Cristalli Liquidi e Modulazione Elettro-Ottica

Abstract : in questo Post mostriamo come, utilizzando una cella a cristalli liquidi facilmente reperibile smontando attrezzature di basso costo, è possibile realizzare un modulatore elettro-ottico basato sulla polarizzazione della luce. Successivamente abbiamo caratterizzato il nostro modulatore DIY eseguendo misure di trasmittanza, polarizzazione e velocità di risposta. 

Introduzione

I cristalli liquidi sono una classe di composti organici con particolari proprietà liquido-cristalline, scoperte nel 1888 dal botanico austriaco Friedrich Reinitzer. Reinitzer si accorse che riscaldando del benzoato di colesterile questo dapprima diventava opaco, per poi schiarirsi al progressivo alzarsi della temperatura. Una volta raffreddato, il liquido diventava bluastro e poi cristallizzava.

In pratica tali sostanze non passano direttamente dallo stato liquido a quello solido, ma in particolari condizioni sono in grado di organizzarsi in fasi intermedie (mesofasi) che presentano caratteristiche sia dello stato solido cristallino che di quello liquido. Questo dualismo giustifica il termine con cui si indicano questi composti: cristalli liquidi.
I cristalli liquidi (LC) sono quindi uno stato della materia che ha proprietà intermedie tra quelle dei liquidi convenzionali e quelle dei cristalli solidi. Ad esempio, un cristallo liquido può fluire come un liquido, ma le sue molecole possono essere orientate in modo simile al cristallo. Esistono molti diversi tipi di fasi a cristalli liquidi, che possono essere distinti per le loro diverse proprietà ottiche.

I cristalli liquidi hanno trovato molte applicazioni in fisica, chimica, elettronica e scienze della vita. Tra queste applicazioni sono molti i dispositivi che sfruttano l’effetto elettro-ottico dei materiali LC ad esempio display LC, modulatore di luce LC, modulatore ottico LC e interruttore ottico LC.

In questo post vogliamo mostrare il funzionamento di una cella LC utilizzata come modulatore di luce.

Principio di Funzionamento

La maggior parte dei cristalli liquidi è costituita da molecole allungate che, normalmente, si dispongono con l’asse maggiore parallelo a quelle delle molecole a loro prossime. E’ possibile controllare l’allineamento delle molecole se il cristallo liquido è posto su una superficie finemente corrugata: se le corrugazioni sono parallele anche le molecole si dispongono parallele l’une alle altre.
Un LCD (liquid crystal display) consiste in un cristallo liquido compreso fra due superfici finemente corrugate, le corrugazioni di una superficie sono perpendicolari a quelle dell’altra superficie. Se le molecole prossime ad una superficie hanno una direzione, quelle prossime all’altra superficie hanno direzione perpendicolare, quelle intermedie sono ruotate nella direzione intermedia, in pratica le molecole si organizzano in una struttura ad elica, questi dispositivi sono chiamati di tipo twisted nematic.
La luce che passa attraverso il dispositivo modifica la propria polarizzazione seguendo l’orientamento delle molecole; quindi, transitando per il cristallo liquido,viene ruotata di 90° (fig A).
Quando viene applicato un campo elettrico al cristallo liquido, le molecole, che sono polarizzate, si dispongono verticalmente e quindi la luce passa senza subire la rotazione della direzione di polarizzazione (fig B).

Come si vede dalla figura sopra, il cristallo liquido è compreso tra due elettrodi trasparenti, tramite i quali viene applicato il campo elettrico E.  Applicando all’ingresso della cella un filtro polarizzatore e all’uscita dalla cella un filtro analizzatore, si può sfruttare l’effetto di rotazione della polarizzazione per realizzare un interruttore ottico.

La Cella a Cristalli Liquidi

Naturalmente la maschera deve essere smontata per rimuovere il filtro dal suo involucro. Il vetro viola (verde sull’altro lato) è un filtro che elimina le emissioni infrarosse e ultraviolette, questo filtro inoltre elimina parte della luce che raggiunge il nostro sensore di luce e deve essere rimosso, questo può essere fatto facilmente, sollevandolo con un rasoio affilato. Senza questo filtro l’attenuatore ottico non polarizzato fa passare circa il 30% della luce in entrata mentre quando è oscurato, pilotato da una tensione di 5V, solo l’1%.
È anche possibile rimuovere la pellicola del polarizzatore posteriore usando un coltello affilato : il dispositivo rimanente costituisce ora un polarizzatore controllato in tensione. L’immagine sotto mostra la maschera smontata con cella LC, filtro ed elettronica (può essere conservata perché non si sa mai).

Apparato Sperimentale

Il setup sperimentale è piuttosto semplice. Abbiamo utilizzato il nostro banco ottico sul quale abbiamo posto allineati un laser He-Ne a 632nm, la nostra cella a cristalli liquidi ed un fotometro a fotodiodo. L’immagine seguente mostra tutte le apparecchiature.

Le due immagini sotto mostrano il dettaglio del laser, del filtro analizzatore ruotabile e del fotodiodo.

Misure Sperimentali

Con il nostro apparato sperimentale abbiamo fatto una serie di misure sul comportamento della cella a cristalli liquidi.

Trasmittanza del Cristallo Liquido

La prima prova è stata la misura della trasmissione della luce (trasmittanza) in funzione della tensione applicata agli elettrodi della cella. Nel grafico sotto si vede il risultato : la tensione di soglia vale circa 1V e lo switch ottico è completato per valori maggiori a 2,5V, per i quali la trasmittanza è inferiore al 2%.
Un gradino di tensione pari a 5V assicura quindi il passaggio da trasmittanza 100% a trasmittanza 0%.

Polarizzatore Controllato in Tensione

La modulazione elettro-ottica che si realizza con la cella a cristalli liquidi si basa sulla rotazione del piano di polarizzazione della luce, possiamo quindi pensare alla cella LC come ad un dispositivo che ruota la polarizzazione in funzione della tensione applicata. Abbiamo quindi misurato l’angolo di rotazione prodotto in funzione della tensione applicata. Il grafico è presentato sotto : si passa da un angolo di 90° in assenza di tensione ad un angolo pari a 0° per tensioni maggiori di 2,5V quando le molecole sono allineate secondo la direzione del campo elettrico. Per valori di tensione compresi tra 1V e 2V il legame tra angolo e tensione è ben approssimato da una legge lineare, come si vede nel secondo grafico.

Velocità di Risposta del Cristallo Liquido

Una misura interessante da fare è la valutazione dei tempi di risposta della cella LC ad un gradino di tensione applicato agli elettrodi. L’esperimento consiste nell’applicare un impulso di tensione agli elettrodi della cella LC e nel misurare con il fotodiodo l’intensità della luce trasmessa in modo da valutare i tempi di variazione della trasmittanza.
Sappiamo che la cella LC è un dispositivo intrinsecamente lento con tempi di switching piuttosto lunghi. E’ comunque interessante fare questa misura e provare a fare osservazioni fisiche anche solo di carattere qualitativo. L’impulso ha durata di 100ms ed ampiezza di 5V. I risultati sono presentati nei tracciati seguenti.

Dai dettagli sui fronti di salita e discesa emerge che il tempo di switch-off (oscuramento) vale circa 6ms, mentre il tempi di switch-on è molto più lungo valendo circa 40ms. Nel processo di “switch-off” le molecole sono forzate ad allinearsi secondo il campo elettrico, mentre nello “switch-on”, quando il campo elettrico viene azzerato, le molecole riacquistano la loro posizione naturale.
E’ naturale che l’allineamento delle molecole forzato dal campo elettrico sia più veloce che il loro successivo riassestamento interno, quest’ultimo processo secondo il tracciato, assume le caratteristiche di un processo ad andamento esponenziale : veloce nel primo tratto, più lento nella parte finale.
Possiamo assumere che questi tempi siano principalmente dovuti alla viscosità del cristallo liquido e dipendano dalla temperatura, dal campo elettrico applicato e dal tipo di molecola (con maggiore o minore polarità).

Nella nostra cella LC la frequenza massima di utilizzo è solo di 13Hz, come mostrato nel tracciato seguente.

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