CC BY
33
УДК 621.37
Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников, С.И. Коняев,
С.И. Трашкеев, А.Б. Поллер, О.А. Ванда
ИЛФ СО РАН, НГТУ, ЗАО «СКБ», СГГА, Новосибирск
0 ХАРАКТЕРИСТИКАХ МОДЕЛЕЙ ТЕРАГЕРЦОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ И НАНОКОМПОЗИТНЫХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛАЗЕРНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
В статье рассматриваются некоторые характеристики материалов, используемых в ТГц диапазоне. Впервые зарегистрирован термоориентационный эффект в центральносимметричных жидкостях, приводящий к структурным изменениям, нарушающим исходную симметрию нематических жидких кристаллов под действием теплового потока.
B. V. Poller, VM. Clementev, A. V. Britvin, Y.D. Kolomnikov, S.I. Konyaev,
S.I. Trashkeev, A.B. Poller, O.A. Wanda
ILP SB RAS, NSTU, Inc. «SKB», SSGA, Novosibirsk
ABOUT SPECIFICATIONS MODEL THZ POLYMER PHOTONIC-CRYSTAL FIBERS AND NANOCOMPOSITE LIQUID CRYSTAL TRANSFORMERS OF LASER AND THERMAL RADIATION
The article discusses some of the characteristics of materials used in the THz range. First registered thermo orientation effect in centrally symmetric liquids, leading to structural changes that violate the original symmetry of nematic liquid crystals under the action of heat flow.
Большое значение для разработки полимерных терагерцовых волноводов имеют свойства самих полимерных материалов. Поэтому дополнительно к ранее исследованным пленкам и волокнам из полиэтилена, полиметилметакрилата (РММА), фторопласта [1, 4], были разработаны пленки и волокна из полипропилена (РР).
Характеристики пропускания в диапазоне 0,2 - 2 мкм пленки толщиной
1 мм, полученной нами из гранул РР (производства химкомбината г. Томск) методом термоштамповки, показаны на рис. 1
Рис. 1. Пропускание пленки толщиной 1 мм из РР в диапазоне 0,2 - 2,0 мкм
Для сравнения на рис. 2 показаны характеристики пропускания изготовленного в [2] окна из РР толщиной 2 мм в диапазоне от 0,2 до 2 мкм
Рис. 2. Пропускание окна из РР толщиной 2 мм в диапазоне 0,2 - 2,0 мкм
Судя по виду кривых на рис.1 и рис.2 характеристики пропускания полимерных элементов из РР совпадают достаточно близко.
В терагерцовом и субмиллиметровом диапазонах характеристики пропускания окна из РР представлены на рис. 3 [2].
Рис. 3. Пропускания окна из РР толщиной 2 мм в терагерцовом и субмиллиметровом диапазонах
Учитывая данные рис. 3 и технологические свойства РР (простота изготовления пленок и нитей из РР в лабораторных условиях) можно считать этот материал перспективным для разработки физических моделей терагерцовых фотонно-кристаллических волноводов.
Были также рассмотрены спектральные, энергетические и технологические характеристики в ТГЦ диапазоне еще двух видов полимеров -полиметилметакрилата и нового полимера полиметилпентена (ТРХ) [2]. Сравнительная оценка характеристик затухания ТГЦ излучений в моноволноводах из трех видах полимеров (РР, РММА, ТРХ) показала, что наименьшее затухание можно получить в элементах из ТРХ. Однако получить сам этот полимер и сделать волокна из него достаточно сложно.
Ранее нами было обнаружено, что при нагревании ряда полимеров, для политетрафторэтилена (ПТФЭ) существует аномалия затухания оптических и ТГЦ излучений [3]. Для управления свойствами полимерных терагерцовых элементов (волокон, пленок и др.) представляет интерес исследование характеристик пропускания полимеров ПТФЭ и РР при облучении (нагреве) пленок СО2 лазером.
Выполненные эксперименты позволили определить оценки уровней облученности полимерных пленок, при которых происходило резкое изменение затухания оптического излучения (просветление). Эти оценки представлены на рис. 4.
Облученность образца, Вт/мм2
Рис. 4. Оценки облученности полимерных пленок (ПТФЭ, РР)
Просветление пленок из РР происходило при наступлении жидкой фазы материала, и облучаемая часть пленки сохраняла свою форму при определённой длительности облучения и воздействии сил тяжести. Пленки из ПТФЭ при определенном лазерном облучении сохраняли свою форму более стабильно.
Как известно, условием создания фотонно-кристаллического волновода (ФКВ) является условие формирования заданных (периодических) изменений коэффициента преломления материала волновода - п (х,у,г) в масштабах, сопоставимых с длиной волны X канализируемого излучения Р. Анализ
современных методов синтеза ФКВ волноводов в оптическом и ТГЦ диапазонах показал, что основные физические модели основаны на технологии создания в материале волновода воздушных полостей различных размеров, за счет чего и достигается заданное изменение коэффициента преломления. Как правило, полимерные ФКВ формируют путем продавливания расплавленного полимера через матрицу заданной формы. Вместе с тем в терагерцовом диапазоне, где длина волны в сотни раз больше (А-т = 30 - 300 мкм), чем в видимом и ближнем ИК диапазонах (0,4 - 2 мкм) открываются новые возможности заданного изменения коэффициента преломления и, соответственно, характеристик ФКВ [4] за счет сборки ФКВ из волокон определенного диаметра (¿1 < /^т и из разных полимеров с заданными коэффициентами преломления - щ. В этом случае значительно расширяется диапазон изменения коэффициента преломления материала волновода, и можно формировать новые структуры изменения п(х,у^) в волноводе, недоступные для прежнего метода.
Для оценки этого метода была выполнена в лабораторных условиях вытяжка волокон из полипропилена РР (п = 1,49) с диаметром от 50 до 300 мкм. Ранее были изготовлены аналогичные волокна из полиметилметакрилата с (п = 1,48 - 1,51) [4]. Из имеющихся волокон были отобраны волокна диаметром около 200 мкм и длиной около 30 мм. Из них с помощью полимерной сетки-матрицы с ячейками 200 мкм на 200 мкм под микроскопом был собран элемент физической модели полимерного терагерцового ФКВ, показанный на рис. 5.
А—И6 мкм
200 мкм
Рис. 5. Элемент физической модели полимерного ФКВ
Учитывая, что волокна могут изготавливаться из полимеров с другими коэффициентами преломления, размещая волокна в матрице с изменением по поперечному сечению волновода коэффициента преломления по параболе, несложно получить волновод с эффектом градана. Также принципиально важно, что при использовании волокон из полимеров, меняющих спектральные характеристики при внешнем лазерном облучении, открывается возможность быстрого дистанционного управления параметрами волновода и интеграции с жидкокристаллическими преобразователями.
Для разработки модели нелинейности нанокомпозитных преобразователей с жидкими кристаллами (ЖК), приводящей к генерации разностных частот, необходим учет поглощения излучения. Проведенные эксперименты выявили
новые особенности нелинейного поглощения излучения нематическими жидкими кристаллами (НЖК), не имеющие аналогов в твердых веществах и изотропных жидкостях. В результате впервые зарегистрирован термоориентационный эффект в центральносимметричных (нехиральных) жидкостях [5], приводящий к структурным изменениям, нарушающим исходную симметрию НЖК под действием теплового потока (поля градиента температуры). Предложена и обоснована система уравнений [6], описывающая термоориентационный эффект в нехиральных ЖК, наблюдавшийся в [5]. В математическую модель было введено уравнение состояния НЖК, учитывающее градиенты температуры и необходимую симметрию среды. Подобное уравнение записано впервые и, как показали эксперименты, адекватно описывает термоориентационные процессы в нехиральных жидкостях.
Исследование эффектов нелинейного поглощения излучения и ориентационных изменений в структуре НЖК проводилось на специально оборудованном стенде. Конструкция стенда позволяла использовать лазеры различных типов, фокусируя их излучение на образец с НЖК. Система регистрации состояла из Не-№ диагностирующего лазера подсветки для наблюдения излучения в дальней зоне и микроскопного оборудования для непосредственного наблюдения структуры НЖК в поляризованном свете. Данные с микроскопа фиксировались CCD-камерой. Форма излучения в дальней зоне регистрировалось цифровой фото- и видеокамерой.
Результаты экспериментальной оценки нарушения коноскопической картины при наличии светоиндуцированного и термоориентационного взаимодействий представлены на рис. 6.
Её расчетная модель показана на рис. 7. Из сопоставления рис.6 и рис. 7 следует, что расчетная модель достаточно адекватно отражает экспериментальную картину взаимодействия.
Рис. 6. Спиралеобразное нарушение (центральная область) коноскопической картины при наличии светоиндуцированного и термоориентационного взаимодействий одновременно
Рис. 7. Расчет профиля интенсивности диагностирующего излучения, прошедшего зону термоориентационного взаимодействия
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, С.И. Трашкеев, С.И. Коняев, А.В. Бритвин, Д.Е. Трушенко, С.Г. Орлов. О характеристиках полимерных волноводов и преобразователей для терагерцовых информационных систем. Международная научная конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2009, 20-24 апреля, Сб. докладов Т. 3, с. 1820-1823.
2. http ://www.tydex.ru/products/thz_optics/thz_material/
3. Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, А.В. Бритвин, Д.Е. Трушенко Об аномалиях затухания некоторых оптических и терагерцовых лазерных излучений в политет-рафторэтилене при изменении температуры. VI Международная выставка и научный конгресс «ГЕ0-Сибирь-2008», 19-29 апреля 2010 г. Новосибирск, СГГА. с. 56-58
4. Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, А.В. Бритвин, С.И. Трашкеев, С.И. Коняев, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко. О создании терагерцовых фотонно -кристалличкских полимерных волноводов. VI Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2008», 19-29 апреля 2010 г. Новосибирск, СГГА. с. 59-61
5. Е.И. Деменев, Г.А. Поздняков, С.И. Трашкеев. Нелинейное ориентационное взаимодействие нематического жидкого кристалла с тепловым потоком. Письма в ЖТФ, 2009, Т.35, вып.14, с. 76-83.
6. А.В. Бритвин, С.И. Трашкеев. Термоориентационный эффект в нематическом жидком кристалле. ЖТФ, 2010 (в печати).
© Б.В. Поллер, В.М. Клементьев, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников, С.И.
Коняев, С.И. Трашкеев, А.Б. Поллер, О.А. Ванда, 2011
