کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری

کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

کریستالهای مایع و کنترل کننده های(مدولاتورهای) نوری

کریستالهای مایع

از کریستالهای مایع در درس شماره ۴ هنگام صحبت راجع به مواد فعال نوری نام برده شد. کریستالهای مایع گروه بزرگی از مواد فعال نوری هستند. کریستالهای مایع فاز میانی ماده، یا شبه فاز ، بین فازهای جامد و مایع که نسبت به آنها آشنا هستیم می‌باشند. بطور کلی، منظور ما از کریستال مایع ماده‌ای است که می‌تواند نسبتا آزادانه جریان داشته و چند درجه از مرتبه انتقالی خود را از دست داده باشد اما در توزیع مولکولی چند مرتبه از جهتگیری خود را حفظ کرده باشد. یک نمونه از چنین
ماده ای را می‌توان در شکل ۱ ملاحظه نمود.

مولکولهای کریستال مایع که به صورت ساختار میله‌ای نشان داده شده اند، همگی در مسیر خاصی قرار گرفته اند ولی هیچگونه نظم موقعیتی ندارند. جهتگیری میانگین در امتداد مسیری که این مولکولها ردیف شده اند به نام جهت دهنده(دایرکتور)  خوانده می‌شود. کریستال مایع به چه میزان از یک مایع معمولی متفاوت است؟  در یک مایع معمولی مولکولها به روشی که در کریستال مایع بچشم می‌خورد ردیف نشده اند. از اینرو کلیه خواص مایع، هم خواص نوری و هم خواص فیزیکی،  بصورت ایزوتروپی می‌باشند. خواص کریستال مایع بطور قطع بصورت غیر ایزوتروپی می‌باشد، خواصی که ما معمولا در جامدات سراغ داریم. کریستالهای مایع در موادی نظیر لایه‌های صابون یافت شده اند و بوسیله مصریان بعنوان بخشی از فرآیند مومیایی کردن مورد استفاده قرار می‌گرفت تا لایه‌های غیر قابل نفوذی را بوجود آورد. اولین مشاهدات تغییرات فازی در کریستالهای مایع به صورت تابعی از دما بوسیله رینیتزر در سال ۱۸۸۸ صورت گرفت.

کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری

گروههای کریستالهای مایع

کریستالهای مایع را می‌توان به دو روش مشخص و متمایز بدست آورد. یکی از گروههای کریستالهای مایع به نام آیوتروپیک معروف می‌باشد. در این مواد، فاز کریستال مایع بوسیله جذب مایع در جامد آلی تشکیل می شود. مایع، بین مولکولهای جامد نفوذ یافته و باعث تضعیف نیروهای میان مولکولی می‌گردد، بگونه‌ای که مولکولها می‌توانند به آسانی نسبت به یکدیگر حرکت نمایند. این کریستالهای مایع را می‌توان در بسیاری از سیستمهای زنده یافت. آنها برای تولید برخی از ترکیبات آلی مهم می‌باشند. گروه دوم کریستال مایع ترموتروپیک(گرماگرا) می‌باشد. فازهای کریستال مایع ترموتروپیک بین فازهای جامد و مایع برخی از مواد وجود دارد. کریستال جامد ذوب گشته و به کریستال مایعی تبدیل می‌گردد که نظم خود را بواسطه نیروهای واندروالسی بسیار ناایزوتروپی حفظ می‌کند. در برخی از دماهای بالاتر کریستال مایع ذوب شده و به یک مایع منظم(باقاعده) تبدیل می‌گردد. از اینرو محدوده دمای خاصی وجود دارد که در آن، فاز کریستال مایع موجود
می باشد.کریستالهای مایع ترموتروپیک کریستالهایی هستند که بطور معمول در ابزارهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. از اینرو بر روی خواص آنها تمرکز خواهیم کرد.

تغییر خواص و انتقال فریدریکز (freedericksz)

یکی از مفیدترین خواص کریستالهای مایع این است که با وجود آنکه آنها خود را بصورت بلوری مرتب می‌نمایند، پیوندهایی که این کریستالها را به هم متصل می‌نمایند نسبتا ضعیف می‌باشند. این بدان معناست که چنانچه مقداری نیروی اضافی بر مولکولها وارد نمائیم، می‌توانیم نظم آنها را با اعمال این نیروی کوچک فرو بریزیم. شایع‌ترین روش انجام این امر، و البته مفیدترین آنها، استفاده از میدان الکتریکی می‌باشد. معمولا، مولکولها دارای بار کلی نمی‌باشند. از اینرو، چنانچه ما یک میدان الکتریکی را بکار ببریم پدیده ای روی نمی‌دهد. با این وجود،  چنانچه ما یک مولکول بلند میله‌مانند که دارای بار خالص صفر می باشد اما در واقع در یک انتهای خود دارای بار مثبت و در انتهای دیگر دارای بار منفی می باشد را بین دو سطح فلزی با ولتاژ عرضی قرار دهیم (شکل ۴)، اثر میدان الکتریکی تاب دادن مولکول بگونه‌ای می‌باشد که انتهای مثبت به سمت سطح منفی و بالعکس کشیده می‌شود. در میدانهای کوچک، نیروی برهمکنش بین مولکولهایی که نظم را ایجاد می کنند بزرگتر از نیروی ناشی از میدان بکار رفته می‌باشد، از اینرو هیچ پدیده ای روی نمی‌دهد. اگر میدان را بزگتر کنیم، با افزایش ولتاژ ، در نهایت اثر آن با برهمکنشهای میان مولکولها قابل مقایسه خواهد شد و پس از آن نظم معمول فرو خواهد ریخت و مولکولها به روشی متفاوت نظم مجدد پیدا خواهند کرد. این امر در چند ولتاژ آستانه روی می‌دهد. این انتقال از نظم معمولی به تغییر شکل یافتگی بوسیله میدان بکار رفته به نام انتقال فریدریکز خوانده می‌شود.

کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری

کریستالهای مایع به عنوان ابزارهای نوری

از نمودار ساختارهای شکلهای ۱، ۲ و۳ به وضوح برمی‌آید که خواص نوری کریستالهای مایع غیر ایزوتروپی هستند. برخی از این خواص را می‌توان به آسانی حدس زد، بطور مثال کریستالهای مایع کلستریک به میزان زیادی از نظر نوری فعال می‌باشند. بعنوان معیاری از قدرت آن، توان چرخشی کریستال کوارتز درحدود ۲۲^۰/mm است. توان چرخشی نمونه ای از کریستال مایع کلستریک در حدود ۴۰,۰۰۰^۰/mm می‌باشد، یعنی سه برابر بزرگتر. از این واقعیت که کریستالهای مایع ترموتروپیک دارای محدوده دمایی خاصی بوده که در سرتاسر آن، فاز کریستال مایع تشکیل می‌گردد، حدس می زنیم که آنها را می‌توان بعنوان حسگرهای دمای به کار برد و اغلب ما ابزارهایی نظیر دماسنجهای سردخانه‌ای یا انسانی را دیده‌ایم که بر اساس نواری از چندین نوع مختلف کریستال مایع با دماهای انتقال فازی متفاوت تشکیل یافته‌اند.

کنترل کننده های نوری

حال که در خصوص ابزارهای الکترونیکی نوری صحبت به میان آمد، می‌خواهم این بحث را با صحبت درباره جفت اثرات دیگری که می‌توانیم آنها را با استفاده از میدان بکار رفته برای تغییر جهت نور بکار بریم ، به پایان برسانم. تفاوت بین این ابزارها و کریستالهای مایع سرعتی است که در آن، عمل راه گزینی(تغییر جهت) می‌تواند روی ‌دهد. این ابزارها  از دو اثر که در حقیقت اساس نورهای غیرخطی می‌باشد استفاده می‌کنند: اثر سمعی- بصری و اثر نوری- الکتریکی . با استفاده از دانش خود درباره  قطبش و  نور می‌توانیم چگونگی کار آنها را فراگیریم.

اثر نوری- الکتریکی

اثر نوری- الکتریکی با بحثهای ما درباره مواد شکننده مضاعف و نیز درباره کریستال مایع در درس ۴ ارتباط نزدیکی دارد. اگر درس ۴ را به خاطر بیاوریم در آنجا درباره اتفاقی که برای نور در کلسیت می افتد بحث کردیم. در آنجا گفتم یک  ساختار مولکولی داریم که براحتی اجازه برانگیختگی الکترونها در یک سطح و نه سطح دیگر را می‌دهد. این امر باعث شکنندگی مضاعف می‌گردد. ما می‌توانیم اثر بسیار مشابهی را در برخی از مواد مایع بوجود آوریم. چنانچه مولکول مایع ما دارای خاصیت غیرایزوتروپی مشابهی با مولکول CaCO₃ باشد، آنچه را که باید انجام دهیم تنها ردیف کردن جزیی مولکولها در داخل مایع بوده و بر این اساس مایع نیز دارای شکنندگی مضاعف خواهد شد(معمولا مایع بصورت ایزوتروپی خواهد بود زیرا مولکولها بصورت تصادفی ردیف می شوند). اثر روی داده بصورت معمول به نام اثر ” کر“ خوانده می‌شود. از آنجائیکه می‌توانیم شکنندگی مضاعف حاصله را بصورت باز یا بسته نگه داریم، خواهیم توانست چند سری از قطبنده ها را بگونه ای آرایش دهیم که مقدار نور عبوری قابل تغییر باشد. ابزارهای حاصله را می‌توان در زمانهای ۱۰۰ پیکوثانیه روشن و خاموش نمود. از اینرو، می‌توان آنها را بعنوان دیافراگم های(شاترهای) دارای سرعت بسیار بالا بکار برد. این اثر همانگونه که در درس ۱۴ مورد بحث قرار گرفته، می‌تواند در برخی از جامدات نیز روی دهد.

کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری

تغییرات ضریب شکست حاصل از تنش و اثر سمعی- بصری

هنگامی‌که نواحی تحت تنش را در موادی که در آنها اتمها کنار یکدیگر یا به صورت جداگانه نگه داشته می شوند ایجاد کنیم، با تغییر ساختار اتمی‌ به این صورت، تغییر ضریب شکست را انتظار خواهیم داشت. تغییر ضریب شکست می‌تواند بصورت ایزوتروپی باشد، یا بصورت غیر ایزوتروپی باشد و چنانچه مواد را در یک جهت خاص تحت تنش قرار دهیم شکنندگی مضاعف ایجاد خواهد کرد. چندین کاربرد جالب از این پدیده وجود دارد.

اولین کاربردی که می خواهم آن را ذکر کنم شکنندگی مضاعف حاصل از تنش در موادی نظیر ”پرسپکس“ ]خانواده‌ای از پلاستیکها که به عنوان شیشه یا پلاستیکهای شفاف در هواپیما کاربرد فراوان دارد- مترجم[  می‌باشد. بسیاری از شما با این آزمایش آشنا می باشید-  تکه ای از پلاستیک را برداشته و آن را بین قطبنده های عبوری قرار داده و آنرا می کشیم. این تنش(کشش) منجربه شکنندگی مضاعف می شود و این فرایند از نور قطبیده شده خطی که وارد ماده می شود نور قطبیده شده بیضوی تولید می کند. هنگامی‌که این نور را با یک قطبنده(پلاریزه کننده) ثانویه مورد آنالیز قرار می‌دهیم، بر اساس میزان بیضوی شدگی و زاویه بیضی نسبت به آنالیزگر، رنگها و سایه‌های متفاوتی را مشاهده می کنیم. میزان تغییر فاز در هنگام عبور از میان ماده به طول موج بستگی دارد، بنابراین می توانیم حاشیه‌های رنگارنگی را نیز مشاهده نمائیم. این حاشیه‌ها را می‌توان بصورت مقداری جهت محاسبه تنش در ساختارها و نیز مشاهده تنش در موادی نظیر شیشه سخت که در هنگام سرد شدن عمدا به وسیله انقباض گرمایی مختلف تحت تنش قرار می گیرد، مورد استفاده قرار داد.

کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری

خلاصه

• کریستالهای مایع گروهی از مواد هستند که خواص نوری آنها را می‌توان براحتی با استفاده از میدانهای الکتریکی پایین تغییر داد. این پدیده، کریستالهای مایع را بعنوان موادی بسیار مهم در کاربردهایی که نیاز به تغییر جهت نور در نمایشگرها و غیره دارند، مطرح ساخته اند.

• راه گزینی(تغییر جهت) در کریستالهای مایع بوسیله جهتگیری مجدد مولکولها روی می دهد و همچنین زمانهای راه گزینی نوعا بسیار کم می‌باشند ( ).

• میدانهای الکتریکی یا صوتی را می‌توان برای تغییر خواص نوری کریستالها مورد استفاده قرار داد. زمان این تغییر می‌تواند بسیار سریع باشد (ns-ps)، اما میدانهای مورد نیاز نوعا بسیار بزرگتر از میدانهای لازم برای راه گزینی(تغییر وضعیت) کریستالهای مایع می‌باشند.