کریستالهای مایع و مدولاتورهای نوری
کریستالهای مایع
کریستالهای مایع در خطابه شماره 4 به هنگام صحبت راجع به مواد فعل ـ نوری مورد بحث و ملاحظه قرار گرفت. کریستالهای مایع بسیار بیشتر از یک ماده دیگر فعال‌ ـ نوری می‌باشد. کریستال مایع فاز میانی ماده ، یا مزوفاز ، بین فازهای جامد و مایع که نسبت به آنها آشنا هستیم می‌باشد. بطور کلی منظور ما از کریستال مایع ماده‌ای می‌باشد که می‌تواند آزادانه جریان داشته ، و به میزانی مرتبه انتقالی خود را از دست داده ، اما در توزیع مولکولی نظم مسیری خود را حفظ کرده است. یک نمونه از چنین موادی را می‌توان در شکل 1 ملاحظه نمود.

مولکولهای کریستال مایع که مانند ساختار میله‌ای نشان داده شده است ، دارای اتصال در یک مسیر خاص بوده ولی هیچگونه نظم مرتبه‌ای ندارند. مسیر اصلی که در طول آن مولکولها به هم می‌چسبند بنام دایرکتور یا هدایت کننده خوانده می‌شود. کریستال مایع به چه میزان با یک مایع معمولی متفاوت است؟ در یک مایع معمولی مولکولها دارای پیوند بروشی که در مایع کریستال بچشم می‌خورد نمی‌باشند.از اینرو کلیه خصیصه‌های مایع ، هم نوری و هم فیزیکی ، بصورت ایزوتروپی یا دارای خواص فیزیکی مشابه می‌باشند. خصیصه‌های کریستال مایع بطور قطع بصورت غیر ایزوتروپی می‌باشد، خصیصه‌های که ما معمولا در جامدات سراغ داریم. کریستالهای مایع در عناصری نظیر لایه‌های صابون یافت شده ، و بوسیله مصریان بعنوان بخشی از فرآیند مومیایی نمودن مورد استفاده قرار می‌گرفت تا لایه‌های غیر قابل نفوذی را بوجود آورد. اولین مشاهدات تغییرات فازی در کریستالهای مایع بعنوان تابع دما بوسیله رینیتزر در سال 1888 صورت گرفت.
کلاسهای کریستالهای مایع
کریستالهای مایع را می‌توان به دو روش مشخص و متمایز بدست آورد. یکی از این کلاسها بنام ایوتروپیک معروف می‌باشد. در این مواد فاز کریستال مایع بوسیله جذب یک مایع در یک جامد آلی فرم می‌پذیرد. مایع، بین مولکولهای جامد نفوذ یافته و باعث تضعیف نیروهای میان مولکولی می‌گردد، بگونه‌ای که مولکولها می‌توانند مرتبط با یکدیگر به آسانی حرکت نمایند. این کریستالهای مایع را می‌توان در بسیاری از سیستمهای زنده یافت ، و برای تولید برخی از ترکیبات آلی مهم می‌باشند. کلاس دوم کریستال مایع ترموتروپیک یا گرماگرای می‌باشد. فازهای کریستال مایع ترموتروپیک بین فازهای جامد و مایع برخی از مواد روی می‌دهد. کریستال جامد ذوب گشته و به کریستال مایعی تبدیل می‌گردد که مرتبه خود را بواسطه نیروهای ون‌در‌والز غیرایزوتروپی زیاد حفظ می‌کند. در برخی از دماهای بالاتر کریستال مایع به یک مایع معمولی تبدیل می‌گردد. از اینرو یک محدوده دمای خاص برای وجود فاز کریستال مایع موجود می‌باشد.کریستالهای مایع ترموتروپیک جزء آندسته بشمار می‌آیند که بطور معمول در ابزارهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. از اینرو ما بر روی خصیصه‌های آنها متمرکز خواهیم شد.





شکل2- مرتبه کریستال مایع
کلستریک

ما بسختی می‌توانیم کریستالهای مایع ترموتروپیک را به سه کلاس بر حسب روشی که آنها در فاز کریستال مایع مرتب شده‌اند تقسیم نمائیم. ساده‌ترین مرتبه بنام دوکی یا نماتیک خوانده می‌شود، که در شکل 1 نشان داده شد. مراکز مولکولها بصورت تصادفی توزیع گشته‌اند، اما کلیه مولکولها در یک مسیر قرار گرفته‌اند.
ساده‌ترین روش مرتب سازی بعدی بنام مرتبه کلستریک خوانده می‌شود، چرا که بصورت فرم مرتب سازی نشان داده شده بوسیله استرهای کلسترول می‌باشد. این مرتبه در شکل 2 نشان داده شده است. دایرکتور یا هدایت کننده برای هر لایه مایع با توجه به آخرین مورد زاویه دار شده و تشکیل یک الگوی مارپیچی یا حلزونی را داده است. زاویه مارپیچ را می‌توان بوسیله تغییر مولکولها و یا با کاربرد نیروهای خارجی در سیستم تغییر داد. مرتبه سوم بنام سیمکتیک معروف می‌باشد و در شکل 3 نشان داده شده است.





شکل3- مرتبه سیمکتیک






در فاز سیمکتیک ، هر کدام به گروههای A-O (و شمارش) تقسیم می‌شوند، میزانی از مرتبه انتقالی مانند مرتبه مسیری وجود دارد. ما می‌بایست توجه داشته باشیم که هیچ کدام از مرتبه‌هایی که در اینجا ذکر گردیده کامل در نظر گرفته نشده است. آنها بصورتی که ما معمولا متصور می‌شویم غیر کریستالی می‌باشند. کلیه این دیاگرامها بواقع تمایلات مولکولها را نشان می‌دهند و نه موقعیت واقعی آنها را.
سوئیچینگ و انتقال فریدریکز
یکی از مفیدترین خصیصه‌های کریستالهای مایع آن است که با وجود آنکه آنها خود را بصورت بلورینه مرتب می‌نمایند، اتصالاتی که این کریستالها را به هم متصل می‌نماید نسبتا ضعیف می‌باشد. این بدان معناست که چنانچه مقداری نیروی اضافه بر مولکولها وارد نمائیم، می‌توانیم براحتی مرتبه آنها را خورد نمائیم. شایع‌ترین روش انجام این امر ، و مفیدترین آن ، استفاده از میدان الکتریکی می‌باشد. معمولا، مولکولها دارای بار اضافه نمی‌باشند. از اینرو ، چنانچه ما یک میدان الکتریکی را بکار ببریم چیزی روی نمی‌دهد. با این وجود، چنانچه ما یک مولکول بلند میله‌مانند که دارای بار صفر خالص و مثبت و منفی در هر یک از سرهای خود ‌باشد را بین دو سطح فلزی با ولتاژ قرار دهیم (شکل 4) ، تاثیر میدان الکتریکی چرخاندن مولکول بگونه‌ای می‌باشد که سر مثبت بسمت سطح منفی ، و بالعکس، کشیده می‌گردد. در میدانهای کوچک ، تاثیر نیروی متقابل بین مولکولها که تولید کننده مرتبه می‌باشند بزرگتر از نیرو بواسطه میدان بکار رفته می‌باشد، و از اینرو هیچ چیز روی نمی‌دهد. اگر ما فیلد را بزگتر بسازیم ، با افزایش ولتاژ، بنابر این نهایتا تاثیر آن قابل مقایسه با تاثیرات متقابل بین مولکول خواهد بود، و پس از آن نظم معمول شکسته خواهد شد و مولکول بروشی متفاوت مجددا دارای نظم خواهد گردید. این امر در آستانه ولتاژ روی می‌دهد. این انتقال از نظم یا مرتبه معمول تا دفرمه شدن بوسیله میدان بکار رفته بنام انتقال فریدریکز خوانده می‌شود.




مولکولهای کریستال مایع معمولی ، 5cb








شکل 4- نیروهای مولکول دوقطبه در یک میدان الکتریکی

انتقال فریدریکز بصورت نوری می تواند مورد استفاده مناسبی قرار گیرد ، چراکه می توان از آن جهت سوئیچ نمودن خصیصه‌های انتقال یا بازتاب کریستال مایع استفاده نمود. یکی از خصیصه‌هایی که باعث پراهمیت ساختن کریستال مایع شده است آن است که چنانچه سطوح یا پلیتهای ما دارای فاصله بسیار کوتاهی باشد، مرتبه ، میدانهای مورد نیاز جهت سوئیچ کریستال مایع از یک مرتبه به مرتبه دیگر تنها چند ولت خواهد بود و به نیروی بسیار کمی نیاز دارد. به واسطه این ولتاژ پایین و نیاز به نیروی کم ، می توان به راحتی ابزارهایی که با باطری کار می کنند را سازگار با ولتاژهای چیپ معمولی تولید نمود. با این وجود ، زمانی که برای سوئیچینگ مصرف می شود کاملا طولانی بوده و بدان معنا است که با وجود آنکه تولید ادواتی نظیر نمایشگرهای کامپیوتر آسان می باشد ، سوئیچ کردن ادواتی نظیر شبکه‌های نوری بسیار سخت‌تر می باشد.
کریستالهای مایع به عنوان ابزارهای نوری
از ساختارهای دیاگرامهای شکلهای 1و2و3 برمی آید که خصیصه‌های نوری کریستالهای مایع غیر ایزوتروپی می باشد. برخی از این خصیصه‌ها را می توان به آسانی حدس زد ، بطور مثال کریستالهای مایع کلستریک به میزان زیادی از نظر نوری فعال می‌باشند. بعنوان معیاری برای درک میزان قدرت آن ، باید گفت که نیروی چرخشی کریستال کوارتز 220/mm است. قدرت چرخشی کریستال مایع کلستریک معمولی در حدود 40,0000/mm می‌باشد، یعنی سه مرتبه دارای دامنه بزرگتر. از این واقعیت که کریستالهای مایع ترموتروپیک دارای محدوده دمایی خاصی بوده که باعث شکل گیری فاز کریستال مایع می‌گردد، می‌توان حدس زد که آنها را می‌توان بعنوان حس‌گرهای دمایی یا درجه حرارت بکار برد و اغلب ما ابزارهایی را نظیر ترمومترهای سردخانه‌ای و یا انسانی را دیده‌ایم که بر اساس یک نوار از چندین نوع مختلف کریستالهای مایع با فاز مختلف دماهای انتقال تشکیل یافته‌اند.
1- تاثیر توزیع دینامیک
در این نوع از ابزار ، ما از کریستال مایع نماتیک استفاده کرده و آن را در یک مایع یونی قرار داده‌ایم تا حالت رسانایی را بدست آورد. چنانچه هیچگونه میدان الکتریکی وجود نداشته باشد، ترانسپارنت خواهد بود.به هنگام بکار بردن یک فیلد ، جریانهای یونی باعث جریان آشفته خواهد شد، و کریستال مایه نور ساطع نموده و سفید بنظر خواهد رسید. با این وجود، مشکلات زیادی در خصوص این ادوات وجود داشته و دیگر از آنها استفاده نمی‌شود.
2- تاثیر مهمان‌ ـ میزبان با استفاده از رنگهای پلیوکرونیک
رنگ پلیوکرونیک جزء موارد غیرایزوتروپی می‌باشد، و تنها در صورتی نور را جذب می‌کند که نور موازی با محور درازای آن پولاریزه شود، و نه هنگامی که نور بصورت عمودی با محور آن پولاریزه گردد. ما می‌توانیم درصد بسیار کمی از چنین رنگی را در کریستال مایع نماتیک یا کلستریک بکار بریم، و چنانچه رنگ منطبق با کریستال مایع باشد، می‌تواند نور پولاریزاسیون رنگ را جذب نماید. نور ظاهر شده از سلول رنگ و بصورت خطی پولاریزه خواهد شد.








شکل 5- سلول کریستال مایع نماتیک ساده برای تاثیر مهمان ـ میزبان
چنانچه ما یک میدان الکتریکی را جهت کریستال مایع بکار بریم، ما می‌توانیم بگونه‌ای تنظیمات را انجام دهیم تا محورهای مولکولهای کریستال مایع را بصورت چرخش 90 درجه همراه با محور فیلد درآوریم. هم اکنون نوری که به مولکولهای رنگ می‌تابد، که دارای چرخش با مولکولهای کریستال مایع خواهد بود، بگونه‌ای پولاریزه خواهد شد که رنگ جذب نگردد و سلول بصورت ترانسپارنت یا شفاف باشد. از اینرو ما یک فیلتر قابل سوئیچ رنگی خواهیم داشت. این تاثیر می‌تواند نمایشهای رنگ عملی مورد استفاده قرار گیرد.
3- تاثیر نماتیک پیچیده
در تاثیر نماتیک پیچیده، ما از این حقیقت استفاده می‌کنیم که می‌توانیم به تنظیم محور یک کریستال نماتیک در یک مسیر خاص اقدام کنیم ، آن هم به هنگامی که در مجاورت پلیت قرار گرفته و با پردازش پلیت بگونه‌ای که شامل برآمدگیهای کوچک در یک مسیر خاص باشد. اگر دو مورد از چنین پلیتی را مورد پردازش و عمل قرار دهیم و آنها را در مسیر 90 درجه در برابر یکدیگر تنظیم نمائیم، بنابر این بین پلیتها تنظیم لایه‌های نماتیک بتدریج دارای چرخش 90 درجه خواهد گردید. این امر موجب می‌گردد تا پولاریزاسیون نور بین پلیتها حرکت کرده و تا 90 درجه چرخش داشته باشد. بنابر این چنانچه ما سلولی را بین پولاریزه‌های خطی موازی قرار دهیم هیچ گونه نوری انتقال نخواهد یافت.








شکل 6- یک سلول نماتیک پیچیده با (الف) بدون فیلد، و (ب) با فیلد

چنانچه ما هم‌اکنون فیلدی را برای سلول اختصاص دهیم ، ما می‌توانیم مولکولهای کریستال مایع را منطبق با فیلد ساخته ، و پیچیدگی را ناپدید نمائیم ، و سلول تاثیری بر روی وضعیت پولاریزاسیون نور در حال عبور نداشته و بصورت معمول بنام تاثیر ”کر“ خوانده می‌شود. از آنجائیکه ما می‌توانیم شکست مضاعف را بصورت باز یا بسته سوئیچ نمائیم، ما خواهیم توانست تا برخی از مجموعه پولاریزه‌ها را تنظیم نمائیم، نظیر سوئیچ میزان نور انتقال یافته. ابزارهای منتجه بر حسب 100 پیکوثانیه می‌توانند روشن و خاموش گردند ، و از اینرو می‌توان آنها را بعنوان شاترهای سرعت بالای دقیق بکار برد. این تاثیر می‌تواند در برخی از جامدات نیز روی دهد.
تغییرات القایی- بار در شاخص انعکاسی و تاثیرات صوتی – بصری
به هنگامی که ما نواحی تحت بار را در موادی که اتمها به هم فشار وارد آورده و یا جدا می‌شوند را می‌سازیم ، همانگونه که انتظار داریم ، چنانچه ساختار اتمی را بدین صورت تغییر دهیم ، بنابر این انتظار خواهیم داشت تا شاخص انعکاسی را تغییر دهیم. تغییر در شاخص انعکاسی می‌تواند بصورت ایزوتروپی و یا غیر ایزوتروپی باشد و باعث تولید شکست مضاعف خواهد شد البته چنانچه مواد را در یک مسیر مشخص تحت فشار قرار دهیم. چندین کاربرد جالب در این خصوص وجود دارد.
اولین کاربردی که تمایل به ذکر آن دارم شکست مضاعف القایی – بار در موادی نظیر ”پرسپکس“ می‌باشد.بسیاری از شما با این تجربه آشتا خواهید شد- ما از یک تکه پلاستیک استفاده کرده و آن را بین پولاریزه کننده‌های متقاطع و تحت بار قرار دادیم. بار موجب القای شکست مضاعف شده و موجب تولید نور پولاریزه – بیضی شکل از نور پولاریزه خطی وارده شده به مواد می‌شود. به هنگامی که ما این نور را با پولاریزه کننده ثانویه مورد آنالیز قرار می‌دهیم، بر حسب میزان بیضی و زاویه آن به آنالیزور می‌توان نورها و سایه‌های متفاوتی را مشاهده نمود. میزان تغییر فاز در عبور بسمت مواد بر حسب طول موج می‌باشد ، بنابر این ما قادر می‌باشیم تا حاشیه‌های رنگارنگ را مشاهده نمائیم. این حاشیه‌ها را می‌توان بصورت مقداری جهت محاسبه بار در ساختارها ، به همراه مشاهده بار در موادی نظیر شیشه سخت ، مورد استفاده قرار داد.
دومین مورد کاربرد تغییرات القای – بار در شاخص انعکاسی شامل استفاده از امواج صوتی می‌گردد. یک موج صدا نواحی فشار و کشش در مواد در حال عبور را ایجاد می‌نماید.این نواحی همچنین نشان دهنده تغییر در شاخص انعکاسی بر حسب شکل موج صدا می‌باشد. بنابر این سلول و فیلد کاربردی بصورت شفاف بنظر می‌رسد.



شکل 7- مدولاتور صوتی ـ بصری



(ما برای انجام این کار به الکترودهای ترانسپارنت نیاز داریم. این موارد معمولا از لایه نازک اکسید قلع ایندیوم تشکیل می‌گردند).
نوع نماتیک پیچیده نمایشگرها بعنوان شایعترین نوع ابزار کریستال مایع محسوب می‌شوند. اغلب ماشین حسابها ، ساعتها ، نمایشگرهای تک رنگ رایانه و غیره از این نوع بشمار می‌آیند. موارد مهم در خصوص این نوع نمایشگر عبارت است از :
1- احتیاج به فیلد کم ، و بنابر این عدم مصرف نیروی زیاد
2- تنها به تغییر مسیر مولکولی کوتاه نیاز بوده و از اینرو می‌توان تغییرات را بسرعت انجام داد.
سرعت اینگونه نمایشگرها هنوز نیز خیلی زیاد نمی‌باشد ، همانگونه که می‌توان از نمایشگرهای کریستال مایع تلویزیونی این مورد را مشاهده نمود. با این وجود، بعنوان یک تکنولوژی بسیار موفق بشمار می‌آید. نمایشگرهایی نظیر صفحات کریستال مایع تلویزیون و یا چیزی که بعنوان مادولاتور نور فضایی (SLM) خوانده می‌شود ، یکی از مهمترین تغییرات در تکنولوژی نمایش اطلاعات از زمان لوله اشعه کاتدی بوده است. البته پیشبرد این تکنولوژی به منظور بهره‌وری از آن در کامپیوترهای نوری جهت پردازش تصویر نیز لازم می‌باشد.
مدولاتورهای نوری
حال که صحبت در خصوص ابزارهای الکترونیکی ـ نوری به میان آمد ، من می‌خواهم تا این خطابه را با صحبت در خصوص دیگر تاثیراتی که می‌توانیم از آنها با استفاده از فیلد کاربردی جهت سوئیچ نور بهره ببریم ، به پایان رسانم.تفاوت بین این ابزارها و کریستالهای مایع سرعتی می‌باشد که در آن عمل سوئیچینگ می‌تواند روی ‌دهد. این ابزارها از دو تاثیر استفاده می‌کنند که در حقیقت اساس نورغیرـ خطی می‌باشد ، تاثیر صوتی ـ بصری و تاثیر الکترونیک ـ بصری . با استفاده از علم پولاریزاسیون و انتقال نور ما می‌توانیم چگونگی کار آنها را فراگیریم.
تاثیر الکترو ـ بصری
تاثیر الکترو ـ بصری بسیار مرتبط با مباحث ما در خصوص مواد شکست مضاعف و کریستال مایع می‌باشد. ما در فصل 4 در خصوص نور در کلسیت صحبت نمودیم و بیان داشتیم که این مورد دارای ساختار مولکولی بوده که براحتی اجازه تحریک الکترونها در یک سطح و ن سطح دیگری می‌دهد. این مورد باعث شکست مضاعف می‌گردد.ما می‌توانیم تاثیر بسیار مشابهی را در برخی از مواد مایع بوجود آوریم.چنانچه مولکول مایع ما دارای مشابهت غیرایزوتروپی با مولکول CaCO3 داشته باشد، آنچه را که باید انجام دهیم تنها مرتب سازی مولکولها در داخل مایع بوده و بر این اساس مایع خود بصورت شکست مضاعف درخواهد آمد.(معمولا مایع بصورت ایزوتروپی خواهد بود، چرا که مولکولها بصورت تصادفی مرتب خواهند گشت). این تاثیر روی می‌دهد ، البته چنانچه ما یک موج صوتی را بسمت کریستال روانه کنیم ، که باعث بدست آوردن نواحی شاخص انعکاسی کم و زیاد خواهد شد. این نواحی می‌توانند تشکیل شبکه‌ای را در داخل مواد دهند که دارای عملکردی مشابه با شبکه انکسار معمولی داشته باشد. این شبکه را می‌توان با روشن و خاموش کردن موج صوتی قطع و وصل نمود. ما می‌توانیم نور را سوئیچ و یا تغییر مسیر دهیم. سرعتی که برای روشن و خاموش کردن شبکه بکار می‌رود بستگی به سرعت حرکت موج بسمت کریستال دارد. دوباره یادآوری می‌شود که این ابزارها می‌تواند دارای واکنش زمانی100 ~ نانوثانیه باشد.
خلاصه
• کریستالهای جامد کلاسهای موادی می‌باشند که خصیصه‌های نوری آن را می‌توان براحتی بوسیله میدانهای الکتریکی کوچک تغییر داد.
• سوئیچ نمودن کریستالهای مایع بوسیله تغییر مسیر مولکولها عملی می‌گردد، و همچنین سوئیچ زمان معمولا بسیار کند می‌باشد ( ).
• فیلدهای الکتریک یا صوتی را می‌توان همچنین به منظور سوئیچ نمودن خصیصه‌های نوری کریستالها مورد استفاده قرار داد. زمان سوئیچینگ می‌تواند بسیار سریع باشد (ns-ps) ، اما فیلدهای مورد نیاز معمولا بسیار بزرگتر از آنهایی هستند که برای سوئیچ کریستالهای مایع مورد نیاز می‌باشند.