ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 1
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.1.8
УДК 535.13: 535.326: 535.36: 621.37
Компьютерное моделирование влияния импульсно-периодического электрического поля на двумерную ориентацию нематического жидкого кристалла. Экспериментальное исследование многомодовых нематических жидкокристаллических волноводов
А. С. Айриян1,2, Э. А. Айрян1,3, А. А. Егоров4,5
1 Объединенный институт ядерных исследований, 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, 6
2 Национальная научная лаборатория им. А.И. Алиханяна, 0036, Ереван, ул. Братьев Алиханян, д. 2
3 Государственный университет «Дубна», 141982, Московская обл., г. Дубна, ул. Университетская, д. 19
4 Московское НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, 101000, Москва, Сретенский б-р, д. 2
5 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, д. 38
Статья поступила в редакцию 28 декабря 2020 г.
Аннотация. В настоящей работе численно исследовано двумерное дифференциальное уравнение, описывающее движение директора нематического жидкого кристалла для случая переменного внешнего электрического поля. Численным моделированием подтверждено наличие обнаруженного ранее эффекта накопления. Проведено сравнение со случаем постоянного электрического поля, а также дано качественное сравнение с экспериментом. Неполное соответствие экспериментальным данным указывает на необходимость дальнейших исследований. Однако следует отметить, что построенная математическая модель явления позволяет на данном этапе получать достаточно приемлемые для эксперимента оценки и правильно предсказывать динамику процессов в жидких кристаллах. Анализ особенностей распространения квази-волноводных мод в жидкокристаллическом волноводе показал, что в случае динамических процессов могут наблюдаться такие эффекты, как обмен мощностью между связанными модами, вытекание мод, переизлучение мод в моды другого порядка и др. Программы для численного решения и компьютерного моделирования двумерного параболического дифференциального уравнения в частных производных были разработаны как на ФОРТРАНЕ, так и на C/C++. Полученные результаты важны для дальнейшего исследования динамических процессов внутри нестационарных жидкокристаллических слоев, как с теоретической точки зрения для понимания кинетических процессов в жидких кристаллах, так и с практической, – при организации и проведении экспериментальных исследований.
Ключевые слова: жидкий кристалл, директор, 2D флуктуации, нерегулярности, краевая задача, оптофлюидика, волновод, лазерное излучение, численное моделирование.
Abstract. In this paper, we numerically investigate a two-dimensional differential equation describing the motion of a director of a nematic liquid crystal for the case of an alternating external electric field. The presence of the previously discovered accumulation effect has been confirmed by numerical modeling. A comparison is made with the case of a constant electric field, and also a qualitative comparison with an experiment is given. Incomplete agreement with experimental data indicates the need for further research. However, it should be noted that the constructed mathematical model of the phenomenon allows at this stage to obtain estimates that are sufficiently acceptable for experiment and correctly predict the dynamics of processes in liquid crystals. An analysis of the features of the propagation of quasi-waveguide modes in a liquid crystal waveguide showed that, in the case of dynamic processes, such effects as power exchange between coupled modes, leakage of modes, re-emission of modes into modes of a different order, etc., can be observed. The programs for numerical solution and computer modeling of two-dimensional parabolic partial differential equation were developed both in FORTRAN and C/C++. The results obtained are important for further investigation of dynamic processes inside non-stationary liquid crystal layers, both from a theoretical point of view for understanding kinetic processes in liquid crystals and from a practical point of view when organizing and conducting different experimental research.
Keywords: liquid crystal, director, 2D fluctuations, irregularities, boundary-value problem, optofluidics, waveguide, laser radiation, numerical simulation.
Литература
1. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. Москва, Наука. 1978. 384 с.
2. Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. NY. Springer. 1994. 464 p.
3. Pasini P., Zannoni C., Zumer S. Computer simulations of liquid crystals and polymers. NY. Taylor & Francis. 2004. 364 p.
4. Stewart W. The static and dynamic continuum theory of liquid crystals. London. Kluwer. 2005. 360 p.
5. Khoo I.C. Liquid Crystals. 2nd Edition. NY. Wiley. 2007. 368 p.
6. Pasechnik S.V., Chigrinov V.G., Shmeliova D.V. Liquid Crystals: Viscous and Elastic Properties in Theory and Applications. NY. Wiley. 2009. 424 p.
7. Srajer G., Fraden S., Meyer R.B. Field-induced nonequilibrium periodic structures in nematic liquid crystals: Nonlinear study of the twist Frederiks transition. Phys. Rev. A. 1989. Vol.39. No.9. P.4828-4835.
8. Sugimura A., Matsui N., Takahashi Y., Sonomura H., Naito H., Okuda M. Transient currents in nematic liquid crystals. Phys. Rev. B. 1991. Vol.43. No.10. P.8272-8276.
9. Barbero G., Evangelista L.R., Ponti S. Subsurface deformations in nematic liquid crystals. Phys. Rev. E. 1996. Vol.53. No.1. P.1265-1268.
10. Bogi A., Faetti S. Elastic, dielectric and optical constants of 4'-pentyl-4-cyanobiphenyl. Liquid Crystal. 2001. Vol.28. No.5. P.729-739.
11. Алавердян Р.Б., Асланян А.Л., Асланян Л.С., Геворгян Г.С., Пахалов В.Б. Временная динамика директора нематических жидких кристаллов в поле последовательности прямоугольных импульсов. Оптика и спектроскопия. 2010. Т.109. №4. P.662-666.
12. Ayriyan A.A., Ayrjan E.A., Egorov A.A., Hadjichristov G.B., Marinov Y.G., Maslyanitsyn I.A., Petrov A.G., Pribis J., Popova L., Shigorin V.D., Strigazzi A., Torgova S.I. Some features of second harmonic generation in the nematic liquid crystal 5CB in the pulsed-periodic electric field. Physics of Wave Phenomena. 2016. Vol.24. No.4. P.259-267.
13. Ayriyan A.A., Ayrjan E.A., Egorov A.A., Dencheva-Zarkova M., Hadjichristov G.B., Marinov Y.G., Maslyanitsyn I.A., Petrov A.G., Popova L., Shigorin V.D., Strigazzi A., Torgova S.I. Modeling of static electric field effect on nematic liquid crystal director orientation in side-electrode cell. EPJ Web of Conferences. 2018. Vol.173. 03002.
14. Lesiuk A.I., Ledney M.F., Tarnavskyy O.S. Orientational instability of nematic liquid crystal in a homeotropic cell with boundary conditions. Liquid Crystals. 2018. 1508769.
15. Айриян А.С., Айрян Е.А., Егоров А.А., Масляницын И.А., Шигорин В.Д. Численное моделирование влияния постоянного электрического поля на ориентацию директора нематического жидкого кристалла. Математическое моделирование. 2018. Т.30. №4. С.97-107.
16. Ayriyan A.A., Ayryan E.A., Dencheva-Zarkova M., Egorov A.A., Hadjichristov G.B., Marinov Y.G., Maslyanitsyn I.A., Petrov A.G., Popova L., Shigorin V.D., Torgova S.I. Simulation of the static electric field effect on the director orientation of nematic liquid crystal in the transition state. Physics of Wave Phenomena. 2019. Vol.27. No.1. P.67-72.
17. Egorov A.A. Study and analysis of light scattering loss in irregular integrated optical waveguides. Physics of Wave Phenomena. 2019. Vol.27. No.3. P.217-228.
18. Egorov A.A., Ayriyan A.S., Ayrjan E.A. Irregular liquid crystal waveguide structures: analysis of quasi-stationary fluctuations, power loss and statistical properties of irregularities. Zhurnal Radioelektroniki [Journal of Radio Electronics]. 2020. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.4.3
19. Beeckman J., Yang T.-H., Nys I., George J.P., Lin T.-H., Neyts K. Multi-electrode tunable liquid crystal lenses with one lithography step. Optics Letters. 2018. Vol.43. No.2. P.271-274.
20. Egorov A.A., Shigorin V.D., Ayriyan A.S., Ayryan E.A. Study of the effect of pulsed-periodic electric field and linearly polarized laser radiation on the properties of liquid-crystal waveguide. Physics of Wave Phenomena. 2018. Vol.26. No.2. P.116-123.
21. Egorov A.A., Sevastyanov L.A., Shigorin V.D., Ayriyan A.A., Ayriyan E.A. Properties of nematic LC planar and smoothly-irregular waveguide structures: research in the experiment and using computer modeling // Computer Optics. 2019. V.43. No.6. P. 976-982.
22. Samarskii A.A. The theory of difference schemes. NY. Marcel Dekker. 2001. 761 p.
23. Yong M. Optics and lasers. Including fibers and optical waveguides. NY. Springer. 2001. 498 p.
24. Liu J.-M. Photonic Devices. Cambridge, Cambridge University Press. 2005. 1106 p.
25. Егоров А.А., Ловецкий К.П., Севастьянов А.Л., Севастьянов Л.А. Интегральная оптика: теория и компьютерное моделирование. Монография. М: Издат. РУДН, 2015. 330 с.
26. Fratalocchi A., Assanto G., Brzdąkiewicz K.A., Karpierz M.A. Discrete light propagation and self-trapping in liquid crystals. Optics Express. 2005. Vol.13. No.6. P.1808-1815.
27. Егоров А.А., Севастьянов Л.А. Структура мод плавно-нерегулярного интегрально-оптического четырехслойного трехмерного волновода. Квантовая электроника. 2009. Т.39. №6. С.566-574.
28. Fratalocchi A., Asquini R., Assanto G. Integrated electro-optic switch in liquid crystals. Optics Express. 2005. Vol.13. No.6. P.32-37.
Для цитирования:
Айриян А.С., Айрян Е.А., Егоров А.А. Компьютерное моделирование влияния импульсно-периодического электрического поля на двумерную ориентацию нематического жидкого кристалла. Экспериментальное исследование многомодовых нематических жидкокристаллических волноводов. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.1.8.