Meningkatkan Respons Optik Nonlinier dalam Sel Cair Kristal Hibrid dengan Integrasi Kristal Photonik

Abstrak

Respons optik nonlinier sel cair kristal hibrid (LC) photorefraktif telah diteliti dengan teknik holografik dinamis dalam pengaturan campuran gelombang dua. Sel LC mencakup substrat silikon nonuniform yang terdiri dari kristal photonik dalam skala mikrometer. Lapisan LC tipis diletakkan antara substrat silikon dan substrat kaca datar yang dilapisi elektroda transparan (ITO). Grating difraksi dinamis diinduksi dalam volume LC oleh campuran gelombang dua dari sinar laser dengan aplikasi medan listrik DC pada sel secara bersamaan. Model teoretis difraksi diri Raman-Nath telah dikembangkan. Model ini memungkinkan perhitungan karakteristik optik nonlinier pada sampel tipis berdasarkan data eksperimental campuran gelombang dua, dengan mempertimbangkan kehilangan cahaya pada penyerapan dan/atau penyebaran. Sel LC hibrid menunjukkan efek optik nonlinier yang kuat, prospektif untuk banyak aplikasi dalam mikro-sistem elektro-optik, seperti SLM, serta dalam sistem multikanal.

Latar Belakang

Di antara keuntungan utama sistem pemrosesan optik adalah kemampuan mereka untuk memanfaatkan bandwidth temporal dan spasial tinggi dari fotonik. Komponen fundamental dalam sistem ini adalah perangkat yang memodulasi cahaya. Modulator cahaya spasial (SLM), yang menyematkan informasi ke dalam bidang data optik dalam sistem pemrosesan informasi optik, selama ini dianggap esensial untuk pemanfaatan yang efisien dari kecepatan, kemampuan pemrosesan paralel, dan kemampuan interkoneksi yang inherent dalam optika. Perangkat ini secara umum memodifikasi fase, polarisasi, amplitudo, dan/atau intensitas distribusi cahaya spasial sebagai fungsi dari informasi penggerak listrik atau intensitas distribusi cahaya lain [1]. Keuntungan bahan elektro-optik cair kristal untuk SLM meliputi birifringensi tinggi dan operasi tegangan rendah. Menempatkan cair kristal di atas sirkuit terpadu silikon diusulkan pada awal tahun 1980 untuk menghasilkan layar genggam [2]. Karena pembuatan sirkuit terpadu silikon yang paling luas, yang mungkin berisi detektor cahaya, penguat, dan elemen memori, SLM cair kristal pada silikon (LCoS) elektro-optik telah menjadi alat standar dalam mayoritas laboratorium optika. Langkah berikut yang sangat diinginkan adalah penanganan informasi optik murni, yang dapat dicapai melalui modifikasi yang dikontrol cahaya dari properti optik medium. Banyak SLM yang diaddressi optik mengadopsi struktur sandwich dasar dengan fotokonduktor yang mentransfer tegangan bias yang diterapkan pada sandwich ke bahan modulator, misalnya, cair kristal dalam light valve cair kristal (LCLV) [3].

Hampir semua efek optik nonlinier yang ada telah diamati dalam komposisi cair kristal yang didoping cat, di mana molekul cat yang menyerap memicu reorientasi direktur cair kristal [4]. Secara alternatif, aksi cahaya pada molekul fotosensitif mempengaruhi parameter urutan cair kristal yang, pada gilirannya, menghasilkan perubahan yang substansial dan cepat dari indeks refraksi lokal cair kristal [5]. Tahun lalu, pusat fotosensitif populer menjadi nanopartikel yang disematkan dalam volume cair kristal [6]. Sistem cair kristal yang tidak menyerap juga telah menarik banyak minat sebagai light valve nematik murni photorefraktif. Mekanisme optik nonlinier utama dalam cair kristal adalah reorientasi kolektif molekul dalam bulk cair kristal di bawah eksitasi laser yang sering muncul dengan medan listrik yang diterapkan. Dalam pekerjaan ini, kami menggunakan nematik murni. Mekanisme optik nonlinier dalam sel LC seperti itu menyarankan efek photorefraktif yang diinduksi permukaan, yang mengubah orientasi molekul cair kristal dalam bulk yang dimulai dari permukaan. Efek ini telah diteliti dalam sel LC yang berisi berbagai bahan permukaan, seperti lapisan polimer photorefraktif [7, 8], lapisan konduktif dengan pengotoran yang disematkan [9], pelat logam mulia [10], dan kristal photorefraktif [11]. Sebagai aturan, orientasi awal molekul pada permukaan adalah planar. Jenis sel lain, yang menunjukkan efek photorefraktif yang diinduksi permukaan, terdiri dari substrat kaca sederhana yang dilapisi elektroda ITO dan diisi dengan nematik murni, tetapi fitur utama yang diteliti adalah orientasi homeotropik molekul [12, 13]. Efek semacam ini diteliti dalam pekerjaan ini. Kami menggunakan, namun, sel hibrid di mana salah satu substrat adalah kristal photonik yang terbuat dari silikon. Peningkatan properti fisik bahan yang ditinggal pada permukaan terstruktur nano- atau mikro, termasuk properti optik, listrik, dan lainnya, menjadi salah satu arah prioritas dari ilmu nano fundamental. Dalam penelitian kami, kami menyelidiki kemungkinan penguatan efek optik nonlinier dalam sel LC yang karena pengaruh permukaan terstruktur dari substrat yang membentuk sel.

Untuk menyelidiki properti optik nonlinier dalam sel LC hibrid yang berisi permukaan refleksi, kami menerapkan teknik holografik dinamis berdasarkan campuran gelombang dua dari sinar laser dalam geometri refleksi [14]. Diketahui bahwa holografi dinamis didasarkan pada tiga efek utama, yang bekerja secara bersamaan: (1) pembuatan pola interferensi periodik di dalam medium nonlinier dengan bantuan dua atau lebih sinar laser koherent; (2) modulasi indeks refraksi di bawah aksi pola interferensi ini; dalam kasus kami, berarti menginduksi grating fase dinamis di dalam medium nonlinier; (3) difraksi diri sinar rekaman pada grating dinamis. Sampai sekarang, campuran gelombang dikenal sebagai teknik yang efektif untuk banyak aplikasi dalam optika nonlinier (lihat, misalnya, [15]). Cukup untuk menyebutkan multiplexing spasial dan switching sinar laser, kontrol optik murni dari parameter sinar, memori optik dinamis, logika, dll. Dalam pekerjaan ini, kami menunjukkan bahwa metode ini juga dapat diterapkan sebagai teknik eksperimental sederhana untuk menentukan karakteristik optik nonlinier dari tipis film. Kami telah mengembangkan pendekatan matematika untuk menghitung koefisien refraksi nonlinier dalam medium sejenis Kerr, dari mana rentabilitas optik nonlinier dapat ditentukan. Model matematika mencakup difraksi diri gelombang dalam regime Raman-Nath, yaitu, untuk kondisi grating tipis. Pendekatan ini secara umum memuaskan untuk mayoritas sampel tipis yang biasanya memiliki ketebalan hingga puluhan mikrometer. Medium semacam ini juga mencakup sel LC. Perlu diperhatikan bahwa metode alternatif untuk menentukan rentabilitas optik nonlinier bahan transparan adalah teknik z-scan [16]. Namun kami menunjukkan bahwa metode campuran gelombang dua cukup sederhana untuk direalisasikan secara eksperimental dan sangat cocok untuk penyelidikan media dinamis, termasuk yang hanya bekerja dalam geometri refleksi.

Metode

Bahan dan Sampel

Struktur sel LC hibrid ditunjukkan dalam Gambar 1. Sel hibrid memiliki tipe sandwich, dibentuk oleh kaca dan substrat silikon dan diisi dengan nematik LC; sisinya ditempel. Ketebalan lapisan nematik LC adalah 20 μm. Substrat kaca datar dilapisi dengan elektroda ITO. Substrat kedua dipotong dari wafel silikon yang didoping fosfor, dimensinya 17 × 17 mm². Resistivitasnya 4,5 Ω⋅cm, ketebalannya 380 μm, dan orientasinya 〈100〉. Substrat silikon berisi dua area, yaitu, permukaan dengan bagian terstruktur mikro periodik, yang sebenarnya adalah kristal photonik dalam skala mikrometer, dan bagian datar dari permukaan.

Meningkatkan Respons Optik Nonlinier dalam Sel Cair Kristal Hibrid dengan Integrasi Kristal Photonik

Ketiga substrat Si yang digunakan dalam penelitian kami ditunjukkan dalam Gambar 2. Mikrostrukturnya mewakili lubang yang diukir yang disusun dalam matriks persegi (substrat 1 dan 2) atau dalam matriks segitiga (substrat 3). Lubang-lubang adalah mikropyramida persegi, yang berbeda dalam bentuk, ukuran, dan susunan. Ada (1) pyramida reguler, (2) pyramida terpotong (lubang), dan (3) pyramida sedikit terpotong. Mikropyramida reguler memiliki tinggi 2 μm, sisi alas yang sama 2 μm, dan periodisitas 3 μm. Lubang memiliki parameter yang sama, tetapi mereka rapat. Pyramida sedikit terpotong memiliki sisi alas 1,5 μm dan periodisitas 3,5 μm. Mikrostruktur dibentuk pada sisi yang dipoles dari wafel silikon dengan teknik litografi optik standar diikuti oleh etching anisotropik untuk substrat 1 dan 3, atau etching plasma untuk substrat 2.

Dua nematik LC digunakan: nematik murni 5CB (4×-(n-pentyl)-4-cyanobiphenyl) dan campuran nematik E7. Dalam semua kasus, orientasi molekular dalam lapisan cair kristal adalah homeotropik dan muncul secara spontan pada permukaan ITO dan silikon dengan suhu pemrosesan dipertahankan tidak lebih dari 50 °C. Kami telah menyelidiki empat sampel, yang berbeda dalam bentuk mikrostruktur dan oleh LC yang digunakan. Sampel dengan substrat silikon 1 dan 2 terdiri dari dua bagian: satu bagian berisi permukaan terstruktur mikro, dan bagian kedua adalah datar. Dalam sampel semacam itu kami memiliki kesempatan untuk membandingkan respon nonlinier dalam sel datar (yang berisi bagian datar dari substrat Si), dan dalam sel terstruktur mikro (yang berisi bagian terstruktur mikro dari substrat Si).

Cara ini, dalam eksperimen kami kita memiliki sel hibrid berikut:

1)
disingkat M1: substrat kaca + ITO/5CB/substrat Si 1, permukaan terstruktur mikro
2)
disingkat F1: substrat kaca + ITO/5CB/substrat Si 1, permukaan datar
3)
disingkat M2: substrat kaca + ITO/5CB/substrat Si 2, permukaan terstruktur mikro
4)
disingkat F2: substrat kaca + ITO/5CB/substrat Si 2, permukaan datar
5)
disingkat M3: substrat kaca + ITO/5CB/substrat Si 3, permukaan terstruktur mikro
6)
disingkat M4: substrat kaca + ITO/E7/substrat Si 3, permukaan terstruktur mikro

Setup Eksperimental

Gambar 3 menunjukkan skema setup eksperimental, yang didasarkan pada metode holografik dinamis dengan campuran gelombang dua. Sumber cahaya adalah laser semicondutor Nd:YAG kontinu (penggandaan frekuensi, λ = 532 nm, P = 52 mW, generasi single-mode). Dengan bantuan splitter sinar BS dan cermin M, radiasi laser dibagi menjadi dua sinar B ₀ dan B ₁, yang berkonvergen pada sel pada sudut kecil θ ≈ 0,01 rad. Intensitas masukan I ₀ dan I ₁ disamakan dengan bantuan filter F1, dan dalam kasus kami, I ₀ = I ₁ = 3,3 W/cm². Diameter titik laser pada sel adalah 1 mm.

Dua sinar laser B ₀ dan B ₁ membentuk pola interferensi di dalam sampel. Kedua sinar insiden memiliki polarisasi linier p. Jadi pola interferensi modulasi intensitas tercipta. Sel LC normal membuat sudut δ dengan pemotong sudut dari B ₀ dan B ₁. Medan listrik DC diterapkan dari sumber G dengan tegangan U yang dikontrol dalam rentang dari 0 hingga 15 V. Substrat kaca ITO diatur sebagai elektroda positif. Kami mengukur intensitas urutan difraksi pertama {−1} dan {2} dengan menggunakan fotodioda D1 dan D2 melalui osiloskop digital DO yang dikontrol komputer. Sudut rotasi sel disesuaikan untuk memaksimalkan sinyal difraksi dan ternyata adalah δ ≈ 40 − 55° untuk sampel yang berbeda. Hasil ini sepakat dengan eksperimen dari kelompok lain (misalnya [9, 12]); alasan untuk efek ini di luar lingkup studi kami.

Model Difraksi Diri Gelombang dalam Pendekatan Raman-Nath

Difraksi diri gelombang telah dipertimbangkan dalam beberapa karya [17, 18]. Ketika difraksi diri dari dua gelombang masukan pada grating indeks refraksi tipis yang diinduksi cahaya terjadi, banyak urutan difraksi muncul pada keluaran. Dengan mengukur intensitas dalam urutan difraksi pertama, seseorang dapat menghitung kedalaman modulasi grating (Δn). Karena dalam medium sejenis Kerr kondisi Δn = n ₂ I ₀ berlaku (di mana I ₀ adalah intensitas sinar yang menarik), koefisien refraksi nonlinier n ₂ dapat dihitung.

Dalam bagian ini, kami mencari solusi untuk efisiensi difraksi dari urutan difraksi pertama dalam kasus grating indeks refraksi sinus tidak bergeser. Kemudian intensitas dalam urutan simetris akan sama. Pemodelan dimulai dari persamaan gelombang, di mana baik medan listrik $ \overrightarrow{E} $ dan bagian tereduksi dari permitivitas dielektrik Δε yang timbul dari efek nonlinier sejenis Kerr bergantung pada koordinat z (sepanjang propagasi gelombang):

$$ {\nabla}^2\overrightarrow{E}\left( z, t\right)=\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial {t}^2}\left[{\varepsilon}_0+\varDelta \varepsilon \left( z, t\right)\right]\overrightarrow{E}\left( z, t\right) $$ (1)

di mana c adalah kecepatan cahaya dalam vakum, $ {\varepsilon}_0={n}_0^2 $ mewakili permitivitas dielektrik dari medium dan n ₀ adalah indeks refraktifnya. Kami akan mencari solusi persamaan gelombang (1) dalam jumlah semua urutan difraksi, yang merupakan gelombang datar yang terpolarisasi dalam arah sumbu $ \overrightarrow{y} $:

$$ \overrightarrow{E}=\frac{1}{2}\overrightarrow{y}\left\{{\displaystyle \sum_{m=-\infty}^{+\infty }{\overrightarrow{A}}_m\left( z, t\right){e}^{i\left[{\omega}_0 t-\left({\overrightarrow{k}}_0- m\overrightarrow{K}\right)\overrightarrow{r}\right]}{e}^{-\frac{1}{2}\alpha z}+ c. c.}\right\} $$ (2)

di mana ω ₀ adalah frekuensi radiasi laser, $ \overrightarrow{r} $ adalah koordinat, dan “c. c.” menandakan konjugat kompleks. Dalam representasi kami, nyaman untuk menyatakan koefisien attenuasi sebagai α = α _abs + α _sc, yang mempertimbangkan kehilangan radiasi laser baik pada penyerapan α _abs dan penyebaran α _s. Gambar 4 menunjukkan diagram vektor gelombang dari difraksi diri dalam pendekatan Raman-Nath. Ini menunjukkan bahwa gelombang dari urutan difraksi ke-m terkait dengan arah spasial yang dijelaskan oleh vektor gelombang $ {\overrightarrow{k}}_m $. Urutan difraksi m = 0 dan m = 1 termasuk dua gelombang yang menarik B ₀ dan B ₁. Vektor gelombang dari urutan difraksi ke-m adalah $ {\overrightarrow{k}}_m={\overrightarrow{k}}_0- m\overrightarrow{K} $, dan $ \overrightarrow{K} $ adalah vektor gelombang dari grating yang diinduksi cahaya. Modulasi permitivitas Δε didefinisikan dalam bentuk grating:

$$ \varDelta \varepsilon \left( z, t\right)=\frac{1}{2}\left[{\overrightarrow{\varepsilon}}_1\left( z, t\right){e}^{- i\overrightarrow{K}\overrightarrow{r}}+ c. c.\right] $$ (3)

Dengan mengganti solusi (2) dan (3) ke Eq. (1), seseorang mendapatkan hubungan untuk amplitud variabel lambat A _m dari urutan ke-m:

$$ \frac{\partial {A}_m}{\partial z}+ i\frac{\left({k}_0^2-{k}_m^2\right)}{2{k}_{m z}}{A}_m-\frac{1}{2}\alpha \cdot {A}_m=- i\frac{k_{\upsilon}^2}{4{k}_{m z}}\left[{\varepsilon}_1{A}_{m+1}+{\varepsilon}_1^{*}{A}_{m-1}\right] $$ (4)

di mana k _υ = 2π/λ adalah vektor gelombang dalam vakum, dan tanda “∗” menunjukkan konjugasi kompleks. Karena dalam representasi kami, gelombang rekaman utama dari urutan m = 0 dan m = 1 identik pada masukan, serta di seluruh ketebalan sampel, maka ε ₁ adalah real dan tidak bergantung pada koordinat z (lihat [18]): $ {\varepsilon}_1(t)={\varepsilon}_1^{*}(t) $. Untuk transformasi lebih lanjut dari Eq. (4), kami memperkenalkan fungsi baru $ {U}_m\left( z, t\right)={A}_m\left( z, t\right) \exp \left(-\frac{1}{2}\alpha z\right) \exp \left( im\frac{\pi}{2}\right) $, menetapkan T = exp(−αz) kehilangan intensitas cahaya dalam medium, dan mendefinisikan $ {\varepsilon}_1= T{\tilde{\varepsilon}}_1 $. Dengan memperkenalkan variabel baru $ \tilde{z}={k}_{\upsilon}/\left({n}_0 \cos \left(\theta /2\right)\right)\cdot \left(1- T\right)/\left(2\alpha \right) $, di mana θ adalah sudut konvergensi, Eq. (4) dapat ditulis sebagai:

$$ 2\frac{\partial {U}_m}{\partial \tilde{z}}={\tilde{\varepsilon}}_1\left[-{U}_{m+1}+{U}_{m-1}- i\frac{2 m\left( m-1\right)}{\phi}{U}_m\right] $$ (5)

di mana parameter ϕ didefinisikan oleh $ \phi = T{\tilde{\varepsilon}}_1/\left(2{n}_0^2{ \sin}^2\left(\theta /2\right)\right) $.

Dalam kondisi pendekatan Raman-Nath, mungkin untuk mengabaikan istilah terakhir di bagian kanan Eq. (5) (Ref. [18]), yaitu, 2m(m − 1)/ϕ < < 1 untuk setiap m. Kemudian dengan memperkenalkan variabel baru $ \zeta =\tilde{z}{\tilde{\varepsilon}}_1(t) $, kami mendapatkan persamaan utama kami dalam pendekatan Raman-Nath:

$$ 2\frac{\partial {U}_m\left(\zeta, t\right)}{\partial \zeta}+{U}_{m+1}\left(\zeta, t\right)-{U}_{m-1}\left(\zeta, t\right)=0 $$ (6)

Hubungan ini secara formal adalah representasi yang dikenal untuk fungsi Bessel, jadi solusinya dapat diekspresikan dengan fungsi Bessel dalam bentuk:

$$ {U}_m\left(\zeta, t\right)={\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty }{C}_n^m(t){J}_n\left(\zeta \right)} $$ (7)

Persamaan (6) memenuhi properti simetri $ {U}_0{U}_0^{*}={U}_1{U}_1^{*} $ untuk pasang gelombang utama, serta untuk semua pasang gelombang yang difrakt ($ {U}_2{U}_2^{*}={U}_{-1}{U}_{-1}^{*} $). Perlu diperhatikan pada z = 0, E ₀(0, t) = E ₁(0, t) ≠ 0, tetapi E _m(0, t) = 0 untuk m ≠ 0, 1, dan kemudian intensitas keluaran urutan difraksi pertama I _{−1}(d, t) dan I _{2}(d, t) akan sama dan didefinisikan oleh rumus (lihat juga [18]):

$$ {I}_{\left\{-1\right\}}\left( d, t\right)={I}_{\left\{2\right\}}\left( d, t\right)= T{I}_0\left(0, t\right)\left[{J}_1^2\left(\zeta \right)+{J}_2^2\left(\zeta \right)\right] $$ (8)

di mana d adalah ketebalan medium nonlinier; I ₀ adalah intensitas sinar laser; J ₁ dan J ₂ adalah fungsi Bessel jenis pertama dari urutan pertama dan kedua, masing-masing. Karena dalam kasus kami, intensitas I ₀ dan I ₁ sama, yaitu, 2I ₀ = I _laser, oleh karena itu nilai ζ dapat ditulis sebagai:

$$ \zeta =\tilde{z}{\tilde{\varepsilon}}_1=\frac{k_{\upsilon}}{n_0\cdot \cos \left(\theta /2\right)}\frac{1- T}{2\alpha}{\tilde{\varepsilon}}_1\approx \frac{k_0}{n_0}\frac{1- T}{2\alpha}2{n}_0\varDelta n $$ (9)

Dalam medium sejenis Kerr Δn = n ₂ I ₀, di mana n ₂ mewakili koefisien refraksi nonlinier, maka nilai akhir dari ζ memiliki bentuk yang lebih sederhana:

$$ \zeta =\frac{2\pi}{\lambda}\frac{1- T}{\alpha}{n}_2{I}_0 $$ (10)

Efisiensi difraksi η dari urutan difraksi pertama ditentukan sebagai η = I _{−1}/(TI ₀). Di sisi lain, efisiensi difraksi dapat diperoleh secara eksperimental dengan mengukur intensitas I _{−1} dan koefisien transmisi sel T. Rumus umum (8) berlaku untuk menghitung efisiensi difraksi dalam rentang yang luas. Untuk efisiensi difraksi yang lebih kecil, η ≤ 2%, pendekatan yang baik hanya akan istilah polinomial pertama dari (8): η ≈ ζ ²/4. Oleh karena itu, seseorang dapat mendapatkan hubungan sederhana untuk n ₂:

$$ {n}_2=\frac{\lambda}{\pi}\frac{\alpha}{1- T}\frac{\sqrt{\eta}}{I_0} $$ (11)

Perlu dicatat bahwa Eq. (11) yang diperoleh memiliki bentuk yang sama dengan persamaan yang biasanya diperoleh untuk kasus difraksi hanya satu sinar probe dari grating indeks refraksi tertentu (lihat, misalnya, Ref. [19]). Namun untuk nilai η yang besar, yang biasanya untuk sel LC, hubungan yang lebih tepat (8) dan (10) harus digunakan untuk menghitung nilai ζ dan n ₂.

Ketahui nilai n ₂, seseorang dapat menentukan rentabilitas nonlinier medium dengan bantuan ekspresi:

$$ {\chi}^{(3)}\left[\mathrm{esu}\right]={n}_2\left[\frac{\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2}{W}\right]\cdot \frac{9\cdot {10}^4}{4\pi} c\cdot {\varepsilon}_e\cdot {n}_0^2 $$ (12)

di mana ε _e adalah konstanta listrik. Dalam kasus nematik 5CB, kami menggunakan indeks refraksi untuk orientasi homeotropik molekul n ₀ = n _⊥ = 1,51 sebagai indeks refraksi biasanya; sama untuk campuran nematik E7, n ₀ = n _⊥ = 1,5268.

Pendekatan teoretis yang dikembangkan berlaku untuk tipis film yang memiliki nonlinieritas optik sejenis Kerr, ketika kehilangan cahaya pada baik penyerapan dan penyebaran adalah besar. Karena metode difraksi diri tidak memerlukan sumber laser tambahan sebagai probe, campuran gelombang dua menjadi metode sederhana untuk diagnostik nonlinieritas optik medium tipis termasuk sel LC.

Hasil dan Diskusi

Kami menyarankan mekanisme optik nonlinier dalam sel LC hibrid adalah efek photorefraktif yang diinduksi permukaan, yang mengubah orientasi molekul cair kristal dalam bulk yang dimulai dari permukaan [12, 13]. Dalam eksperimen campuran gelombang dua, sampel diiluminasi oleh pola interferensi cahaya periodik yang dibentuk oleh dua sinar laser koherent. Pola ini menciptakan modulasi muatan spasial pada antarmuka LC-substrat. Distribusi periodik medan listrik yang dihasilkan pada permukaan memicu modulasi orientasi direktur pada substrat. Reorientasi molekul dimulai pada permukaan dan menyebar ke dalam volume LC.

Performa eksperimental campuran gelombang dua yang khas dengan sel LC hibrid ditunjukkan dalam Gambar 5. Dalam tidak ada medan listrik, kami mengamati struktur dua dimensi reguler dari sinar laser utama yang terpantul dari substrat terstruktur mikro dari sel (Gambar 5a). Setelah aplikasi tegangan DC, banyak urutan difraksi muncul di samping setiap pasang sinar utama karena pengiklanan grating indeks refraksi di dalam sel (Gambar 5b). Dalam kasus sel datar F1 dan F2, tidak ada pola penyebaran multi, kami hanya mengamati satu garis tengah setelah menerapkan tegangan. Kami mengukur intensitas dalam urutan difraksi pertama {−1} dan {+2} di garis tengah dalam keadaan stabil untuk semua sel: sel datar dan sel dengan permukaan terstruktur mikro. Kemudian kami menghitung efisiensi difraksi menurut η = Ī _{−1}/(TI ₀), di mana Ī _{−1} adalah intensitas rata-rata dari dua urutan difraksi pertama (Ī _{−1} = (I _{−1} + I _{2})/2) dan T adalah koefisien transmisi sel.

Perlu dicatat, bahwa efek photorefraktif yang diinduksi permukaan, yang dieksploitasi dalam eksperimen kami, sangat bergantung pada sudut rotasi sampel relatif terhadap pemotong sudut konvergensi antara dua gelombang masukan (lihat misalnya, [9, 12, 13]). Oleh karena itu, dengan posisi normal sampel, ketika plat sampel tegak lurus terhadap pemotong gelombang, tidak ada urutan difraksi yang diamati. Pada saat yang sama dalam kasus kami, ketika sampel diputar relatif terhadap pemotong ini, grating indeks refraksi yang diinduksi cahaya ternyata bergeser relatif terhadap pola interferensi cahaya. Efek ini seharusnya terwujud dalam adanya transfer energi antara urutan difraksi. Dalam kasus sel hibrid kami dan dua sinar laser dengan intensitas masukan yang sama, kami telah mengamati bahwa perbedaan intensitas dalam urutan difraksi pertama tidak melebihi 10%. Kami telah mengambil nilai rata-rata antara dua intensitas yang diukur ini yang digunakan untuk perhitungan lebih lanjut dari koefisien refraksi nonlinier. Nilai ini berada dalam rentang akurasi estimasi kami dari koefisien optik nonlinier. Juga perlu dicatat bahwa model matematika yang dikembangkan menjadi rumus hasil yang cukup sederhana dan tidak mencakup perubahan fase gelombang dalam volume lapisan nonlinier. Efek respon nonlokal dalam medium dan transfer energi antara gelombang akan dipertimbangkan dengan cermat dalam karya kami selanjutnya.

Dalam Tabel 1, kami mengumpulkan parameter eksperimental yang diukur untuk sel LC hibrid. Koefisien transmisi didefinisikan sebagai T = I ^out/I ₀, di mana I ₀ adalah intensitas satu sinar insiden, dan I ^out adalah intensitas sinar keluaran. T mencakup dua bagian: T = R _s T _a, di mana R _s mempertimbangkan kehilangan intensitas untuk penyebaran dari permukaan terstruktur mikro untuk membentuk pola cahaya periodik; dan T _a = exp(−αd _eff) menggambarkan kehilangan intensitas pada penyerapan selama propagasi cahaya dalam bulk sel LC. Dalam Tabel 1 juga kami menyajikan nilai d _eff, yang adalah ketebalan efektif untuk sinar yang menyebar dalam sel. Perlu dicatat, dalam pengukuran kami kami mengabaikan kehilangan pada refleksi cahaya dari batas kaca masukan dari sel.

Efisiensi difraksi yang diukur untuk semua sel dalam fungsi tegangan yang diterapkan ditunjukkan dalam Gambar 6. Terlihat bahwa efisiensi difraksi mencapai maksimumnya untuk tegangan tertentu, yang berbeda dalam berbagai sel; tegangan ini lebih tinggi untuk sel terstruktur mikro dibandingkan dengan sel datar (bandingkan F1 dan M1, F2 dan M2); serta tegangan ini berubah dalam fungsi bentuk mikrostruktur (bandingkan M1, M2, M3, M4). Kami juga menekankan bahwa efisiensi difraksi mencapai nilai yang cukup besar dalam sel LC (hingga 9% untuk sel M1 dan F1). Kami menggunakan nilai η yang diukur untuk menghitung karakteristik optik nonlinier dari sel LC yang diteliti, yaitu, koefisien refraksi nonlinier n ₂ dan rentabilitas nonlinier efektif χ ⁽³⁾, dengan mempertimbangkan bahwa sel LC memiliki nonlinieritas optik sejenis Kerr.

Koefisien refraksi nonlinier yang dihitung dari pengukuran eksperimental efisiensi difraksi ditunjukkan dalam Gambar 7 untuk semua sel. Dalam kasus sel M1 dan F1 serta M3 dan M4, n ₂ dihitung dari rumus utama (8) dan (10) karena efisiensi difraksi yang diukur η > 3,5%. Kami menggunakan rumus perkiraan (12) untuk sel M2 dan F2, karena η yang diperoleh < 2%. Kami memperoleh bahwa koefisien refraksi nonlinier maksimal lebih tinggi dalam sel dengan substrat terstruktur mikro dibandingkan dengan sel datar (lihat Gambar 7a, b). Tabel 2 menyajikan nilai rentabilitas nonlinier yang dihitung dari nilai maksimal n ₂ dalam Gambar 7. Rentabilitas nonlinier ternyata ditingkatkan secara substansial (dengan 30–100%) dalam sel dengan substrat terstruktur mikro terhadap sel yang terbuat dari substrat datar. Alasan yang menyebabkan peningkatan kedalaman modulasi grating dinamis dalam sel yang berisi substrat terstruktur mikro adalah subjek untuk penelitian lebih lanjut. Kami menyangka efek ini terkait dengan reorientasi awal molekular yang muncul pada permukaan terstruktur mikro.

Kesimpulan

Kami telah menyelidiki efek optik nonlinier dalam sel LC hibrid baru berdasarkan kristal photonik silikon. Sel ini terdiri dari dua bahan yang berbeda yang dipisahkan oleh lapisan LC tipis dengan orientasi homeotropik molekular. Satu bahan adalah substrat kaca dengan elektroda ITO. Yang kedua adalah substrat silikon dengan permukaan terstruktur mikro periodik. Mikrostruktur dalam bentuk mikropyramida yang diatur secara periodik diukir pada permukaan silikon dengan menerapkan metode litografi kimia atau etching plasma.

Kami menerapkan metode holografi dinamis dengan campuran gelombang dua untuk menentukan efisiensi difraksi diri dari grating dinamis yang diinduksi dalam lapisan LC. Model teoretis untuk difraksi diri Raman-Nath, yang ditawarkan untuk menghitung efisiensi difraksi dalam urutan difraksi pertama, telah memungkinkan kami untuk menentukan koefisien refraksi nonlinier n ₂, dan rentabilitas nonlinier χ ⁽³⁾ dari sel. Kami juga telah melakukan analisis komparatif parameter nonlinier yang diperoleh untuk sel dengan dan tanpa mikrostruktur. Rentabilitas nonlinier ternyata ditingkatkan secara substansial (dengan 30 − 100%) dalam sel terstruktur mikro terhadap sel yang terbuat dari permukaan datar. Mekanisme underlying dari nonlinieritas optik adalah efek photorefraktif yang diinduksi permukaan dalam nematik murni LC. Kedalaman modulasi indeks refraksi yang ditingkatkan mungkin terkait dengan reorientasi awal molekular yang muncul pada substrat terstruktur mikro.

Pendekatan teoretis yang dikembangkan dapat berlaku untuk penentuan karakteristik optik nonlinier dari tipis film yang memiliki nonlinieritas optik sejenis Kerr, di mana kehilangan pada baik penyerapan dan penyebaran adalah besar, baik dalam geometri transmisi maupun refleksi. Sel LC hibrid photorefraktif berprospek sebagai sampel baru dari mikro-sistem elektro-optik, termasuk SLM multikanal. Secara tambahan, teknik campuran gelombang dua dalam sel nonlinier semacam ini dapat diterapkan dengan sukses dalam coupler multikanal, switch, dan garis komunikasi optik. Mereka juga dapat diterapkan dalam jaringan, jika memastikan kontrol independen dari setiap channel dalam struktur LCD.

Singkatan

5CB:: 4′-(n-pentyl)-4-cyanobiphenyl
E7:: Campuran cair kristal
F1:: Sel LC hibrid, terdiri dari bagian datar piringan Si 1/5CB/piringan kaca yang dilapisi ITO
F2:: Sel LC hibrid, terdiri dari bagian datar piringan Si 2/5CB/piringan kaca yang dilapisi ITO
ITO:: Lapisan konduktif indium-tin-oksida
LC:: Cair kristal
M1:: Sel LC hibrid, terdiri dari bagian terstruktur mikro piringan Si 1/5CB/piringan kaca yang dilapisi ITO
M2:: Sel LC hibrid, terdiri dari bagian terstruktur mikro piringan Si 2/5CB/piringan kaca yang dilapisi ITO
M3:: Sel LC hibrid, terdiri dari bagian terstruktur mikro piringan Si 3/5CB/piringan kaca yang dilapisi ITO
M4:: Sel LC hibrid, terdiri dari bagian terstruktur mikro piringan Si 4/E7/piringan kaca yang dilapisi ITO
Si:: Silikon

Meningkatkan Efisiensi Fotovoltaik dengan Mendeteksi Eksiton yang Terlokalisasi Spasial dalam Superlattice Titik Kuantum InAs/InGaAs yang Terorganisasi Sendiri Superkapasitor Linier Merekah dan Fleksibel dengan Performa Tingkat Tinggi

bahan nano