Ciekłokrystaliczne przyrządy do manipulacji światłem mogą dotrzeć wysoko

Udało się to pracującej w Polsce hiszpańskiej inżynier materiałowej i chemiczce Evie Otón i zespołom naukowym Wojskowej Akademii Technicznej.

Nowe rodziny urządzeń fotonicznych opierają się na materiałach samoorganizujących się, czyli takich, których cząsteczki mogą łączyć się ze sobą jak klocki Lego i tworzyć złożone struktury funkcjonalne. Dobrym przykładem samoorganizujących się materiałów są ciekłe kryształy. Ich właściwości optyczne można modulować bodźcami zewnętrznymi. Dzięki temu są doskonałymi kandydatami do zastosowania w urządzeniach fotonicznych. Takie urządzenia są obecne w życiu codziennym - od ekranów telewizyjnych, poprzez hologramy, telefony, wyświetlacze komputerowe i światłowody. W ekranach telewizorów, gdy napięcie jest włączone, cząsteczki ciekłego kryształu zmieniają swoją orientację, wpływając na stan polaryzacji światła tak, że światło podświetlenia może przechodzić przez całą strukturę, a ekran staje się jasny. Gdy napięcie jest wyłączone, ciekły kryształ powraca do początkowej konfiguracji, a ekran staje się ciemny. Jest to podstawowa zasada działania pojedynczego piksela.

Wiedzę o takich materiałach i ich potencjale aplikacyjnym rozwija hiszpańska naukowiec dr Eva Otón, która na realizację swoich badań w polskim ośrodku naukowym otrzymała połączone finansowanie z Komisji Europejskiej i NCN w ramach projektu „Maria Skłodowska-Curie” POLONEZ. Chemik i inżynier materiałowy współpracuje w tym zakresie z naukowcami z Wydziału Chemii i Nowych Technologii WAT.

OD NAUKOWEJ CIEKAWOSTKI DO ZASTOSOWAŃ

W projekcie prowadzonym przez dr Evę Otón wraz z zespołem naukowym Zakładu Fizyki i Technologii Kryształów kluczowa była stabilizacja struktury, tzw. fazy błękitnej ciekłego kryształu. Fazy błękitne mogą samodzielnie układać się w skomplikowane struktury przestrzenne, przypominające kryształy kubiczne.

Wcześniejsze badania pokazywały, że bloki fazy niebieskiej, owe „klocki Lego”, tworzą jednorodne struktury o rozmiarze rzędu pojedynczych mikrometrów i na dodatek jedynie w niewielkim, rzędu pojedynczych stopni, przedziale temperatur. Czyniło to fazę błękitną raczej ciekawostką naukową.

Dr Eva Oton opracowała unikalna metodę wytwarzania doskonale zorganizowanych, makroskopowych struktur fazy błękitnej, mających tym razem znaczny potencjał aplikacyjny.

Badaczka podkreśla, że to osiągnięcie całkowicie przekroczyło oczekiwania zespołu, ponieważ materiały te nie były stabilne poza małymi zakresami temperatur. Wytworzony w WAT „monokryształ” fazy błękitnej, można uznać za kryształ fotoniczny. Takie struktury mają niezwykłe właściwości optyczne.

CIEKŁOKRYSTALICZNE MODULATORY ŚWIATŁA

Kolejnym etapem badań było stworzenie urządzeń fotonicznych do sterowania kierunkiem biegu wiązki laserowej. Są one zdolne do odchylnia wiązki światła w jednej płaszczyźnie. Naukowcy wytworzyli trzy rodzaje takich urządzeń: siatkę dyfrakcyjną, pryzmat i pryzmat dyfrakcyjny.

Siatka dyfrakcyjna z funkcjonalną strukturą ciekłokrystaliczną może odchylać na żądanie promienie laserowe pod ustalonym kątem. Pryzmat pozwala generować odchylenie kątowe wiązki laserowej zmiennym kątem, lecz w ograniczonym zakresie kątowym. Pryzmat dyfrakcyjny łączy obie funkcje optyczne. Stało się to możiwe dzięki opracowaniu nowatorskiej konfiguracji wielowarstwowej matrycy elektrodowej w urządzeniu ciekłokrystalicznym. Pryzmat dyfrakcyjny skutecznie odchyla wiązkę światła o duży, ustalony kąt, a następnie precyzyjnie dostraja wiązkę w małych zakresach kątowych. Dzięki sterowaniu wiązką laserową można zastosować kilka funkcji optycznych w jednym urządzeniu.

„Przestrajalność takich urządzeń nie wymaga ruchomych części, co jest koniecznym przy zastosowaniach w technologiach lotniczych i kosmicznych. Nieruchome elementy optyczne mają przewagę nad mechanicznymi, szczególnie podczas startu lub lądowania, gdy działają duże siły wywołane znacznymi przyspieszeniami” - tłumaczy dr Eva Otón w wypowiedzi dla Narodowego Centrum Nauki.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ zan/