Оптические свойства жидких, твердых кристаллов и металлов

Содержание

1. Оптические свойства жидких кристаллов………………………………..2
2. Оптические свойства металлов …………………………………………...6
3. Оптические свойства твердых кристаллов……………………………….9
4. Список литературы……………………………………………………….16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Оптические свойства жидких кристаллов

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.

Оптические свойства жидких кристаллов отличаются некоторыми особенностями. Это связано с существованием доменов, внутри которых молекулы упорядочены в большей степени. Жидкие кристаллы обладают очень большим двулучепреломлением ( иногда более 0 3), значительным плеохроизмом. Поскольку в таких кристаллах имеются спиралевидные образования, наблюдается очень сильное брегтовское отражение, приводящее к тому, что пленка жидкого кристалла окрашена. Так как шаг спирали зависит от температуры, цвет пленки из холестерического жидкого кристалла меняется при изменении температуры. 

Важным оптическим свойством жидких кристаллов является дихроизм, проявляющийся в том, что одна компонента поляризованного света поглощается ими сильнее, чем другая. В этом отношении интересно рассмотреть холестерические жидкие кристаллы, разлагающие свет на две составляющие, одна из которых поляризована по часовой стрелке, а другая - против. 

Исследование влияния немезоморфных  растворенных веществ на оптические свойства жидких кристаллов в настоящее время ограничивается нематиками и холестериками. Наиболее интересные результаты были получены при исследовании оптически активных жидкокристаллических растворов немезоморфных соединений, полученных введением хираль-ного немезогена в нематик или оптически неактивного немезогена в холе-стерик. Такие растворы благодаря своим уникальным оптическим свойствам нашли практическое применение, поэтому им будет уделено основное внимание в этом разделе. 

Последние несколько лет стали  очень интенсивно изучаться нелинейные оптические свойства жидких кристаллов ( ЖК) [104], так как специфические свойства ЖК позволяли надеяться получать образцы со значительной нелинейной восприимчивостью. 

Гидрофильные [171] и гидрофобные [170] полимеры растворяют в таком растворителе, который может быть легко удален из пленки после формования, и его  остаточное количество в полимере не оказывает существенного влияния  на оптические свойства жидких кристаллов. 

Оптические свойства жидких кристаллов очень сильно зависят от небольших изменений любых внешних условий. Эта их особенность используется в различных электрооптических устройствах, в устройствах для визуальных наблюдений за температурой в отдельных участках неизотермических систем, в спектроскопии. В частности, жидкие кристаллы используются при изготовлении электронных наручных часов, обеспечивающих точность хода порядка нескольких секунд в год. Устройства для измерения температур с применением жидких кристаллов обеспечивают визуальное обнаружение разностей температур в малых участках среды ( например, на коже человека) в 0 01 - 0 001 град. [6]

Оптические свойства жидких кристаллов очень сильно зависят от небольших изменений любых внешних условий. Эта их особенность используется в различных электрооптических устройствах, в устройствах для визуальных наблюдений за температурой в отдельных участках неизотермических систем, в спектроскопии. В частности, жидкие кристаллы используются при изготовлении электронных наручных часов, обеспечивающих точность - хода порядка нескольких секунд в год. Устройства для измерения температур с применением жидких кристаллов обеспечивают визуальное обнаружение разностей температур в малых участках среды ( например, на коже человека) в 0 01 - 0 001 град. 

Жидкокристаллическая фаза может  быть легко обнаружена. Она характеризуется  двойным лучепреломлением и обладает оптическими свойствами холестеричеокого жидкого кристалла. Фактически именно это резкое изменение свойств раствора привело к заключению о существовании лио-тропного жидкокристаллического состояния в полипептидах. 

Жидкокристаллическая фаза может  быть легко обнаружена. Она характеризуется  двойным лучепреломлением и обладает оптическими свойствами холестеричеекого жидкого кристалла. Наблюдается также заметное изменение вязкости при переходе изотропного раствора в жидкокристаллический. Фактически именно это резкое изменение свойств раствора привело к заключению о существовании лиотропного жидкокристаллического состояния в полипептидах. 

В жидких кристаллах наблюдается много  электрооптических эффектов. Большинство  из них состоит в том, чтооптические свойства жидких кристаллов изменяются в присутствии внешнего электрического поля. У молекул жидких кристаллов была обнаружена тенденция поворачиваться таким образом, чтобы максимум диэлектрической проницаемости имел место в направлении внешнего электрического поля. Поскольку сам жидкий кристалл весьма анизотропен, любое изменение в его структуре легко обнаружить оптическими средствами. В жидком кристалле постоянная времени переориентации молекул имеет величину порядка 10 - 3 с и зависит от вязкости.

В жидкокристаллических индикаторах ( ЖКИ) используются особенности ряда органических веществ, обладающих механическими  свойствами жидкости и одновременно кристаллической молекулярной структурой. При воздействии электрического поля изменяется ориентация молекул, и, вследствие этого -оптические свойства жидкого кристалла. В отличие от других индикаторов, ЖКИ не излучают свет, а только управляют световым потоком.

В то же время для современной  техники приобрели важное значение и другие свойства диэлектриков, позволяющие  использовать их для преобразования энергии и в информационной технике. Пьезоэлектрики, преобразующие механическую энергию в электрическую и  обратно, находят применение в пьезотрансформа-торах, пьезодвигателях, пьезофильтрах, пьезогенераторах, излучателях ультразвука и в  других устройствах. Необычно малые  энергозатраты на управление оптическими свойствами жидких кристаллов обеспечивают их массовое применение в плоских экранах и табло для отображения информации, в тепловизорах и в ряде устройств управления световыми пучками. Сильные постоянные электрические поля, создаваемые электретами, нелинейные диэлектрические свойства ряда кристаллов и текстур позволяют широко использовать активные диэлектрики этого типа для модуляции, детектирования, сканирования, усиления, регистрации, запоминания, отображения и других видов преобразования электрических и оптических сигналов, несущих информацию. Поэтому современная физика и техника диэлектриков должна описывать и оценивать свойства диэлектриков не только с точки зрения их электроизоляционных характеристик, но и учитывать возможности преобразования ими электрических, оптических, механических и тепловых воздействий. 

Такая промежуточная структура  называется жидким нема-тическим кристаллом. Очевидно, есть много теоретически возможных состояний, промежуточных  с геометрической точки зрения между  твердым телом и жидкостью. Данные о них и о замечательных оптических свойствах жидких кристаллов можно найти в других книгах. 

Рисунок I. Увеличенное изображение жидкого кристалла

 

2. Оптические свойства металлов

 

Взаимодействие оптического  излучения с твердым телом  описывается тремя процессами: отражением, поглощением и пропусканием света. Если обозначить I₀ как интенсивность падающего света, I_T, I_A, I_R как интенсивность прошедшего, поглощенного и отраженного света, то можно записать 

При этом коэффициенты пропускания T, поглощения А и отражения R в сумме равняются единице:

.

Металлы являются непрозрачными  в видимом диапазоне света. Это  обусловлено тем, что при взаимодействии с квантом света электроны  в зоне проводимости всегда могут  перейти в возбужденное состояние, поскольку все состояния выше уровня Ферми свободны. Вследствие высокой концентрации свободных  электронов поглощение света в металлах проходит в тонком приповерхностном слое, составляющем доли микрона. Поэтому  только тонкие металлические пленки толщиной сотни ангстрем будут полупрозрачны  в видимом диапазоне. Что касается высокоэнергетического рентгеновского диапазона, то  в этом диапазоне металлы более прозрачны для электромагнитного излучения по сравнению с оптическим диапазоном.

Оптические свойства неметаллов – полупроводников и диэлектриков - характеризуются  сложными  зависимостями. Коэффициент преломления   определяется отношением скорости света в вакууме   к скорости света   в среде. Величина скорости света, в свою очередь, определяется диэлектрической проницаемостью   и магнитной восприимчивостью . Поэтому коэффициент преломления будет равен

.

Коэффициент поглощения А определяется структурой энергетических зон и наличием примесей. На рис. 2. приведены типичные зависимости коэффициента поглощения для кремния, германия и арсенида галлия [13, 82]. 

 

Рис. 2. Коэффициенты поглощения вблизи и выше края фундаментального поглощения для высокочистых монокристаллов кремния, германия и арсенида галлия [13, 82]

 

 

Коэффициент пропускания T для неметаллических сред будет определяться коэффициентом отражения и коэффициентом поглощения. Для видимого диапазона коэффициент отражения слабо зависит от длины волны, и спектральная зависимость коэффициента пропускания в основном определяется коэффициентом поглощения. На рис. 3. в качестве примера показана спектральная зависимость  коэффициента пропускания для двуокиси кремния, содержащего 1 %  оксида кобальта.

 

Рис. 3. Зависимость коэффициента пропускания для двуокиси кремния,  содержащего 1 %  оксида кобальта [98]

 

 

Здесь же остановимся только на такой оптической характеристике, связанной с поглощением, как  цвет. Прозрачные материалы представляются окрашенными вследствие селективного поглощения в видимом диапазоне  оптического излучения, и цвет появляется как результат комбинации тех  длин волн, которые прошли через  этот материал. На рис. 4. в качестве примера показана спектральная зависимость  коэффициента пропускания в видимом  диапазоне для сапфира и рубина.  

 

Рис. 4. Зависимость коэффициента пропускания сапфира и рубина [99]

 

 

Сапфир относится к  диэлектрикам, представляет  из себя монокристалл оксида алюминия Al₂O₃ высокой частоты и является бесцветным, поскольку его коэффициент пропускания в видимом диапазоне не зависит от длины волны. Рубин представляет из себя монокристалл оксида алюминия Al₂O_3, в котором находится около 1 % оксида хрома Cr₂O₃. Ионы хрома  в рубине замещают ионы алюминия в кристаллической структуре и создают примесные уровни в середине запрещенной зоны Al₂O₃. Переход электронов из валентной зоны на эти состояния обуславливает две сильные полосы поглощения, одна в голубой области около 0,4 мкм, другая в желтой области около 0,6 мкм, как видно из рис. 4.  Непоглощенные части оптического излучения видимого спектрального диапазона смешиваются и обуславливают насыщенный красный цвет рубина.

 

3. Оптические свойства твердых кристаллов

Изучение особенностей распространения  света в кристаллах является предметом кристаллооптики. В изотропных средах при нормальных условиях скорость распространения света одинакова по всем направлениям.

Следовательно, такие среды  характеризуются лишь одним показателем 

преломления. Если величины показателей преломления откладывать  в известном масштабе в направлениях распространения световой волны, то полученная поверхность будет представлять собой сферу. К изотропным средам относятся жидкости, стекла и кристаллы, обладающие так называемой кубической симметрией.

В оптически анизотропных средах, к которым относятся все  остальные 

кристаллы, скорость распространения  света зависит от направления  и  состояния поляризации света. И по любому направлению в кристалле, в общем случае, свет распространяется с двумя различными скоростями и, следовательно, каждое направление в такой среде характеризуется двумя показателями преломления.