Language
Вращатель жидкокристаллических капель с оптическим приводом

Блог

ДомДом / Блог / Вращатель жидкокристаллических капель с оптическим приводом
search

May 05, 2023

10 больше

Dec 25, 2023

20 целевых предметов для обновления вашего домашнего офиса

May 11, 2023

27 товаров для дома на открытом воздухе для ночных тусовок

Nov 17, 2023

27 товаров для дома на открытом воздухе для ночных тусовок

Oct 12, 2023

30 практичных летних товаров по пять штук

Отправьте запрос
ПРЕДСТАВЛЯТЬ НА РАССМОТРЕНИЕ

Jan 17, 2024

Вращатель жидкокристаллических капель с оптическим приводом

Научные отчеты, том 12,

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16623 (2022) Цитировать эту статью

1311 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

В данной работе вращение капель жидкого кристалла, индуцированное эллиптически поляризованным лазерным светом, исследовалось с помощью оптического пинцета. Механизм вращения был проанализирован на основе расположения молекул жидкого кристалла внутри капель. Изменение поведения капель нематического жидкого кристалла (НЖК) при вращении оценивали путем изменения размера капель. Результаты экспериментов были проанализированы на основе эффекта волновой пластинки и процесса светорассеяния. Вращательное поведение капель холестерических жидких кристаллов исследовалось путем изменения размера капель и шага спирали, который контролировался концентрацией хиральной легирующей добавки. Результаты обсуждаются с точки зрения селективного отражения падающего луча спиральной структурой. Также была исследована зависимость частоты вращения от эллиптичности падающего пучка. Основной вклад во вращение постепенно меняется от пропускания света к отражению с увеличением киральности капли. Система ротаторов НЖК была построена с использованием голографического оптического пинцета. Такой оптически управляемый ротатор представляет собой типичное микрооптомеханическое устройство. Сложные поля потока, включая множественные вихревые и локализованные поля сдвига, были реализованы в микронном масштабе.

Манипулирование материалами на микроуровне имеет решающее значение для оценки микроскопических свойств мягких материалов и биоматериалов1,2. Оптические пинцеты — жизненно важные инструменты для точного контроля микрообъектов, таких как коллоиды, микроорганизмы и клетки3. Линейный и угловой моменты света приводят к его поступательному и вращательному движениям соответственно. Например, коллоиды могут быть организованы в сложные структуры и динамически управляться сложными способами4. Ориентацией двулучепреломляющих объектов также можно управлять с помощью поляризованного света5. В частности, облучение объекта с двойным лучепреломлением светом с круговой поляризацией вызывает непрерывное вращение (вращательное движение)5.

Капли жидких кристаллов (ЖК) представляют собой типичные материалы с двойным лучепреломлением, которые можно вращать под действием света с круговой поляризацией6,7,8. Их внутренняя структура зависит от граничных условий молекул на поверхности капли9,10. При тангенциальном закреплении на поверхности капли нематического ЖК (НЖК) молекулы ЖК располагаются параллельно поверхности капли, а на полюсах капли существуют два точечных дефекта; это называется биполярной структурой10. При гомеотропном закреплении молекулы НЖК располагаются радикально, и в их центре существует одноточечный дефект; это известно как радиальная структура10. Помимо биполярной и радиальной структур существует несколько других структур, в зависимости от силы и типа фиксации10. Каплю холестерического ЖК (ХЛК) можно получить путем перемешивания смеси НЖК и хиральной добавки10,11. Капли ХЖК имеют спиральное молекулярное расположение. Отношение диаметра капли d к шагу спирали p является критическим параметром, определяющим внутреннюю структуру капли11.

Было исследовано несколько механизмов вращения капель ЖК, и их основной вклад зависит от их внутренней структуры12,13,14,15,16,17,18. Например, в биполярной структуре доминируют волновой пластинчатый эффект и процесс светорассеяния13,14,15, а частота вращения достигает 103 Гц6. Однако капля не вращается под действием слабого света в радиальной структуре и не вызывает изменения внутренней структуры7. В хиральных твердых частицах, состоящих из оптически отвержденных ХЖК, брэгговское отражение, вызванное спиральным расположением молекул ЖК, вносит основной вклад во вращение за счет гауссовой16,17 и негауссовой ловушки18. Поскольку брэгговское отражение происходит только тогда, когда направление циркулярно поляризованного света совпадает с киральностью частицы, киральная частица вращается только в том же направлении, что и хиральность16. В определенных условиях (облучение сильным светом, которое реорганизует молекулярное выравнивание капли ХЖК с \(d/p\) = 0,5 или 1), линейно поляризованный свет вызывает вращение капли19.

 4.5 µm, respectively. (c) Polarizing microscopic images of NLC droplet under crossed-nicols polarizers and the schematics of molecular alignment. The molecular alignment within a smaller droplet is preradial, and that within a larger droplet is bipolar. The arrows indicate the rotation directions./p> 4 µm, Γ exhibited oscillatory behavior. There are four proposed origins of optical torque14: the waveplate effect, light-scattering process, photon absorption, and light-induced Fréederickzs transition. Only the optical torque generated by waveplate effects showed oscillatory dependence on droplet size, and its magnitude depended on the retardation, Δ = 2π∆nd/λ, of the droplet7,14. The oscillatory behaviors in different NLCs, 5CB and E7 scaled with ∆nd (see Supplementary Information). This trend also supports the concept that the waveplate effect significantly contributes to the optical torque for large droplets./p> 4.5 µm), the inner structure was bipolar (Fig. 1c, left), and Γ oscillated in this region. However, for d < 4.5 µm, the inner structure changed to a preradial structure (Fig. 1c, right), and Γ was proportional to d3. Such changes in the inner structure have also been reported in a previous study21. The critical size between the preradial and bipolar structures coincided with the size at which the dependence of Γ on d changed in our experiment. The power dependence in Fig. 1a is linear for both bipolar and preradial droplet. For a radial droplet, the nonlinear power dependence has been reported7. The linear dependence indicates that local optical deformation is not induced in a preradial droplet at lower power we used./p> 4.5 µm, where \({\mathcalligra{p}}\) and a are the fitting parameters. The green and blue lines in Fig. 1b represent the best-fitted curves of Eq. (4) to data for d < 4.5 µm and d > 4.5 µm, respectively. For d > 4.5 µm, the optimal value of a was 0.997, and the waveplate effect was dominant. This finding is consistent with the fact that the inner bipolar structure is anisotropic, and the waveplate effect is the dominant contributor. For d < 4.5 µm, a was 0.24, and the light-scattering process was dominant. In the rotation plane, the preradial structure was more isotropic than the bipolar structure. Therefore, the contribution of the waveplate effect was less significant than that of the light-scattering process. The energy efficiency, defined as the ratio of the power estimated by the fitting to that measured by the power meter at the focal plane, was six times higher for bipolar droplets than for preradial droplets (9% and 1.5% for bipolar and preradial droplets, respectively). It was confirmed that the NLC droplet with a bipolar structure converted optical energy into mechanical energy more efficiently than that with a preradial structure. Considering waveplate effect and scattering one based on the birefringent model, the contribution of two effects and the energy efficiency were quantitatively discussed./p> 1, the inner structure is RSS./p> 1, the inner structure changed to a radial spherical structure (RSS) (Fig. 2d, right), and the droplet rotated. In the RSS, the function of the waveguide vanished, and angular momentum transfer occurred. All plots had a peak at approximately the same position (d/p ~ 1.5). At this peak position, d approaches the Bragg wavelength np of the ChLC droplet, where n is the refractive index of approximately 1.503 for E725./p> 3 µm). Because the polarizer and analyzer were removable, the image could be switched between bright-field and polarization. The rotational motion could be monitored from the temporal change in the image intensity, owing to the birefringence of LC droplets13. The time evolution data of the sum of the image intensity along a horizontal line across the center of the droplet were Fourier-transformed to determine the droplet rotation frequency ν. The lowest frequency peak corresponded to either the 2ν or 4ν modulation of the rotation frequency, depending on the inner structure. We watched the videos to confirm whether the low-frequency peak was either 2ν or 4ν and finally determined ν./p>