(44-1) 06 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Границы применимости приближения прямых лучей при моделировании оптических свойств жидкокристаллических дифракционных решёток

Д.Д. Яковлев 1, Д.А. Яковлев 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского», Саратов, Россия

 PDF, 1008 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-562

Страницы: 40-52.

Аннотация:
С помощью компьютерного моделирования оцениваются границы применимости приближения прямых лучей для расчёта оптических характеристик жидкокристаллических дифракционных решёток с плавной пространственной модуляцией ориентации локальной оптической оси в жидкокристаллическом слое. Представленные данные, касающиеся влияния скорости и характера модуляции локальной оптической оси, а также величины коэффициента двулучепреломления среды на точность результатов, получаемых в указанном приближении, являются полезными и при рассмотрении слоёв с непериодическим характером вариации локальной оптической оси.

Ключевые слова:
дифракция и решётки, оптические устройства, физическая оптика, двулучепреломляющие дифракционные решётки, приближение прямых лучей, модальный метод решёток.

Цитирование:
Яковлев, Д.Д. Границы применимости приближения прямых лучей при моделировании оптических свойств жидкокристаллических дифракционных решёток / Д.Д. Яковлев, Д.А. Яковлев // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 1. – С. 40-52. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-562.

Благодарности:
Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта № 18-52-16025/18 и Минобрнауки РФ в рамках проекта № 3.1586.2017/4.6.

Литература:
  1. Schadt, M. Optical patterning of multi-domain liquid-crystal displays with wide viewing angles / M. Schadt, H. Seiberie, A. Schuster // Nature. – 1996. – Vol. 381, Issue 6579. – P. 212-215. – DOI: 10.1038/381212a0.
  2. Eakin, J.N. Zero voltage Freedericksz transition in periodically aligned liquid crystals / J.N. Eakin, Y. Xie, R.A. Pelcovits, M.D. Radcliffe, G.P. Crawford // Applied Physics Letters. – 2004. – Vol. 85, Issue 10. – P. 1671-1673. – DOI: 10.1063/1.1789578.
  3. Escuti, M.J. Polarization-independent switching with high contrast from a liquid crystal polarization grating / M.J. Escuti, W.M. Jones // SID Symposium Digest of Technical Papers. – 2006. – Vol. 37, Issue 1. – P. 1443-1446. – DOI: 10.1889/1.2433259.
  4. Provenzano, C. Highly efficient liquid crystal based diffraction grating induced by polarization holograms at the aligning surfaces / C. Provenzano, P. Pagliusi, G. Cipparrone // Applied Physics Letters. – 2006. – Vol. 89, Issue 12. – 121105 (3 p.). – DOI: 10.1063/1.2355456.
  5. Sarkissian, H. Polarization-controlled switching between diffraction orders in transverse-periodically aligned nematic liquid crystals / H. Sarkissian, S.V. Serak, N.V. Tabiryan, L.B. Glebov, V. Rotar, B.Ya. Zeldovich // Optics Letters. – 2006. – Vol. 31, Issue 15. – P. 2248-2250. – DOI: 10.1364/OL.31.002248.
  6. Komanduri, R.K. Elastic continuum analysis of the liquid crystal polarization grating / R.K. Komanduri, M.J. Escuti // Physical Review E. – 2007. – Vol. 76, Issue 2. – 021701 (8 p.). – DOI: 10.1103/PhysRevE.76.021701.
  7. Komanduri, R.K. Polarization-independent modulation for projection displays using small-period LC polarization gratings / R.K. Komanduri, W.M. Jones, C. Oh, M.J. Escuti // Journal of the Society for Information Display. – 2007. – Vol. 15, Issue 8. – P. 589-594. – DOI: 10.1889/1.2770860.
  8. Nicolescu, E. Polarization-independent tunable optical filters based on liquid crystal polarization gratings / E. Nicolescu, M.J. Escuti // Proceedings of SPIE. – 2007. – Vol. 6654. – 665405 (11 p.). – DOI: 10.1117/12.735305.
  9. Serak, S. High-efficiency 1.5 mm thick optical axis grating and its use for laser beam combining / S. Serak, N. Tabiryan, B. Zeldovich // Optics Express. – 2007. – Vol. 32, Issue 2. – P. 169-171. – DOI: 10.1364/OL.32.000169.
  10. Komanduri, R.K. High efficiency reflective liquid crystal polarization gratings / R.K. Komanduri, M.J. Escuti // Applied Physics Letters. – 2009. – Vol. 95, Issue 9. – 091106. – DOI: 10.1063/1.3197011.
  11. Nersisyan, S.R. Characterization of optically imprinted polarization gratings / S.R. Nersisyan, N.V. Tabiryan, D.M. Steeves, B.R. Kimball // Applied Optics. – 2009. – Vol. 48, Issue 21. – P. 4062-4067. – DOI: 10.1364/AO.48.004062.
  12. Nicolescu, E. Polarization-independent tunable optical filters using bilayer polarization gratings / E. Nicolescu, M.J. Escuti // Applied Optics. – 2010. – Vol. 49, Issue 20. – P. 3900-3904. – DOI: 10.1364/AO.49.003900.
  13. Kudenov, M.W. White-light channeled imaging polarimeter using broadband polarization gratings / M.W. Kudenov, M.J. Escuti, E.L. Dereniak, K. Oka // Applied Optics. – 2011. – Vol. 50, Issue 15. – P. 2283-2293. – DOI: 10.1364/AO.50.002283.
  14. Crawford, G.P. Liquid-crystal diffraction gratings using polarization holography alignment techniques / G.P. Crawford, J.N. Eakin, M.D. Radcliffe, A. Callan-Jones, R.A. Pelcovits // Journal of Applied Physics. – 2005. – Vol. 98, Issuer 12. – 123102 (10 p.). – DOI: 10.1063/1.2146075.
  15. Wu, W.Y. Two-dimensional holographic polarization grating formed on azo-dye-doped polyvinyl alcohol films / W.Y. Wu, M.S. Li, H.C. Lin, A.Y.-G. Fuh // Journal of Applied Physics. – 2008. – Vol. 103, Issue 8. – 083119 (6 p.). – DOI: 10.1063/1.2907959.
  16. Hu, W. Polarization independent liquid crystal gratings based on orthogonal photoalignments / W. Hu, A.K. Srivastava, X.-W. Lin, X. Liang, Z.-J. Wu, J.-T. Sun, G. Zhu, V. Chigrinov, Y.-Q. Lu // Applied Physics Letters. – 2012. – Vol. 100, Issue 11. – 111116 (4 p.). – DOI: 10.1063/1.3694921.
  17. Honma, M. Twisted nematic liquid crystal polarization grating with the handedness conservation of a circularly polarized state / M. Honma, T. Nose // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 16. – P. 18449-18458. – DOI: 10.1364/OE.20.018449.
  18. Kawai, K. Simple fabrication of liquid crystalline grating cells with homogeneous and twisted nematic structures and effects of orientational relaxation on diffraction properties / K. Kawai, T. Sasaki, K. Noda, N. Kawatsuki, H. Ono // Applied Optics. – 2014. – Vol. 53, Issue 17. – P. 3679-3686. – DOI: 10.1364/AO.53.003679.
  19. Kawai, K. Diffraction properties of a vector grating liquid crystal cell fabricated using a one-step exposure of a nonorthogonal elliptically polarized interference beam / K. Kawai, T. Sasaki, M. Sakamoto, K. Noda., N. Kawatsuki, H. Ono // Journal of the Optical Society of America B. – 2015. – Vol. 32, Issue 12. – P. 2435-2440. – DOI: 10.1364/JOSAB.32.002435.
  20. Kawai, K. Holographic binary grating liquid crystal cells fabricated by one-step exposure of photocrosslinkable polymer liquid crystalline alignment substrates to a polarization interference ultraviolet beam / K. Kawai, T. Sasaki, K. Noda, M. Sakamoto, N. Kawatsuki, H. Ono // Applied Optics. – 2015. – Vol. 54, Issue 19. – P. 6010-6018. – DOI: 10.1364/AO.54.006010.
  21. Provenzano, C. Electrically tunable two-dimensional liquid crystals gratings induced by polarization holography / C. Provenzano, P. Pagliusi, G. Cipparrone // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 9. – P. 5872-5878. – DOI: 10.1364/OE.15.005872.
  22. Ringsdorf, H. Photoreactive chiral liquid-crystalline side-group copolymers containing azobenzene mesogens / H. Ringsdorf, C. Urban, W. Knoll, M. Sawodny // Die Makromolekulare Chemie. – 1992. – Vol. 193, Issue 5. – P. 1235-1247. – DOI: 10.1002/macp.1992.021930520.
  23. Bobrovsky, A. New azobenzene-based chiral-photochromic substances with thermally stable Z-isomers and their use for the induction of a cholesteric mesophase with a phototunable helix pitch / A. Bobrovsky, A. Ryabchun, M. Cigl, V. Hamplová, M. Kašpar, F. Hampl, V. Shibaev. // Journal of Materials Chemistry C. – 2014. – Vol. 2, Issue 40. – P. 8622-8629. – DOI: 10.1039/C4TC01167H.
  24. Ryabchun, A. Rotatable diffraction gratings based on cholesteric liquid crystals with phototunable helix pitch / A. Ryabchun, A. Bobrovsky, J. Stumpe, V. Shibaev // Advanced Optical Materials. – 2015. – Vol. 3, Issue 9. – P. 1273-1279. – DOI: 10.1002/adom.201500159.
  25. Ryabchun, A. Dynamic diffractive patterns in helix-inverting cholesteric liquid crystals / A. Ryabchun, D. Yakovlev, A. Bobrovsky, N. Katsonis // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – Vol. 11, Issue 11. – P. 10895-10904. – DOI: 10.1021/acsami.8b22465.
  26. Li, W.S. Demonstration of patterned polymer-stabilized cholesteric liquid crystal textures for anti-counterfeiting two-dimensional barcodes / W.S. Li, Y. Shen, Z.J. Chen, Q. Cui, S.S. Li, L.J. Chen // Applied Optics. – 2017. – Vol. 56, Issue 3. – P. 601-606. – DOI: 10.1364/AO.56.000601.
  27. Yakovlev, D.A. 5.4: Advanced tools for modeling of 2D-optics of LCDs / D.A. Yakovlev, V.I. Tsoy, V.G. Chigrinov // SID Symposium Digest of Technical Papers. – 2005. – Vol. 36, Issue 1. – P. 58-61. – DOI: 10.1889/1.2036508.
  28. Carroll, T.O. Liquid-crystal diffraction grating / T.O. Carroll // Journal of Applied Physics. – 1972. – Vol. 43, Issue 3. – P. 767-770. – DOI: 10.1063/1.1661277.
  29. Desimpel, C. Optical transmission model for thin two-dimensional layers / C. Desimpel, K. Neyts, D. Olivero, C. Oldano, D.K.G. de Boer, R. Cortie // Molecular Crystals and Liquid Crystals. – 2004. – Vol. 422, Issue 1. – P. 185-195. – DOI: 10.1080/15421400490502526.
  30. Yakovlev, D.A. Modeling and optimization of LCD optical performance / D.A. Yakovlev, V.G. Chigrinov, H.-S. Kwok. – Chichester: Wiley, 2015. – 554 p.
  31. Rokushima, K. Analysis of anisotropic dielectric gratings / K. Rokushima, J. Yamakita // Journal of the Optical Society of America A. – 1983. – Vol. 73, Issue 7. – P. 901-908. – DOI: 10.1364/JOSA.73.000901.
  32. Matsumoto, K. Three-dimensional rigorous analysis of dielectric grating waveguides for general cases of oblique propagation / K. Matsumoto, K. Rokushima, J. Yamakita // Journal of the Optical Society of America A. – 1993. – Vol. 10, Issue 2. – P. 269-276. – DOI: 10.1364/JOSAA.10.000269
  33. Galatola, P. Symmetry properties of anisotropic dielectric gratings / P. Galatola, C. Oldano, P.B. Sunil Kumar // Journal of the Optical Society of America A. – 1994. – Vol. 11, Issue 4. – P. 1332-1341. – DOI: 10.1364/JOSAA.11.001332.
  34. Li, L. Formulation and comparison of two recursive matrix algorithms for modeling layered diffraction gratings / L. Li // Journal of the Optical Society of America A. – 1996. – Vol. 13, Issue 5. – P. 1024-1035. – DOI: 10.1364/JOSAA.13.001024.
  35. Li, L. New formulation of the Fourier modal method for crossed surface-relief gratings / L. Li // Journal of the Optical Society of America A. – 1997. – Vol. 14, Issue 10. – P. 2758-2767. – DOI: 10.1364/JOSAA.14.002758.
  36. Peverini, O.A. Reduced-order model technique for the analysis of anisotropic inhomogeneous media: application to liquid-crystal displays / O.A. Peverini, D. Olivero, C. Oldano, D.K.G. de Boer, R. Cortie, R. Orta, R. Tascone // Journal of the Optical Society of America A. – 2002. – Vol. 19, Issue 9. – P. 1901-1909. – DOI: 10.1364/JOSAA.19.001901.
  37. Olivero, D. Numerical methods for light propagation in large LC cells: a new approach / D. Olivero, C. Oldano // Liquid Crystals. – 2003. – Vol. 30, Issue 3. – P. 345-353. – DOI: 10.1080/0267829031000080996.
  38. Moharam, M.G. Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach / M.G. Moharam, D.A. Pommet, E.B. Grann, T.K. Gaylord // Journal of the Optical Society of America A. – 1995. – Vol. 12, Issue 5. – P. 1077-1086. – DOI: 10.1364/JOSAA.12.001077.
  39. Oh, C. Time-domain analysis of periodic anisotropic media at oblique incidence: an efficient FDTD implementation / C. Oh, M.J. Escuti // Optics Express. – 2006. – Vol. 14, Issue 24. – P. 11870-11884. – DOI: 10.1364/OE.14.011870.
  40. Xiang, X. Numerical modeling of polarization gratings by rigorous coupled wave analysis / X. Xiang, M.J. Escuti // Proceedings of SPIE. – 2016. – Vol. 9769. – 976918 (7 p.). – DOI: 10.1117/12.2218276.
  41. Xiang, X. Bragg polarization gratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflection angles / X. Xiang, J. Kim, M.J. Escuti // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8, Issue 7202. – P. 1-6. – DOI: 10.1038/s41598-018-25535-0.
  42. Дифракционная нанофотоника / А.В. Гаврилов, Д.Л. Головашкин, Л.Л. Досколович, П.Н. Дьяченко, А.А. Ковалёв, В.В. Котляр, А.Г. Налимов, Д.В. Нестеренко, В.С. Павельев, Р.В. Скиданов, В.А. Сойфер, С.Н. Хонина, Я.О. Шуюпова; под ред. В.А. Сойфера. – М.: Физматлит, 2011. – 680 с. – ISBN: 978-5-9221-1237-6.
  43. Шерман, М.М. Особенности пропускания света монослоем одинаковых по структуре анизотропных доменов со случайной азимутальной ориентацией / М.М. Шерман, Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 2010. – Т. 102, № 2. – С. 206-215.
  44. Яковлев, Д.Д. Картины рассеяния ортогонально поляризованных компонент света для статистически вращательно-инвариантных мозаичных двулучепреломляющих слоёв / Д.Д. Яковлев, Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 2019. – Т. 126, № 3. – С. 324-335.
  45. Kosmopoulos, J.A. Geometrical optics approach to the nematic liquid crystal grating: numerical results / J.A. Kosmopoulos, H.M. Zenginoglou // Applied Optics. – 1987. – Vol. 26, Issue 9. – P. 1714-1721. – DOI: 10.1364/AO.26.001714.
  46. Helfrich, W. Deformation of cholesteric liquid crystals with low threshold voltage / W. Helfrich // Applied Physics Letters. – 1970. – Vol. 17, Issue 12. – P. 531-532. – DOI: 10.1063/1.1653297.
  47. Helfrich, W. Electrohydrodynamic and dielectric instabilities of cholesteric liquid crystals / W. Helfrich // Journal of Chemical Physics. – 1971. – Vol. 55, Issue 2. – P. 839-842. – DOI: 10.1063/1.1676151.
  48. Hurault, J.P. Static distortions of a cholesteric planar structure induced by magnetic or ac electric fields / J.P. Hurault // Journal of Chemical Physics. – 1973. – Vol. 59, Issue 4. – P. 2068-2075. – DOI: 10.1063/1.1680293.
  49. Чигринов, В.Г. Неустойчивость холестерических жидких кристаллов в электрическом поле / В.Г. Чигринов, В.В. Беляев, С.В. Беляев, М.Ф. Гребенкин // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1979. – Т. 77, № 5. – С. 2081-2091.
  50. Lavrentovich, O.D. Fast beam steering cholesteric diffractive devices / O.D. Lavrentovich, S.V. Shiyanovskii, D. Voloschenko // Proceedings of SPIE. – 1999. – Vol. 3787. – P. 149-155. – DOI: 10.1117/12.351639.
  51. Senyuk, B. Electrically-controlled two-dimensional gratings based on layers undulations in cholesteric liquid crystals / B. Senyuk, I. Smalyukh, O. Lavrentovich // Proceedings of SPIE. – 2005. – Vol. 5936. – 59360W (9 p.). – DOI: 10.1117/12.615976.
  52. Scheffer, T.J. Electric and magnetic field investigations of the periodic gridlike deformation of a cholesteric liquid crystal / T.J. Scheffer // Physical Review Letters. – 1972. – Vol. 28, Issue 10. – P. 593-596. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.28.593.
  53. Tervo, J. Paraxial-domain diffractive elements with 100% efficiency based on polarization gratings / J. Tervo, J. Turunen // Optics Letters. –2000. – Vol. 25, Issue 11. – P. 785-786. – DOI: 10.1364/OL.25.000785.
  54. Яковлев, Д.А. Расчёт характеристик пропускания плавно неоднородных анизотропных сред в приближении пренебрежимой малости объёмного отражения. II. Численные методы / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 2003. – Т. 94, № 4. – С. 655-662.
  55. Яковлев, Д.А. Расчёт характеристик пропускания плавно-неоднородных анизотропных сред в приближении пренебрежимой малости объёмного отражения. I. Исходное уравнение / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 1999. – Т. 87, № 6. – С. 990-995.
  56. Яковлев, Д.А. Расчёт характеристик пропускания плавно неоднородных анизотропных сред в приближении пренебрежимой малости объёмного отражения. III. Аналитические решения / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 2003. – Т. 95, № 5. – С. 1010-1017.
  57. Яковлев, Д.А. Простые формулы для амплитудных коэффициентов пропускания и отражения для границы раздела анизотропных сред / Д.А. Яковлев // Оптика и спектроскопия. – 1998. – Т. 84, № 5. – С. 829-834.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20