Faza błękitna – element nowoczesnej technologii optycznej

Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej i Politechniki Warszawskiej opracowali metodę stabilizacji monokrystalicznych struktur ciekłokrystalicznych fazy niebieskiej (ang. Blue Phase – BP), które łączą w sobie płynność cieczy z niezwykle uporządkowaną, trójwymiarową strukturą kryształu fotonicznego. Badania polegające na eliminacji problemów związanych z rozpraszaniem światła i brakiem jednorodności otwierają drogę do produkcji ultraszybkich i wydajnych urządzeń optycznych nowej generacji.

Tajemnica podwójnego skręcenia

Aby lepiej zrozumieć wyjątkowość fazy błękitnej należy zajrzeć do wnętrza jej struktury molekularnej. W typowych ciekłych kryształach cząsteczki układają się w sposób uporządkowany, ale ich orientacja zmienia się zazwyczaj wzdłuż jednej osi. W fazie błękitnej dochodzi do zjawiska podwójnego skręcenia (ang. double-twist). Cząsteczki skręcają się jednocześnie w dwóch prostopadłych kierunkach, tworząc specyficzne cylindry.

Nie są one jednak w stanie idealnie wypełnić przestrzeni, co prowadzi do tworzenia się regularnej sieci defektów, zwanych liniami dysklinacji. W rezultacie powstaje trójwymiarowa sieć o symetrii kubicznej – w tym przypadku jest to struktura typu BPI (ang. body-centered cubic). Taka architektura sprawia, że materiał zachowuje się jak kryształ fotoniczny, selektywnie odbijając światło o konkretnej długości fali.

Koniec z optycznym chaosem

„Przez lata główną barierą w komercjalizacji fazy błękitnej była jej tendencja do tworzenia struktur polikrystalicznych. Zamiast jednego, idealnego kryształu, materiał zazwyczaj przypominał mozaikę drobnych, losowo zorientowanych domen, tak zwanych platelet domains, które rozpraszały światło i drastycznie pogarszały parametry optyczne urządzeń. Udało nam się poradzić z tym wyzwaniem poprzez zastosowanie zaawansowanych technik projektowania materiałów i kontroli kotwiczenia powierzchniowego. Dzięki precyzyjnemu dobraniu domieszek chiralnych oraz odpowiedniej obróbce powierzchni szklanych komórek wyhodowaliśmy monokryształy o rozmiarach milimetrowych, które charakteryzują się jednolitą orientacją sieci krystalicznej na całej powierzchni próbki” – wyjaśnia dr hab. inż. Eva Oton, prof. WAT  z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.

Aby zapewnić trwałość tych struktur, naukowcy zastosowali stabilizację polimerową – do mieszanki dodali monomery, które po naświetleniu promieniami UV utworzyły szkielet polimerowy wzdłuż linii dysklinacji, „blokując” tym samym strukturę kryształu. Dzięki temu materiał stał się odporny na zmiany temperatury w zakresie od 0 do 55 °C.

Niewidzialny kolor i niezależna izotropia

Choć nazwa „faza błękitna” sugeruje intensywne barwy – wynikające z odbicia światła widzialnego – badacze celowo tak zaprojektowali parametry sieci krystalicznej, aby tzw. pasmo wzbronione znajdowało się poza zakresem widzialnym, w podczerwieni. Materiał stał się tym samym całkowicie przezroczysty dla ludzkiego oka, eliminując niepożądane zabarwienie strukturalne, które często ograniczało użyteczność fazy błękitnej w przezroczystych systemach optycznych.

„Kluczową zaletą wynikającą z symetrii kubicznej monokryształów BP jest ich izotropia optyczna. W przeciwieństwie do tradycyjnych ciekłych kryształów tak zwanych nematyków, które wymagają precyzyjnego ustawienia polaryzacji światła, faza błękitna oddziałuje ze światłem w sposób niezależny od polaryzacji. Oznacza to, że światło wpadające do urządzenia – niezależnie od tego, czy jest spolaryzowane liniowo, kołowo, czy jest całkowicie niespolaryzowane – doświadcza takiej samej modulacji. To ogromne uproszczenie konstrukcyjne, które eliminuje potrzebę stosowania kosztownych filtrów polaryzacyjnych i skomplikowanych układów wyrównujących” – dodaje  mgr inż. Tomasz Jankowski.

Szybkość, która zmienia wszystko

Największym atutem nowej technologii jest jednak szybkość działania. Tradycyjne modulatory ciekłokrystaliczne reagują w czasie mierzonym w milisekundach, co bywa ograniczeniem w nowoczesnych systemach wizyjnych. Monokryształy fazy błękitnej operują w reżimie sub-milisekundowym. Badania wykazały, że czas narastania sygnału wynosi mniej niż 90 mikrosekund. Jest to o rząd wielkości szybciej niż w przypadku konwencjonalnych technologii LC.

Wykorzystując interferometr Macha-Zehndera, naukowcy udowodnili, że ich urządzenie pozwala na skuteczną modulację fazy światła. W komórkach o grubości zaledwie 5 mikrometrów osiągnięto przesunięcie fazowe rzędu 1,6 radiana przy stosunkowo niskich napięciach sterujących. Na podstawie tych wyników badacze przewidują, że zwiększenie grubości komórki do 10 mikrometrów pozwoli na uzyskanie pełnej modulacji o wartości π radianów, co jest idealnym rozwiązaniem dla wielu zastosowań fotonicznych.

Przyszłość w okularach i laserach

Gdzie monokryształy BP znajdą zastosowanie? Potencjał wykorzystania jest ogromny. Dzięki połączeniu przezroczystości, niezależności od polaryzacji i ekstremalnej szybkości, technologia ta idealnie nadaje się do systemów rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości, takiej jak AR/VR, w której liczy się każdy mikrometr przestrzeni i każda mikrosekunda czasu reakcji.

Inne obszary to optyka adaptacyjna, pozwalająca na korygowanie wad wzroku w czasie rzeczywistym, sterowanie wiązką lasera bez użycia ruchomych części mechanicznych oraz dynamiczna holografia. Sukces badaczy z WAT to dowód na to, że monokrystaliczna faza błękitna staje się solidną platformą dla technologii jutra.

Badania nad monokryształami BP dr hab. inż. Eva Oton, prof. WAT i mgr inż. Tomasz Jankowski prowadzili wspólnie z: dr. hab. Noureddinem Bennisem, prof. WAT, dr. inż. Przemysławem Morawiakiem, dr. hab. inż. Wiktorem Pieckiem, prof. WAT oraz dr inż. Anną Pakułą z Politechniki Warszawskiej.

---