Jul 27, 2023
광학적으로 구동되는 액정 액적 회전 장치
과학 보고서 12권,
Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16623(2022) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
본 연구에서는 타원 편광 레이저 광에 의해 유도된 액정 방울의 회전을 광학 핀셋을 사용하여 조사했습니다. 액적 내의 액정 분자 배열을 기반으로 회전 메커니즘을 분석했습니다. 네마틱 액정(NLC) 액적의 회전 거동 변화는 액적 크기를 변화시켜 평가되었습니다. 실험 결과는 파장판 효과와 광산란 과정을 기반으로 분석되었습니다. 콜레스테릭 액정 액적의 회전 거동은 키랄 도펀트 농도에 의해 제어되는 액적 크기와 나선형 피치를 변화시킴으로써 조사되었습니다. 결과는 나선형 구조에 의한 입사빔의 선택적 반사 측면에서 논의됩니다. 입사빔의 타원율에 대한 회전 주파수의 의존성도 연구되었습니다. 회전에 대한 주요 기여는 액적의 키랄성이 증가함에 따라 광 투과에서 반사로 점차적으로 변경됩니다. NLC 회전 시스템은 홀로그램 광학 핀셋을 사용하여 구성되었습니다. 이러한 광학적으로 제어 가능한 회전 장치는 전형적인 마이크로 광기계 장치입니다. 다중 와류 및 국부적인 전단장을 포함한 복잡한 유동장이 미크론 규모로 구현되었습니다.
마이크로 스케일에서 재료를 조작하는 것은 부드러운 재료와 생체 재료1,2의 미세한 특성을 평가하는 데 중요합니다. 광학 핀셋은 콜로이드, 미생물, 세포와 같은 미세 물체를 정밀하게 제어하는 데 필수적인 도구입니다3. 빛의 선형 및 각 운동량은 각각 병진 및 회전 운동을 구동합니다. 예를 들어, 콜로이드는 복잡한 패턴으로 배열되고 복잡한 방식으로 동적으로 구동될 수 있습니다4. 복굴절 물체의 방향은 편광5을 사용하여 제어할 수도 있습니다. 특히 복굴절 물체에 원형 편광을 조사하면 연속적인 회전(회전 운동)이 유도됩니다5.
액정(LC) 방울은 원형 편광6,7,8에 의해 회전할 수 있는 일반적인 복굴절 물질입니다. 내부 구조는 액적 표면9,10에 있는 분자의 경계 조건에 따라 달라집니다. 네마틱 LC(NLC) 액적 표면에 접선 방향으로 고정하기 위해 LC 분자는 액적 표면에 평행하게 정렬되고 액적의 극에는 두 개의 점 결함이 존재합니다. 이것을 양극성 구조라고 합니다. 수직성 고정의 경우 NLC 분자는 근본적으로 배열되며 중앙에 단일 지점 결함이 존재합니다. 이것은 방사형 구조로 알려져 있습니다. 양극성 및 방사상 구조 외에도 앵커링의 강도와 유형에 따라 여러 가지 다른 구조가 존재합니다. 콜레스테릭 LC(ChLC) 액적은 NLC와 키랄 도펀트의 혼합물을 교반하여 형성될 수 있습니다. ChLC 방울은 나선형 분자 배열을 가지고 있습니다. 나선형 피치 p에 대한 액적 직경 d의 비율은 액적11의 내부 구조를 결정하는 중요한 매개변수입니다.
LC 액적의 회전에 대한 여러 메커니즘이 조사되었으며, 주요 기여는 내부 구조에 따라 달라집니다. 예를 들어, 양극 구조에서는 파장판 효과와 광산란 과정이 지배적이며 회전 주파수는 최대 103Hz에 이릅니다. 그러나 방사형 구조에서는 약한 빛 아래에서 물방울이 회전하지 않으며 내부 구조7의 변화를 유도하지 않습니다. 광학적으로 경화된 ChLC로 구성된 키랄 고체 입자에서 LC 분자의 나선형 배열에 의해 유도된 브래그 반사는 가우시안 트랩 및 비가우시안 트랩에 의한 회전의 주요 원인입니다. 브래그 반사는 원형 편광의 방향이 입자의 키랄성과 동일한 경우에만 발생하므로 키랄 입자는 키랄성과 동일한 방향으로만 회전합니다16. 특정 조건(\(d/p\) = 0.5 또는 1로 ChLC 액적의 분자 정렬을 재구성하는 강한 광 조사)에서 선형 편광은 액적 회전을 유도합니다.
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>
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