Жидкокристаллические устройства: замена механических решений в управлении светом

30.04.2026

Для управления светом в оптических схемах требуется целый ряд устройств. Например, для настройки поляризации света применяют фазовые пластинки, для перекрытия светового пучка – затворы или чопперы, а для переключения длины волны необходим набор светофильтров.

Как правило, использование механических компонентов усложняет оптическую схему, требуя дополнительных юстировочных узлов и механического переключения. Это не только снижает эффективность, но и делает процесс настройки уязвимым к вибрациям и смещениям оптической оси.

Жидкокристаллические (ЖК) устройства предлагают иной подход. Благодаря отсутствию подвижных частей и управлению посредством электрического поля ЖК-ячейки обеспечивают бесконтактную и высокостабильную регулировку параметров света. Такой метод гарантирует высокую точность, воспроизводимость результатов и долговечность оптической системы.

Каталог жидкокристаллических устройств LBTEK >>>

Жидкокристаллическая ячейка — основа ЖК-устройств

• Стеклянные подложки с ITO-покрытием (электродами).
• Ориентирующие слои.
• Слой нематических жидких кристаллов.

Рисунок 1. Структура жидкокристаллической ячейки

Ориентирующий слой находится в непосредственном контакте с жидкими кристаллами. С помощью технологии механического натирания или фотоориентации на его поверхности формируются микроскопические канавки, которые заставляют молекулы жидких кристаллов выстраиваться вдоль заданного направления.

Нематические жидкие кристаллы — это состояние вещества, при котором длинные оси молекул в среднем ориентированы параллельно друг другу, однако центры масс молекул не упорядочены. Благодаря этому они обладают одновременно текучестью жидкости и анизотропией кристалла.

Ключевая особенность нематических жидких кристаллов – высокая чувствительность к электрическому полю. Подача напряжения вызывает поворот молекул за счёт диэлектрической анизотропии, что приводит к изменению оптических свойств среды. Этот эффект позволяет реализовывать быстрые и обратимые оптические модуляции при низком управляющем напряжении, в связи с чем такие материалы широко используются в жидкокристаллических дисплеях и модуляторах света.

Фазовые жидкокристаллические пластинки

Фазовые ЖК-пластинки – это оптические устройства, которые позволяют управлять фазой проходящего света. Обычно они основаны на ЖК-ячейках, заполненных нематическими жидкими кристаллами.

 
Рисунок 2. Конструкция фазовой ЖК-пластинки

Принцип работы фазовых ЖК-пластинок

• В отсутствие внешнего напряжения молекулы жидких кристаллов выстраиваются вдоль направления механического натирания ориентирующего слоя.
• При подаче переменного напряжения через проводящий ITO-слой молекулы жидких кристаллов начинают переориентироваться под действием электрического поля. В результате возникает фазовая задержка между ортогональными компонентами поляризованного света, проходящего через слой жидкого кристалла.

Рисунок 3. Принцип регулировки фазовой задержки в ЖК-пластинке

Фазовая задержка и компенсация остаточной фазовой задержки

Величина фазовой задержки зависит от параметров жидкокристаллического материала, толщины ЖК-ячейки и длины волны. 

Поскольку молекулы жидкого кристалла вблизи подложек сильно закреплены за счёт ориентирующего слоя и практически не отклоняются под действием электрического поля, сохраняется остаточная фазовая задержка порядка нескольких десятков нанометров. Для устранения этого эффекта используется компенсационная пластина, быстрая ось которой ориентирована перпендикулярно быстрой оси жидкокристаллической ячейки.

Фазовая ЖК-пластинка в качестве модулятора поляризации и фазы

Фазовая жидкокристаллическая пластинка может работать как модулятор поляризации или фазовый модулятор в зависимости от ориентации поляризации входного излучения относительно быстрой оси устройства.

• Модулятор поляризации. При падении линейно поляризованного света под углом 45° к быстрой оси ЖК-пластинки обеспечивается максимально широкий диапазон регулировки состояния поляризации. В этом режиме устройство эффективно преобразует состояние поляризации выходного излучения.
• Фазовый модулятор. При совпадении направления поляризации входного линейно поляризованного света с быстрой осью (0°) происходит изменение только фазы волны без изменения её поляризации.

Рисунок 4.  Фазовая ЖК-пластинка в роли поляризационного модулятора

Требуется время для переориентации молекул жидких кристаллов. Это время называется временем отклика. Оно зависит от вязкости ЖК-материала, температуры окружающей среды и величины приложенного напряжения. В задачах с высокочастотной модуляцией этот параметр существенно влияет на производительность устройства.

Фазовые ЖК-пластинки от LBTEK В каталоге представлены две серии фазовых ЖК-пластинок для работы в диапазоне длин волн от 400 до 1700 нм. Серия LCVR. Доступны модели с компенсацией остаточной фазовой задержки и без неё. Диапазон регулировки фазовой задержки составляет от нескольких нанометров до λ/2 (для моделей без компенсации) и от 0 до λ/2 (для моделей с компенсацией). Серия QLCVR. Включает модели без компенсации, характеризующиеся высокой скоростью отклика и возможностью регулировки фазовой задержки до λ/2, λ или 5,5λ.

Жидкокристаллические вращатели плоскости поляризации

Жидкокристаллические вращатели плоскости поляризации – это оптические устройства, предназначенные для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света. Они представляют собой комбинацию фазовой ЖК-пластинки и четвертьволновой пластинки нулевого порядка, размещённых в едином корпусе с электрическим управлением. Регулируя напряжение, можно обеспечить непрерывное вращение плоскости поляризации входящего линейно поляризованного света.

Рисунок 5. Конструкция ЖК вращателя плоскости поляризации

Принцип работы ЖК вращателей поляризации

Рисунок 6. Принцип работы ЖК-вращателя плоскости поляризации

Используя калибровочную кривую «напряжение — угол поворота» из протокола испытаний, можно гибко регулировать внешнее переменное напряжение для получения требуемого угла поворота плоскости поляризации выходящего линейно поляризованного света.

Рисунок 7. Зависимость угла поворота поляризации от напряжения

ЖК вращатель плоскости поляризации LCPR от LBTEK Рабочая длина волны: 635 нм. Угол вращения плоскости поляризации: >180°. Высокий коэффициент экстинкции: >1000:1.

Жидкокристаллический оптический затвор

ЖК оптический затвор – это электрооптическое устройство, предназначенное для управления пропусканием света. Он выполнен на основе ЖК-ячейки TN-типа с углом закручивания 90° и двух скрещенных тонкоплёночных линейных поляризаторов.

Принцип работы ЖК оптического затвора

• В отсутствие напряжения под действием ориентирующего слоя оси молекул жидких кристаллов непрерывно поворачиваются на 90° от верхней поверхности к нижней, образуя твист-структуру. Когда свет проходит через такую ячейку, плоскость поляризации поворачивается на 90°, что позволяет ему беспрепятственно пройти через скрещенный выходной поляризатор. Оптический затвор находится в состоянии «Открыто».
• Подача напряжения 15 В вызывает выравнивание молекул жидких кристаллов под действием электрического поля, в результате чего твист-структура разрушается. В этом случае вращение поляризации не происходит, и свет блокируется выходным поляризатором, что соответствует режиму «Закрыто».

Рисунок 9. Принцип работы ЖК оптического затвора, слева состояние «Открыто» (0 В), справа состояние «Закрыто» (15 В)

ЖК оптический затвор в качестве аттенюатора

ЖК оптический затвор также может использоваться как оптический аттенюатор. Непрерывное изменение управляющего напряжения в диапазоне 0–15 В приводит к постепенному изменению ориентации молекул жидкого кристалла, вследствие чего плоскость поляризации падающего света плавно поворачивается от 90 до 0°. В сочетании с двумя скрещенными поляризаторами на входе и выходе это позволяет получать различную степень ослабления света при подаче промежуточных значений напряжения.

ЖК оптический затвор LCOS от LBTEK Диапазон длин волн: 400 - 700 нм. Контрастность: >5000:1. Время отклика: <5 мс. Примечание: Контрастность ЖК-оптического затвора определяется как отношение максимальной интенсивности света при напряжении 0 В к минимальной интенсивности света при напряжении 15 В.

Жидкокристаллическая дифракционная решётка

Конструкция активной ЖК дифракционной решётки схожа со структурой фазовой ЖК-пластинки. Отличие заключается в том, что ориентация быстрой оси молекул жидкого кристалла изменяется периодически. Такая структура работает аналогично поляризационной решётке.

Рисунок 10. ЖК дифракционная решётка

Ключевое преимущество ЖК дифракционной решётки

Поляризационная дифракционная решётка обеспечивает оптимальную полуволновую задержку только для одной фиксированной длины волны. Отклонение от рабочей длины волны приводит к значительному снижению эффективности дифракции.

ЖК-решетка, в свою очередь, способна эффективно работать в широком спектральном диапазоне. Для любой длины волны в рабочем диапазоне можно настроить фазовую задержку на значение λ/2 путём изменения управляющего напряжения. Это значительно упрощает работу с системами, требующими частой смены источников излучения, избавляя от необходимости замены решётки.

Рисунок 11. Зависимость дифракционной эффективности ЖК решётки от напряжения

ЖК дифракционные решётки LCCPG от LBTEK Просветляющее покрытие: 500 - 1700 нм. Толщина: 3 - 12 мкм. Период решётки: 70 - 108 мкм. Дифракционная эффективность: >90%.

Условия эксплуатации и требования к управлению ЖК устройствами

Для обеспечения стабильных характеристик и предотвращения деградации ЖК-устройств необходимо соблюдать рекомендации по управляющему напряжению и температуре.

Нематические жидкие кристаллы обладают высокой температурной чувствительностью. Во время эксплуатации необходимо поддерживать стабильные температурные условия от −20 до +45 °C.

В качестве управляющего сигнала используется только переменное напряжение, поскольку постоянное напряжение может вызывать необратимую поляризацию молекул жидкого кристалла. Как правило, для корректной работы жидкокристаллические устройства оснащаются специализированными контроллерами напряжения.

Контроллер напряжения жидкокристаллических устройств >>>

LBTEK (КНР) — высокотехнологичная компания, специализирующаяся на производстве оптики, оптомеханики и оптического оборудования.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором LBTEK на территории России и ЕАЭС. Для получения коммерческих условий и подробной информации о жидкокристаллических устройствах LBTEK обратитесь к специалистам нашей компании.

Возврат к списку