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Verbesserung der Schaltdynamik nematischer Flüssigkristalle für adaptive optische Anwendungen

Somalingam, Somakanthan :
Verbesserung der Schaltdynamik nematischer Flüssigkristalle für adaptive optische Anwendungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Verbesserung der Schaltdynamik nematischer Flüssigkristalle für adaptive optische Anwendungen
Language: German
Abstract:

Flüssigkristalle sind Substanzen mit einzigartigen optischen, elektro-optischen, sowie mechanischen Eigenschaften. Ihr ambivalenter Zustand führt dazu, dass sie das Verhalten sowohl isotroper Flüssigkeiten als auch kristalliner Festkörper, die sich u.a. durch die Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften auszeichnen, in sich vereinen. Anhand der Positions- bzw. Orientierungsordnung der Flüssigkristalle, die u.a. temperaturabhängig ausgebildet werden können, wird zwischen verschiedenen sog. Mesophasen unterschieden: Die nematische Phase stellt die einfachste der Mesophasen dar und weist lediglich eine Orientierungsordnung auf. Durch die stark ausgeprägte intermolekulare Wechselwirkung tendieren die nematischen Flüssigkristall-Moleküle dazu, sich parallel zueinander auszurichten. In diesem geordneten Zustand zeigen Flüssigkristalle hohe optische Anisotropien, d.h. sie wirken doppelbrechend und verzögern die Phase linear polarisierten Lichts. Der Betrag der Anisotropie wächst dabei mit zunehmendem Grad der Ordnung. Die phasenmodulierende Eigenschaft der Flüssigkristalle wird im Gegensatz zur Amplitudenmodulation bisher kaum technisch ausgenutzt. Dabei ermöglicht sie, optische Funktionen, wie beispielsweise das Fokussieren oder Ablenken von Lichtstrahlen (sowohl refraktiv als auch diffraktiv), adaptiv zu realisieren. Dadurch können bisherige mechanische Systeme ersetzt, die Integrationsdichte erhöht und die Miniaturisierung weiter vorangetrieben werden. Diese Optimierungen gewinnen für technische Produkte, insbesondere in der Mikrooptik zunehmend an Bedeutung. Eine wesentliche Hürde für den vermehrten Einsatz von nematischen Flüssigkristallen als Phasenmodulatoren sind die zum Erreichen größerer Phasenverzögerung auftretenden hohen Schaltzeiten. Das gilt insbesondere für die Ausschaltzeit, da diese hauptsächlich durch die relativ langsamere Relaxation der Flüssigkristall-Moleküle bestimmt wird. Die Ausschaltzeiten von konventionell gefertigten Flüssigkristall-Modulatoren liegen im Sekundenbereich. Größere Phasenverzögerungen werden beispielsweise benötigt, wenn optische Funktionen refraktiv realisiert werden, wodurch u.a. eine hohe optische Qualität und eine kontinuierliche Steuerbarkeit erzielt werden können. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Reduzierung der Ausschaltzeit durch die Erhöhung der Randanbindungskräfte. Sie ermöglicht die Relaxation der Flüssigkristall-Moleküle zu beschleunigen. Die Erhöhung der Randanbindung kann z. B. durch die Reduzierung der effektiven Zelldicke der Flüssigkristall-Modulatoren erreicht werden, was jedoch die realisierbare Gesamtphasenverzögerung reduziert. Zum Erhöhen der Randanbindungskräfte wurden im Rahmen dieser Arbeit die Flüssigkristall-Moleküle in ein Polymernetzwerk eingebettet, das sog. Subdomänen ausbildet. Dies führt zu einer erhöhten Randanbindung, da die Oberfläche, mit der die Flüssigkristall-Moleküle in Berührung kommen, drastisch vergrößert wird. Dabei erlaubt diese Methode größere Phasenverzögerungen bei reduzierten Ausschaltzeiten. Die Verwendbarkeit dieser Methode setzt eine einheitliche Vororientierung der Flüssigkristalle in den einzelnen Subdomänen voraus. Konventionelle Vororientierungsmethoden wie z. B. das Reiben einer Polyimidschicht in einer Vorzugsrichtung oder die Bestrahlung einer photoempfindlichen Schicht mit UV-Licht können hierbei nicht angewendet werden, da die Beschichtung direkt auf die betreffenden Oberflächen vorgenommen werden muss. Es werden mehrere Lösungswege zur einheitlichen Vororientierung in Subdomänen vorgestellt. Aufbauend auf der Temperaturabhängigkeit der Rotationsviskosität und der Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Anisotropie konnten erfolgreich weitere Schaltzeitoptimierungen vorgenommen werden. Die Entwicklung adaptiver optischer Elemente auf der Basis nematischer Flüssigkristalle bildet einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Liquid crystals (LC) possess unique optical, electro-optical, as well as mechanical properties. Being an intermediate state they have properties common to both solids and liquids, like isotropic nature and anisotropic dependency of several physical characteristics. Due to positional and orientational order, which results e.g. through temperature variation several so-called mesophases appears. The simplest among them is the nematic phase, which possesses an orientational order only. As a result of the strong interaction between liquid crystal molecules they tend to align parallel to each other. In such an ordered state LCs exhibit high birefringence and retard, for example, the phase of a linear polarized light. The amount of birefringence increases in proportion to the order of the molecules. The phase modulating feature of liquid crystals is so far hardly used in technical devices compared to amplitude modulation. However, it enables the realization of adaptive optical functions, for example focusing and steering of light (both refractive and diffractive). This in turn makes possible the replacement of mechanical systems, the enhancement of integration density and further miniaturization. These optimizations are becoming more and more important for technical products, in particular in the micro-optics sector. The substantial hurdle for a wide-spread application of nematic liquid crystals as phase modulators are their high switching times that arise especially for large phase retardations. In particular the switching-off time is high, since this is determined by the relatively slower relaxation of the liquid crystal molecules mainly. Switching-off times of conventional LC modulators for large phase retardations lie in the seconds range. Large phase retardations are needed, for example, if optical functions are to be realized using the principle of refraction. Refractive LC elements provide high optical quality and continuous electrical controllability of these functions. In this thesis we mainly investigate several approaches to achieve low switching-off times for large phase retardations. Basically the switching-off time could be drastically reduced by confining nematics in polymer stabilized networks in order to increase the anchoring forces between LC molecules and the aligning surface. Hence the relaxation of the LC molecules could be accelerated. Generally, an increase in the anchoring forces can be achieved e.g. by reducing the effective cell thickness. However, this will result in reduction of the total phase retardation. We reported a method to improve the anchoring of the LCs, without reducing the total phase retardation to a noticeable extent. In this method the LC molecules were confined in polymer sub domains. Large phase retardation results due to the constant cell thickness but the switching-off times were reduced drastically. The applicability of the above discussed method presupposes a uniform pre-alignment of the LC molecules in each and every sub domain in the same direction. Conventional pre-alignment methods, like rubbing of a polyimide layer in a preferred direction or the irradiation of a photosensitive layer with UV light, cannot be used here because the coating must be made directly on the surfaces. We present several approaches to obtain a uniform pre-alignment of the LC molecules in the sub domains. Exploiting the temperature dependence of the rotational viscosity and the frequency dependence of the dielectric anisotropy, further optimizations of the switching time could be achieved. The development of different adaptive optical elements based on nematic liquid crystals for several applications is also an objective of this thesis.English
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000670
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6705
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Tschudi, Prof. Dr. Theo and Walther, Prof. Dr. Thomas
Advisors: Tschudi, Prof. Dr. Theo
Refereed: 20 February 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/670
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