effects in Liquid Crystal Materials, Springer-Verlag, New York 1994
29. F.G. Crawford (ed.), Liquid crystals in complex geometries, 1996
30. F. Simoni, Nonlinear Optical Properties of Liquid Crystals and Polymer Dispersed Liquid Crystals. Series in Nonlinear Optics. vol 2., World Scientific Publishing, Singapore 1997
31. L. Marrucci, Y.R. Shen, The Optics of Thermotropic Liquid Crystals, Taylor and Francis, London, 1997
32. S. Elston, R. Sambles, The optics od thermotropic liquid crystals, London 1998
33. P.E. Cladis, P. Palffy-Muhoray, Dynamics and defects in liquid crystals, Amsterdam 1998
34. V.G. Chigrinov, Liquid Cristal Devices: Physics and Applications, Aitech Mouse, London 1999
35. S. Kumar (ed.), Liquid Crystals: Experimental Study of Physical Properties and Phase Transitions, Cambridge University Press, Cambridge 2000
36. P. Oswald, P. Pieranski, Nematic nnd Cholesteric Liquid Crystals, Taylor & Francis, London 2005
37. P. Oswald, P. Pieranski, Smectic and Columnar Liquid Crystals, Taylor & Francis, London 2006
38. I.C. Khoo, Liquid Crystals, 2nd Edition Wiley, New York, 2007
39. S.V. Pasechnik, V.G. Chigrinov, D.V. Shmeliova, Liquid Crystals: Viscous and Elastic Properties in Theory and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH 2009
40. F. Simoni, Liquid Crystals, 24, 1998, 1
41. M. Sierakowski, M.A. Karpierz, Mol. Cryst. and Liquid Crystals, 251, 1994, 329-335
42. M.W. Sierakowski, M. Swillo, Proc. SPIE, 3475, 1998, 88
43. S.D. Durbin, S.M. Arakelian, Y.R. Shen, Phys. Rev. Lett., 47, 1981, 19
44. V. Freedericksz, V. Zolina, Trans. Faraday Soc., 29, 1933, 919
45. V. Freedericksz, V. Zwetkoff, Acta Physikochim. URSS, 3, 1935, 879
46. T.K. Bose i wsp., Phys. Rev., A36, 1987, 5767
47. D. Lippens, J.P. Parneix, A. Chapoton, J. Physique, 38, 1977, 1465
48. D. Diquet, F. Rondelez, G. Durand, C.R. Acad. Sci. Paris, Serie B, 271, 1970, 954
49. F.C. Frank, Disc. Faraday Soc., 25, 1958, 19
50. E. Dubois-Violette, E. Guyon, P. Pieranski, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 26, 1974, 193
51. E. Dubois-Violette i wsp., Solid State Phys., suppl. 14, Liquid Crystals, Academic Press, New York 1978
52. W. Helfrich, J. Chem. Phys., 51, 1969, 9
53. P.A. Penz, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 15, 1971, 141-160
54. M. Sierakowski, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 375, 2002, 659-677
55. P.P. Korniychuk i in., Liquid Crystals, 37, 2010, 9
56. H.J. Deuling, Solid State Phys., suppl 14, Liquid Crystals, Academic Press, New York 1978
57. K.R. Welford, J.R. Sambles, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 147, 1987, 25
58. J.L. Erikson, Trans. Soc. Rheol., 5, 1961, 23
59. F.M. Leslie, Aren. Ration. Mechan. Anal., 28, 1968, 265
60. F. Brochard, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 23, 1973, 51
61. P. Pieranski, F. Brochard, E. Guyon, J. de Physique, 34, 1973, 35
62. E.E. Pashkovsky, T.G. Litvina, Macromolecules, 28, 1995
63. D. Svensek, S. Zumer, Liquid Crystals, 28, 2001, 9
64. S.A. Jewell, J.R. Sambles, Appl. Phys. Lett., 19, 2003, 82
65. A. Sunarso, T. Tsuji, S. Chono, Appl. Phys. Lett., 93, 2008
66. G. Barbero, F. Simoni, Appl. Phys. Lett., 41, 1982, 6
67. E. Santamato, G. Abbate, P. Maddalena, Phys. Rev. A, 38, 1988, 8
68. S.A.R. Yednak, R.N. Igarashi, E.K. Lenzi, L.R. Evangelista, Phys. Lett. A, 358, 2006, 31
69. A. Shishido, M.-Y. Shih, I.C. Khoo, J. of Nonlin. Opt. Phys. & Materials, 11, 2002, 1
70. R. Teixeira de Souza, E. Kaminski Lenzi, L.R. Evangelista, Liquid Crystals, 37, 2010, 12
71. I. Abdulhalim, D. Menashe, Liquid Crystals, 37, 2010, 12
72. C. Mauguin, Phys. Z., 12, 1911, 1011 także w Bull. Soc. Fr. Miner. Cristallogr, 34, 1911, 3
73. T. Hashimoto, A. Nakai, T. Shiwaku, H. Hasegawa, Macromolecules, 22, 1989, 422
74. A.Yu. Val'kov, V.P. Romanov, A.N. Shalaginov, Phys.-Usp., 7, 1994, 139
75. H. Stark, T.C. Lubensky, Phys. Rev. Lett., 77, 1996, 11
76. P. Galatola, J. Phys. II France, 2, 11, 1992, 1995
77. A. Heiderich, R. Maynard, B.A. van Tiggelen, J. Phys. II France, 7, 1997, 765
78. J.C. Dainty, Laser Speckle And Related Phenomena, Springer, Berlin 1975
79. J.W. Goodman, Speckle Phenomena in Optics, Roberts & Company 2007
80. M. Sierakowski, Phot. Lett. Poland, 2, 2010, 3
81. M. Sierakowski, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 526, 2011
82. A.S. Zolot'ko, W.F. Kitajeva, N.N. Sobolev, A.P.Suchorukov, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 91, 1983, 137
83. B.Ya. Zel'dovich, N.V. Tabiryan, J.S. Czilingarian, ŻETF, 81, 1981, 72
84. M. Warenghem, J.F. Henninot, J.F. Blach, Proc. SPIE, 2005, 5947
85. Le Li, G. Hu, P. Palffy-Muchoray, M.A. Lee, Haiji J. Yuan, Proc. SPIE, 6332, 2006
86. M. Karpierz, Reorientacyjna i kaskadowa nieliniowość optyczna w światłowodach. Prace Instytutu Fizyki Politechniki Warszawskiej, OWPW, z. 48, 1999
87. R.E. Camley, N. Raj, D.R. Tilley, J. Opt. Soc. Am. B, 7, 1990, 367
88. G. Abbate, F. Castaldo, L. de Sterano, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 282, 1996, 269
89. M. Warenghem, J.F. Henninot, G. Abbate, Opt. Express, 2, 1998, 483
90. R.F. Rodriguez, J.A. Reyes, Opt. Commun., 134, 1997, 349
91. M.A. Karpierz, T.R. Woliński, M. Sierakowski, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 261, 1995, 217
92. M. Świłło, M.A. Karpierz, M. Sierakowski, I.S. Mauchline, K. Mc Callion, W. Johnstone, Optica Applicata, vol. XXVI, 1996, 315
93. M.A. Karpierz, M. Sierakowski, M. Świłło, T. Woliński, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 320, 1998, 157
94. M.A. Karpierz, W.K. Bajdecki, A.W. Domański, M. Sierakowski, T.R. Woliński, OSA Tech. Digest, Mat. konf. OSA, Washinhton 1999
95. M.A. Karpierz, M. Sierakowski, T.R. Woliński, Mol. Cryst and Liquid Cryst., 375, 2002, 313
96. M.A. Karpierz, G. Assanto, K.A. Brzdąkiewicz, A. Fratalocchi, E. Nowinowski-Kruszelnicki, M. Sierakowski, Proceedings of 6th International Conferenee on Transparent Optical Networks 2004, vol. 1, Mo.D2.5, 167-170
97. K. Osińska, M.H. Kubel, K.A. Brzdąkiewicz, M. Sierakowski, M.A. Karpierz, Proc. SPIE, 5949, 59490F 2005
98. K. Jaworowicz, K.A. Brzdąkiewicz, M.A. Karpierz, M. Sierakowski, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 453, 2006, 301
99. A. Majewski, Teoria i projektowanie światłowodów, WNT, Warszawa 1991
100. I. Janossy, A.D. Lloyd, B.S. Wherrett, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 179, 1990, 1
101. I. Janossy, A.D. Lloyd, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 203, 1991, 77
102. I. Janossy, L. Csillag, A.D. Lloyd, Phys. Rev. A, 44, 1991, 12
103. I. Janossy, T. Kosa, Opt. Lett., 17, 1992, 1183
104. T. Kosa, I. Janossy, Opt. Lett., 20, 1, 1995, 1230
105. D. Paparo, P. Maddalena, G. Abbate, E. Santamato, I. Janossy, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 251, 1994, 73
106. I.C. Khoo, H. Li, Y. Liang, IEEE J. Quantum Electron., 29, 1993, 1444
107. Munster, Jarasek, Zhuang, Y.R. Shen, Phys. Rev. Lett., 78, 1997,1
108. L. Lucchetti, M. Di Fabrizio, O. Francescangeli, F. Simoni, Opt. Commun., 233, 2004, 417
109. I. Janossy, Phys. Rev. E, 49, 1994, 4
110. I. Janossy, J. of Nonlin. Opt. Phys. & Materials, 8, 1999, 3
111. L. Marrucci, D. Paparo, Phys. Rev. E, 56, 1997, 2
112. L. Marrucci, D. Paparo, P. Maddalena, E. Massera, E. Prudnikova, E. Santamato, J. Chem. Phys., 107, 1997, 23
113. L. Marrucci, Liquid Crystals Today, 11, 2002, 3
114. V.G. Chigrinov, V.M. Kozenkov, Hoi-Sing Kwok, Photoalignment of Liquid Crystal Materials: Physics and Applications, Series in Display Technology, Wiley, Hong Kong 2008.
115. L. Lucchetti, L. Lucchetta, O. Francescangeli, F. Simoni, Proc. SPIE, 4457, 2001
116. M. Sierakowski, Ł. Waga, Optoelectronic Rev., 13, no 2, 2005, 151
117. K. Aoki i in., Liquid Crystals, 19, 1995, 115
118. T. Kosa, E. Weinan, P. Palffy-Muchoray, Int. J. Eng. Sci., 38, 2000, 1077
119. R.D. Astumian, Science, 276, 1997, 917
120. V.M. Pergamenshchik, V.Ya. Gayvoronsky, S.V. Yakunin, R.M. Vasyuta, V.G. Nazarenko, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 454, 2006, 145
121. E. Ouskova i in., Phys. Rev. E, 64, 2001, 051709
122. O. Francescangeli i in., Proc. of SPIE, 4799, 2002, 83
123. Y.R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics, Wiley-Interscience, New York 1984
124. I.D. Khoo, Phys. Rev. A, 25, 1982, 2
125. G.P. Agraval, Applications of Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, 2001
126. R.W. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press, (III Edition), 2008
127. B.Ya. Zel'dovich, S.K. Merzlikin, N.F. Pilipetskii, A.V. Sukhov, JETP Lett., 41, 1985, 10
128. I.I. Goosev i in., Optics Lett., 20, 1995, 130
129. P. Etchegoin, R.T. Philips, Phys.Rev. E, 55, 1997, 5
130. I.D. Khoo, Y. Liang, Phys. Rev. E, 62, 2000, 5
131. N.V. Tabiryan, A.V. Sukhov, B.Ya. Zel'dovich, J. Opt Soc. Am. B, 18, 2001, 8
132. I.D. Khoo, A. Diaz, Phys. Rev. E, 68, 2003, 1
133. M.V. Stinger, A. Diaz, J.D. Liou, I.D. Khoo, Proc. SPIE, 6654, 2007
134. I.D. Khoo, J. Ding, Appl. Phys. Lett., 81, 2002, 2496
135. I.C. Khoo, P.Y. Yan, T.H. Liu, S. Shepard, J.Y. Hou, Phys. Rev. A, 29, 1984, 2756
136. I.D. Khoo, S.L. Zhuang, S. Shepard, Appl. Phys. Lett., 39, 1981, 2
137. I.C. Khoo, J.Y. Hou, T.H. Liu, P.Y. Yan, R.R. Michael, G.M. Finn, J. Opt. Soc. Am., B4, 1987, 886
138. H.J. Eichler, R. Macdonald, Dettman, Mol. Cryst. and Liquid Cryst., 174, 1989, 153
139. Zolotko, W.F. Kitajeva, JETP Lett., 32, 1980, 158
140. E.I. Lebedev, V.V. Kats, Fluctuational Effects in the Dynamics of Liquid Crystals, Springer Verlag, New York 1994
141. G.B. Barbero, L.R. Evangelista, Adsorption Phenomena and Anchoring Energy in Nematic Liquid Crystals, Taylor and Francis (CRC Press), 2005
142. Deng Ke Yang, Shin-Tson Wu, Fundamentals of Liquid Crystal Devices, Wiley, Chichester 2006
143. Pochi Yeh, Claire Gu, Optics of Liquid Crystal Displays, Wiley, New Jersey 2010

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-PWA9-0056-0018