Biestabilidad optica hibrida en estructuras homeotropicas de cristal liquido
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GRUPO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO i if I ^ *n— i 8 I i DEíta®» LA i» W ^ Ri » S EF # # hmm I # e 3 a Reunión - Vigo, Noviembre 1981 T í t u l o : BIESTABILIDAD OPTICA HIBRIDA EN ESTRUCTURAS MOMEOTROPICAS DE CRISTAL LIQUIDO Autor(es): J.A.Martín Pereda, F.J.López Hernández, M.A.Muriel y J.M.Otón. Centro de trabajo: Dpto Electrónica Cuántica, ETS de Ingenieros de Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid. R e s u m e n l En el presente artículo se presentan algunos de ios resultados que pueden obtenerse en el campo de la biestabilidad óptica híbrida, mediante el empleo de cristales líquidos del tipo neíriático cuando adoptan una estructura homeotrópica planar. Los resultados obtenidos son análogos a los conseguidos con otros m a t e r i a l e s ofreciendo la innegable ventaja de su menor costo y su mayor rendimiento energético. I.- INTRODUCCION i C o m o ya es sabido• , la bi e s t a b i l i dad ó p t i c a c o n s t i t u y e en la a c t u a l i d a d uno de los c a m p o s en el que a p a r e c e c e n t r a do el í n t e r e s de las i n v e s t i q a c i o n e s de los q r u p o s de E l e c t r ó n i c a C u a n t i c a de todo el m u n d o . La r a z ó n de e l l o se basa en la p o s i b i l i d a d de un p r o c e s a d o d i r e c t o de una r a d i a c i ó n ó p t i c a y su a p l i c a c i ó n , as 1 , en t e r r e n o s tan d i s p a r e s c o m o el de m e m o r i a s ó p t i c a s o el de l i m i t a c i ó n de r u i d o e n t r e ostros . H a s t a la i n t r o d u c c i ó n de la bies tabi1 i dad ó p t i c a h í b r i d a , la b a s e de t o d o s los d i s p o s i t i v o s u s a d o s era un r e s o n a d o r de Fabr.y-Perot en el cjue se i n t r o d u c í a un m a t e r i a l opti_ co no l i n e a l . V a r i a c i o n e s en la i n t e n s i d a d ó p t i c a ' en su int e r i o r c o n d u c e n a una v a r i a c i ó n en el Í n d i c e de r e f r a c c i ó n del m a t e r i a l y , en c o n s e c u e n c i a , , a una v a r i a c i ó n en su radicación de s a l i d a . La i n t e n s i d a d ó p t i c a r e q u e r i d a e s , en g £ na^'l , b á s t a n t e e l e v a d a y s en c o n s e c u e n c i a , s o l o p u e d e ser e m p l e a d o con r a d i a c i o n e s l á s e r de m u y alta i n t e n s i d a d . Los i n a t e r i a l e s e m p l e a d o s han sido d e s d e v a p o r de s o d i o h a s t a se m t c o n d u c t o r e s c o m o el A s G a , Una d e las e t a p a s f u n d a m e n t a l e s en el d e s a r r o l l o de la I n e s t a b i l i d a d ó p t i c a ha s i d o la i n t r o d u c c i ó n de s i s t e m a s hj[ b r i d o s en los q u e , en l u g a r de la r e a l i m e n t a c i ó n ó p t i c a debida a los e s p e j o s del F a b r y - P e r o t , se usa una r e a l i m e n t a c i ó n p u r a m e n t e e l e c t r ó n i c a . Con e l l o se han r e d u c i d o las i_n t e n s i d a d e s ó p t i c a s e m p l e a d a s a n i v e l e s facilítente o b t e n i hl es.. y ha s i d o p o s i b l e impl e m e n t a r e s t r u c t u r a s de fácil i nt e ^ r á c i d n . Los m a t e r i a l e s u s a d o s han s i d o , en e s t e c a s o , los t í p i c o s m a t e r i a l e s e l e c t r o o p t i eos u s a d o s c o m o m o d u l a d o r e s o d e f l e c t o r e s de l u z . De e n t r e e l l o s uno de los candida^ tos p o s i b l e s son los c r i s t a l e s l í q u i d o s nema ti eos y asi han s i d o p r e s e n t a d o s en la l i t e r a t u r a 2 , En e s t e a r t i c u l o se pre^ s e n t a r ^ u n a de l a s . c o n f i g u r a c i o n e s q u e p u e d e n ser e m p l e a d a s , a n a l i z a n d o s e su c o m p o r t a m i e n t o . II . - C O M P O R T A M I E N T O E L E C T R O O P T I C O DE E S T R U C T U R A S H0M1T)TR1TFTCAS DE C R I S T A L L I Q U I D O N E M A T l C O Una e s t r u c t u r a horneo t r ó p i c a de c r i s t a l l i q u i d o (C . L. ) es a q u e l l a en la q u e , por e f e c t o del 5 t r a t a m i e n t o q u í m i c o d a d o a las p a r e d e s , las m o l é c u l a s del m a t e r i a l se a l i n e a n con una o r i e n t a c i ó n p e r p e n d i c u l a r a d i c h a s p a r e d e s . En esta s i t u a c i ó n , u n a r a d i a c i ó n l u m i n o s a q u e se'.propague a su trav é s lo liara s e g ú n un Í n d i c e de r e f r a c c i ó n q u e se c o r r e s p o n d e con el del e j e m e n o r de las m o l é c u l a s del C . L . . Si el ne m a t i c o i n t r o d u c i d o es uno con a n i s o t r o p i a n e a a t i v a ( el M B R A s p . ej . ,es el m a s c a r a c t e r i s t i c o y t a m b i é n el e m p l e a d o p o r n o s o t r o s ! la a p l i c a c i ó n de un c a m p o e l e c t r i c o e n t r e los e l e c t r o d o s i n t e r n o s de e s t a e s t r u c t u r a pl ana r a l t e r a r á noto r l a m e n t e la - c o n f i g u r a c i ó n ' i n t e r n a de l a s m o l é c u l a s . E s t a s d e j a r a n de e s t a r t o d a s a 1 i n e a d a s per pend i cü 1 a rmen te con res^ p e c t o a las p a r e d e s y t e n d e r á n a s i t u a r s e o r t o q o n a l m e n t e con r e s p e c t o al c a m p o a p l i c a d o . Los e f e c t o s r e s u l t a n t e s , q u e en el c a s o de e s t r u c t u r a s h o m o g é n e a s dan l u n a r a f e n o m e nos tan c a r a c t e r í s t i c o s c o m o los d o m i n i o s de W i l l i a m s por -64- e j e m p l o , son e n t r e o t r o s , una v a r i a c i ó n m u y si a nifi c a t i v a en la t r a n s m i s i ó n en f u n c i ó n del v o l t a j e a p l i c a d o c u a n d o se d i s p o n e n p o l a r t z a d o r e s c r u z a d o s a su e n t r a d a y s a l i d a . La aparece represen c u r v a o b t e n i d a en n u e s t r o c a s o * para W B B A tada en l a Fi a . 1 . C o m o puede 5 ' a p r e c í a r s e , la t r a n s m i s i ó n es" o fiv 0 - Fiq. 1 - nula h a s t a una c i e r t a t e n s i ó n u m b r a l y a p a r t i r de. eiía se s u c e d e n una s e r t e de m á x i m o s y m í n i m o s , ' s i e n d o p r á c t i cament e t o d o s e l l o s . d e la m i s m a i n t e n s i d a d . E s t e e f e c t o , como ya fia s ido p u e s t o d e m a n ifi.es to por o t r o s i n v e s t i n a d o r e s 3 , pue de s e r v i r d e b a s é p a r a una c i e r t a 6 i es ta ti 1 t d a d ó p t i c a . III.- BIESTABILIDAD OPTICA De a c u e r d o con la t e o r í a ya e s t a & í e c i d a 3 un m a t e r i a l p u e d e p r e s e n t a r b i e s t a b i l i d a d ó p t i c a c u a n d o su t r a n s m i s i ó n v i e n e dada por una f u n c i ó n del t i p o T(_f) = Ps/Pe (1) d o n d e f es un c i e r t o parainetro c a r a c t e r í s t i c o de c a d a s i tua_ c i. ó n y P y P son , r e s p e c t i v a m e n t e , 1 a s p o t e n c i a s ó p t i c a s de e n t r a a a y s a l i d a . B i e s t a b i 1 i dad óptica puede presentar se c u a n d o f e s , a su v e z , f u n c i ó n de la p o t e n c i a de salida e s t o e s , c u a n d o v e r i f i c a una e x p r e s i ó n del t i p o f En e s a s condiciones se f l + = T( 6P 6P (2) tiene P s/Pe ~ s + V (31 y las s o l u c i o n e s de e s t a e x p r e s i ó n para P c , q u e d e b e r á n ser f u n c i o n e s de R f p u e d e n o b t e n e r s e q r a f f e a m e n t e por la i n t e r s e c c i ó n de' T(3 ]'y l a s r e c t a s q u e i"n d"i c'a n' ;p , Si. e x i s t e n dos v a l o r e s Be P g q u e s o n , s i m u l t á n e a m e n t e , i o 1 j¿ c i o n e s de (3) para un c o n j u n t o de v a l o r e s de (P , ó , f ), apa e recerá necesariamente biestabilidad óptica. -65- De lo a n t e r i o r , p u e d e n i n f e r i r s e d i r e c t a m e n t e dos ; he c h o s . El p r i m e r o es q u e la c u r v a r e p r e s e n t a d a en Ta F i q , 1 p u e d e ser c a n d i d a t a idónea para o f r e c e r b i e s t a b i l i dad ó p t i ca , d e b i d o a la no l i n e a l i dad que p r e s e n t a . El s e n u n d o es q u e Ta t e n s i ó n a p l i c a d a a. la c é l u l a p u e d e ser el pararaetro f. q u e a p a r e c e en las e x p r e s i o n e s 12), y La c o n c r e c i ó n de a m b o s h e c h o s se s i n t e t i z a en el e s q u e m a de la F i n . 2 . En e l l a p u e d e n a p r e c i a r s e las p a r t e s f u n d a m e n t a l es d e q u e c o n s fblatit / a CrisM/^o t f Á Meéic^r •un Al camU X - Fiq, 2 - ta el s i s t e m a b i e s t a b l e p r e s e n t a d o a q u i , C o m o p u e d e a p r e c i a r s e , 1 a r a d i a c i ó n p o l a r i z a d a p r o c e d e n t e de un l á s e r d e He - N e , pasa por un m o d u l a d o r d e i n t e n s i d a d q u e p r o p o r c i o n a los n i v e l e s l u m i n o s o s r e q u e r i d o s en el m o n t a j e . El haz res u l t a n t e es d i v i d i d o , m e d i a n t e un di v i s o r de h a z , en dos p a r t e s una de las c u a l e s s e r v i r á de r e f e r e n c i a .y la o t r a pa s a r á a t r a v é s de la c é l u l a horaeotropica d e c r i s t a l l i q u i d o . La r a d i a c i ó n de s a l i d a pasa , a c o n t i n u a c i ó n , a t r a v é s de un p o l a r i z a d o r p e r p e n d i c u l a r a 1 1 a r a d i a c i ó n de e n t r a d a de d o n de.» p o s t e r i o r m e n t e p a r t e es 11 e v a d a al e x t e r i o r del s i s t e m a c o m o r a d i a c i ó n de s a l i d a , y p a r t e i n c i d e s o b r e un d e t e c t o r . La s e ñ a l e l e c t r i c a r e s u l t a n t e , c o n v e n i e n t e m e n t e a m p l i f i c a d a es l l e v a d a a la c é l u l a de c r i s t a l l i q u i d o , e x i s t i e n d o u n a c i e r t a t e n s i ó n V de p o l a r i z a c i ó n . En e s t e e s q u e m a p u e d e n ya i n f e r i r s e los p a r á m e t r o s q u e a p a r e c í a n en las e x p r e s i o n e s (.21 y ( 3 ) . f e s la t e n s i ó n de p o l a r i z a c i ó n V q u e se e n c u e n t r a en el c ir cu i to de real iiiien^ t a c i ó n . 6 es f u n c i ó n de la a m p l i f i c a c i ó n de e s t e c i r c u i t o . C o m o c o n s e c u e n c i a de t o d o lo v i s t o h a s t a a q u i , y o b s e r v a n d o la F i q . 1 , 1 os h e c h o s q u e dan l u q a r a 1 a b l e s ta bilí dad ó p t i c a a p a r e c e n en c u a n t o la t e n s i ó n de p o l a r i z a c i ó n V sea i n f e r i o r a la t e n s t ó n u m b r a l y la a m p l i f i c a c i o n a p l i c a ^ da c o n d u z c a a l i n e a s c o m o las A , B ó C . ( l e v F i n . 1 ) , Las A y B c o r t a n a la c u r v a T ( V ) en dos p u n t o s , lo q u e era cond i c i ó n p a r a b i e s t a b i l i d a d » La C , en c a m b i o , así c o m o la D y e q u i v a l e n t e s , la c o r t a n en c u a t r o o mas p u n t o s . E s t o q u i e r e -66- d e c i r q u e p o d r í a o b t e n e r s e m u í t i e s t a b i 1 i dad ó p t i c a c o m o pu<s de i n f e r i r s e de la c u r v a T ( V ) . A l g u n o s de los r e s u l t a d o s o b t e n i d o s a p a r e c e n en 1 a Fi q. 3 9 en ta q u e se ha r e p r e s e n t a d o la p o t e n c i a de s a l i d a en f u n c i ó n de la de e n t r a d a . C o m o p u e d e a p r e c i a r s e , d e p e n d i e n - Fiq. 3 do de 1 a t e n s i ó n de p o l a r i z a c i ó n a p l i c a d a , p u e d e n o b t e n e r s e d i f e r e n t e s f o r m a s del c i c l o de hi s t e r e s i s. En t o d o s 1 os casos p r e s e n t a d o s , 1 a a m p l i fíe a c i ó n se m a n t u v o c o n s t a n t e . por o t r a p a r t e , se ha e s t u d i ado t a m b i é n la p o s i b l e a p l ^ c a c i ó n del p r e s e n t e s i s t e m a c o m o bies ta ble e l e c t r ó n i c o . En e s t e c a s o , m a n t e n i e n d o la i n t e n s i d a d ó p t i c a de la r a d i a c i ó n de e n t r a d a c o n s t a n t e , en l u g a r d e la p o l a r i z a c i ó n c o n s t a n t e api i c a d a en el c a s o a n t e r i or , se ha i n t r o d u c i do una señal p e r i ó d i c a de v o l t a j e t r i a n g u l a r . En c o n c e p t o , la s i t u a c i ó n es a n a l o n a a 1 a a n t e r i o r , e j e r c i e n d o a h o r a la t e n s i ó n una m i s i ó n analoqa a 1 a que antes tenia 1 a r a d i a c i ó n i n c i d e n t e . Los r e s u l t a d o s son e q u i v a l e n t e s , h a b i é n d o s e 1 o n r a d o ti e m p o s d e c o n m u t a c i ó n de v a l o r i n f e r i o r a los o b t e n i d o s en el c a s o prev i o. IV.- CONCLUSIONES A 1 a vi.sta de 1 os r e s u l t a d o s o b t e n i d o s a p a r e c e c l a r o el h e c h o d e q u e el uso de es truc turas d e c r i s t a l 1 i qu i do pue den ser a p r o v e c h a d a s , de anal ocia forma a c o m o 1 o son los ma^ teri a 1es sol idos c o n v e n c i onal es , para 1 a o b t e n c i ó n de biest a b i l i d a d ó p t i c a . Las a p l i c a c i o n e s , ya c o m e n t a d a s en 1 a lit e r a t u r a del t e m a , p u e d e n e x t e n d e r s e a e l l o s con la considei r a b i e v e n t a j a de su fácil e m p l e o y 1 as b a j a s t e n s i o n e s aplj. cadas. E s t e t r a b a j o , d e s a r r o l 1 a d o c o m o p a r t e de un tema n e n e ral de a p l i c a c i o n e s de 1 os c r i s t a l e s l í q u i d o s a 1 as c o m u n i c a c i o n e s o p t i cas y s u b v e n c i o n a d o por la C o m i s i ó n A s e s o r a de I n v e s t i n a c i ó n Cien ti fiea y T é c n i c a , o f r e c e u n a s p e r s p e c t i - vas muy opticos c l a r a s de a p1 i c a c t o n p a r a l a n e n e r a e i ón de p u l s o s d e c o r t a d u r a c i ó n asi c o m o p a r a su m o d u l a c i ó n . BIBLTO.GRAFIA Martín Pereda,J.A. ; M u r i e l A ; O t ó n S J . M , "Biestabtlidad óptica un n u e v o c a m i n o para el l á s e r " . M u n d o E l e c t r ó n i co. Sept. 1981, pp. 139-145, 2 . M a r t i n P e r e d a , J . A . ; M u r i' e 1 , M . A , " H y b r i d o p t i c a l b i s t a b l e d e v i ces w i t h 1 i q u i d c r y s t a 1 s " . A r t i c u l ó p r e s e n t a d o en l a r e u n i ó n a n u a l de la O p t i c a ! S o c í e t y o f A m e r i c a * K i s i m m e e , Florida. Octubre 1981. 3 . K1ei n , M . B . ; L a c k n e r , A . M ; M y e r , G . B ; J a i n , R . K , " O p t i c a l no i se -1 i m i t i n q a n d m u í t i s t a b i 1 i ty u s i n q EQ 1 i q u i d c r y s t a l devi e e s ". A r t i cul o p r e s e n t a d o én C L E O 1 8 1 . Wasftin'qton ,D . C . J u n i o 19-81.