Raziskovalni projekt (so)financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS.
Članica UL: Fakulteta za matematiko in fiziko
Šifra projekta: N1-0195
Naziv projekta: Metode in materiali za fotourejene matrike za kiralne tekočekristalne leče in fotonske komponente
Obdobje: 1. 1. 2021 - 31. 12. 2024
Letni obseg: 1,35 FTE cenovna kategorija: A
Vodja: Miha Ravnik
Veda: Naravoslovje
Sodelujoče RO, sestava projektne skupine, bibliografske reference
Vsebinski opis projekta:
Tekoči kristali so mehki materiali, ki so sposobni samo-ureditve in ki jih lahko nadzorujemo z ureditvijo na površinah ter z električnim ali optičnim poljem. V tem projektu bomo razvili nove fotonske komponente na osnovi 3D dvolomnih strukturah, realiziranih s foto-urejanjem, s ciljem doseči samo optično krmiljenje svetlobe. Cilj je izdelati difrakcijske leče, valovne vodnike, bistabilne naprave in preučiti foto-urejanje za hitro preklapljanje feroelektričnih faz. Dinamično krmiljenje in optične nelinearnosti v tekoče kristalnih strukturah bomo dosegli z uporabo od valovne dolžine svetlobe manjših, zapletenih vzorcev ureditve na površinah, v kombinaciji z električnimi polji med elektrodami. Projekt vključuje tehnologijo za izdelavo naprav, optične poskuse za testiranje naprav in računalniške simulacije za razumevanje delovanja in izboljšanje zasnove. Leče in valovodi bodo delovali na osnovi anizotropije tridimenzionalnih tekočekristalnih struktur, ki bodo določeni s površinsko določenimi vzorci urejanja poravnave. Bi-stabilne konfiguracije s tekočimi kristali bomo preklapljali med prosojnim stanjem in stanjem, ki sipa svetlobo, kar je posebej relevantno za uporabo v pametnih oknih z majhno porabo energije, saj je ta potrebna le za preklapljanje med stanji. Splošneje je cilj tega projekta, ki vključuje tri partnerje in je kombinacija eksperimentov in modeliranja, razviti nove načine za nadzor toka svetlobe na mikroskopski skali.
Rezultati in dosežki projekta:
REZULTAT 1: Visoko disperzivne tekoče kristalne uklonske rešetke z zvezno spreminjajočo se periodičnostjo
I. Nys*, P. Ropač*, B. Berteloot, M. Ravnik, K. Neyts, Highly Dispersive Liquid Crystal Diffraction Gratings with Continuously Varying Periodicity, sprejeto v objavo v Journal of Molecular Liquids (2023)
Z uporabo dobro zasnovanih vzorcev sidranja v napravi s tekočimi kristali (LC) je mogoče oblikovati nove elektrooptične komponente z izboljšano funkcionalnostjo. Predstavljamo dve vrsti nematskih LC uklonskih rešetk z različno periodičnostjo, izdelanih z vzorčasto fotoporavnavo na omejujočih substratih. S spreminjanjem periodičnosti sidranja površine se lahko vpadna svetloba preusmeri v številne različne uklonske vrstne rede, kar povzroči razpršeni videz rešetke. Eksperimentalni rezultati uklonskih spektrov in intenzitet različnih uklonskih vrst so podprti s simulacijami časovne domene končne razlike (FDTD). Rezultati so posebej namenjeni nastavljivim uklonskim mrežam LC, ki so visoko disperzivne in imajo šibek uklon ničelnega reda. Na splošno je to delo prispevek na področju ploskih optičnih komponent LC z električno nastavljivostjo.
REZULTAT 2: Polarizacijsko vzorčenje v feroelektričnih nematskih tekočinah
N. Sebastián, M. Lovšin, B. Berteloot, N. Osterman, A. Petelin, R. J. Mandle, S. Aya, M. Huang, I. Drevenšek-Olenik, K. Neyts, A. Mertelj, Polarization patterning in ferroelectric nematic liquids, sprejeto v objavo v Nature Communications (2023).
Tukaj pokažemo, da se fotovzorčenje poravnalne plasti lahko uporabi za strukturiranje polarizacijskih vzorcev. Da bi to naredili, izkoristimo fleksoelektrični učinek in oblikujemo razgibane strukture, ki geometrijsko določajo smer polarizacije. Prikazali smo ustvarjanje periodičnih polarizacijskih struktur in možnost vodenja polarizacije z vdelavo raztegnjenih struktur v enotna ozadja. Prikazane zmožnosti polarizacijskega vzorčenja odpirajo obetavno novo pot za načrtovanje fotonskih struktur na osnovi feroelektričnih nematikov in njihovo izkoriščanje.
REZULTAT 3: Numerično modeliranje optičnih načinov v topološki mehki snovi
U. Mur and M. Ravnik, Numerical modeling of optical modes in topological soft matter, Opt. Exp. 30, 14393 (2022).
V tem delu prikazujemo različne optične načine za lasersko sevanje, ki jih omogočajo in stabilizirajo topološke dvolomne strukture mehke snovi z uporabo numeričnega modeliranja. Prikazujemo raznoliko strukturiranje svetlobe – z različnimi 3D intenzivnostmi in polarizacijskimi profili – kot jih realizirajo topološke strukture mehke snovi v radialnih nematskih kapljicah, v 2D nematskih votlinah različne geometrije in vključno s topološkimi napakami z različnimi naboji in številom navitij, v poljubno različnih dvolomnih poljih s topološkimi defekti in v pikseliziranih dvolomnih profilih. Za izračun nastalih lastnih elektromagnetnih modusov uporabljamo kodo FDFD po meri. Nadzor nad laserskim žarkom je še posebej zanimiv za ustvarjanje splošne intenzitete, polarizacije in topološko oblikovanih laserskih žarkov.
REZULTAT 4: Aktivno zavračanje-izboljšanje spektralno nastavljivih tekočekristalnih geometrijskih faznih vrtinčnih koronagrafov
N. Kravets, U. Mur, M. Ravnik, S. Zumer, and E. Brasselet, Active rejection-enhancement of spectrally tunable liquid crystal geometric phase vortex coronagraphs, Appl. Phys. Lett. 121, 241104 (2022)
Tukaj poročamo o tem, kako je mogoče uporabiti notranje nastavljive lastnosti topoloških defektov tekočih kristalov, ki jih sami ustvarimo, za izboljšanje zmožnosti zavrnitve spektralno nastavljivih vektorskih vrtinčnih koronagrafov. Razpravljamo tudi o tem, v kolikšni meri trenutni modeli omogočajo načrtovanje učinkovitih naprav. Enostavnost in spodobna zmogljivost našega pristopa nudita astronomski skupnosti novo možnost za uporabo vrtinčne koronografije.
REZULTAT 5: Nadzorovano premikanje, krmiljenje in širjenje svetlobnega žarka na osnovi večslojnih tekočekristalnih celic
U. Mur, M. Ravnik and D. Sec, Controllable shifting, steering, and expanding of light beam based on multi-layer liquid-crystal cells, Sci. Rep. 12, 352 (2022)
Tukaj prikazujemo nastavljivo kontrolo svetlobnega žarka na podlagi večplastnih tekočekristalnih celic in zunanjega električnega polja, zmožnega razširjenega premikanja žarka, usmerjanja in širjenja, z uporabo kombinacije teorije in popolnega numeričnega modeliranja, tako za usmeritve tekočih kristalov kot prepustna svetloba. Natančneje, z izkoriščanjem treh različnih funkcijsko specifičnih in nastavljivih dvolomnih nematskih plasti prikazujemo učinkovito napravo za nadzor snopa tekočih kristalov, ki je sposobna natančnega nadzora širjenja izhodne svetlobe, z možno uporabo v projektorjih ali avtomobilskih žarometih.
