espaciales de luz
Debido a que toda la informaci´on de la evoluci´on espacial y temporal del haz de luz se encuentra en la amplitud y la polarizaci´on del campo el´ectrico que lo representa, controlar estas caracter´ısticas punto a punto en un plano parti- cular permite sintetizar distribuciones luminosas a cierta distancia del plano de control. Los dispositivos que tienen esta capacidad, se denominan SLMs.
Los moduladores son dispositivos capaces de modificar la amplitud, la fase o la polarizaci´on de un frente de onda luminoso incidente. Existen diversos tipos de SLMs que se pueden clasificar seg´un cuales sean sus materiales constitutivos, modo de funcionamiento o control, efectos sobre la modulaci´on de la luz, etc. Diferentes tecnolog´ıas de SLMs han sido exploradas [3.1] y entre ellas se inclu- yen, los SLMs de cristal l´ıquido, SLMs magneto ´opticos y las celdas de Bragg acusto-´opticas. Los m´as utilizados en el procesamiento ´optico de im´agenes [3.2] son los dispositivos de cristal l´ıquido, cuya operatividad se basa en las propie- dades de estos materiales [3.1].
En lo que resta del cap´ıtulo, enfocaremos nuestra atenci´on en los SLMs de cristal l´ıquido. Se describir´an algunas caracter´ısticas de estos dispositivos, desde los aspectos generales hasta llegar al caso espec´ıfico del modulador espacial de luz de cristal l´ıquido nem´atico.
3.2.1.
Propiedades de los cristales l´ıquidos
El uso de cristales l´ıquidos en la constituci´on de los p´ıxeles que conforman las pantallas de bajo costo empleadas en computadores port´atiles o relojes, es algo com´un. En tales dispositivos, un voltaje aplicado a los p´ıxeles genera un cambio en la intensidad de la luz trasmitida o reflejada de la pantalla. Los fun- damentos de operatividad y construcci´on de los LC-SLM son equivalentes a los utilizados en aquellos dispositivos.
Un cristal l´ıquido es un estado de la materia que se halla entre un s´olido cristalino y un l´ıquido amorfo [3.1]. Un material que presenta este estado tiene
ciertas propiedades, como la ordenaci´on de las mol´eculas, propias de los s´olidos, pero simult´aneamente presenta cierta fluidez, caracter´ıstica de los l´ıquidos. Los cristales l´ıquidos que presentan mayor inter´es para la ´optica son los termotr´opi- cos, que se forman mediante un proceso t´ermico como paso intermedio de la transici´on de s´olido a l´ıquido [3.3]. La mayor´ıa de los materiales en este estado est´an compuestos por mol´eculas org´anicas alargadas que se pueden clasificar en tres fases diferentes, dependiendo del tipo de ordenaci´on molecular que presen- ten [3.1]:
Nem´aticos: presentan un orden orientacional pero no translacional, es de- cir, los ejes principales que marcan la orientaci´on del eje largo de las mol´eculas tienen todos la misma direcci´on aunque los centros est´an distribu´ıdos aleatoria- mente (ver Figura 3.1 (a)).
Esm´eticos: presentan una ordenaci´on orientacional y posicional, las mol´ecu- las se agrupan en capas ordenadas entre ellas, pero en cada capa los centros se distribuyen aleatoriamente (ver Figura 3.1 (b)).
Colest´ericos: son una forma distorsionada de los esm´eticos, en los cuales de capa a capa, el alineamiento de las mol´eculas sufre una rotaci´on helicoidal sobre un eje. (ver Figura 3.1 (c)).
(a) (b) (c)
Figura 3.1: Arreglo molecular para diferentes tipos de cristal l´ıquido. (a) Cristal l´ıquido nem´atico, (b) Cristal l´ıquido esm´etico, (c) Cristal l´ıquido colest´erico.
En particular, los SLMs est´an basados principalmente en LC nem´aticos y algunas clases especiales de LC esm´eticos [3.1]. El SLM LC-2002 disponible para nuestro trabajo es un LC nem´atico y a continuaci´on se detallar´a su funciona- miento.
Es posible imponer condiciones l´ımites sobre las mol´eculas de los LC nem´ati- cos confinadas entre dos placas de vidrio. En ellos existe un efecto electro-´optico conocido como efecto de giro (twist effect) o tambi´en modo TN (acr´onimo de la expresi´on inglesa twisted nematic) [3.4]. El modo TN consiste en un giro con- trolable del plano de polarizaci´on de la luz que atraviesa una celda de cristal l´ıquido que presenta una estructura molecular en forma de h´elice. Esta estructu- ra helicoidal puede ser alterada por la aplicaci´on de un campo el´ectrico externo, induciendo as´ı un cambio en la actividad ´optica del material. En la Figura 3.2 se muestra la estructura molecular helicoidal y se observa que la torsi´on resultante es del orden de los 90◦. El HOLOEYE LC-2002, tiene esta estructura b´asica.
Figura 3.2: Representaci´on b´asica de un cristal l´ıquido TN.
En los cristales l´ıquidos, los ejes principales de las mol´eculas que los forman est´an orientados y los cristales presentan entonces anisotrop´ıa en sus propieda- des f´ısicas. En particular, un cristal l´ıquido nem´atico se comporta ´opticamente como medio birrefringente uniaxial, cuyo eje ´optico coincide con su eje principal, por lo tanto posee dos ´ındices de refracci´on, el extraordinario (ne) y el ordinario (no) [3.1]. El eje principal de las mol´eculas de un LC nem´atico se puede reorien- tar por la acci´on de un campo el´ectrico externo. Dada la birrefringencia de los LC nem´aticos, la reorientaci´on del eje ´optico del cristal ¨ınducida por el campo externo”provoca un cambio significativo del estado de polarizaci´on de la luz que atraviesa el material [3.5]. En este hecho se basa el funcionamiento de los SLMs que emplean cristales l´ıquidos nem´aticos. Estos dispositivos est´an formados por celdas que contienen una delgada capa de LC nem´atico cuya birrefringencia se puede controlar mediante la aplicaci´on de un voltaje externo.