Как известно, рисовать можно карандашом, мелом, кисточкой и так далее, а стирать нарисованное — соответственно резинкой, тряпкой или еще чем-нибудь. Но представим себе работающую вычислительную машину, которая, скажем, обрабатывает метеорологическую информацию. Как было бы хорошо, если бы в результате была выдана подробная карта или какая-то сложная схема. Но такая простая вещь, как рисование, современной машине дается с большим трудом. Машина может рисовать с помощью электронного луча по экрану телевизионной трубки, но в этом случае кадр должен все время перезаписываться, так как люминесцентные экраны пока не обладают достаточно надежной памятью. Можно рисовать и с помощью «механической руки», держащей обычный карандаш, но такая система оказывается довольно громоздкой и медлительной. Кроме того, в этом случае не удается осуществить достаточно удобное стирание информации.

А можно ли использовать лазерный луч в качестве карандаша? Конечно! Лазерный луч можно отклонять не только механически, скажем, с помощью колеблющегося зеркала, но и другими, более быстрыми способами. Например, с помощью твердых или жидких кристаллов, показатель преломления которых зависит от электрического напряжения, приложенного к кристаллу. Существуют также очень быстродействующие акустоопти-ческие устройства. Там луч отклоняется кристаллом, по которому бежит звуковая волна. Таким образом, ясно, как можно водить лазерным карандашом; теперь нужно только заставить луч оставлять следы.

Проще всего, конечно, водить лучом по фотобумаге, но тогда нужно осуществлять процесс проявления, А можно просто выжигать изображение, как это делали многие из нас с помощью линзы и солнечного зайчика. Но выжигание требует большой энергии луча и дает нестираемое изображение. Однако сама идея использовать тепловой эффект лазерного луча оказалась очень перспективной.

Представим себе, что нам удалось найти такой мате-териал, который был бы практически прозрачным вначале, становился непрозрачным в тех местах, по которым прошел лазерный луч, сохранял след луча сколь угодно долго и мог переводиться в исходное прозрачное состояние с помощью электрического напряжения. Тогда мы могли бы рисовать истирать изображение многократно, а если нужно, то и очень быстро и к тому же совершенно «не прикладая рук». Оказывается, такая экзотическая среда существует—это знакомые нам смектические жидкие кристаллы. (На холесгерических веществах тоже можно осуществлять этот процесс так называемой термооптической записи изображений, но с несколько худшими оптическими характеристиками.) 

Как же технически сделать рисунок лазерным пером? Что взять в качестве «бумаги»? Вот конструкция соответствующего жидкокристаллического устройства Она состоит из лазера, луч которого отклоняется специальной системой, слоя жидкого кристалла, выполняющего роль «бумаги», и проекционной системы, позволяющей рассматривать изображение на экране.

Как и раньше, жидкокристаллическое вещество помещается в узкий зазор между двумя стеклами, на внутренние поверхности которых нанесены прозрачные электроды. Эти электроды нужны только для стирания изображения электрическим напряжением. Запись же осуществляется с помощью нагрева вещества лазерным лучом. Для этого лазерный луч должен поглощаться в жидком кристалле, и в то же время, как уже говорилось, вещество должно быть прозрачным для другого светового пучка, в котором рассматривается изображение. Эти два требования, казалось бы, противоречат друг другу, но проблему удается решить, применяя в качестве примеси к жидкому кристаллу специальные красители, поглощающие только лазерный (например, красный или инфракрасный) свет и не поглощающие свет в остальном видимом диапазоне.

Чтобы устройство работало, жидкий кристалл должен обладать смектическим состоянием, которое при нагревании переходит в нематическое, а затем в обычную жидкость. Кроме того, молекулы должны обладать большим диполем, направленным вдоль длинной молекулярной оси. Это необходимо для стирания изображения с помощью знакомого нам перехода Фредерикса.

Пусть, например, мы имеем смектик при комнатной температуре, который переходит в нематик при 30 °С. Предположим, что в исходном состоянии вещество находится при температуре около 25 DC и его молекулы ориентированы перпендикулярно стеклам (ориентация задается специальной обработкой электродов). Тогда, несмотря на наличие добавки красителя, слой жидкого кристалла будет практически прозрачен. Быс-трый нагрев вещества записывающим лучом (скажем, до 32—35 °С) переводит его в обычную жидкость. После ухода луча вещество остывает и становится снова смектиком.

Остывание идет быстро, и молекулы не успевают занять свои исходные позиции и встать перпендикулярно стеклам. В этих участках исходная совершенная ориентация оказывается нарушенной, появляются многочисленные дефекты, показатель преломления изменяет свое значение от точки к точке нерегулярным образом, и эти участки сильно рассеивают тот свет, с помощью которого производится считывание изображения. Такая «дефектная» ориентация может сохраняться очень долго (часы, дни или даже месяцы). Мы получаем таким образом длительную память, обусловленную тем, что смектические жидкие кристаллы по определенному направлению столь же «упрямы», как и обычные твердые вещества — без достаточно сильного внешнего воздействия молекулярные слои перемещаться и даже изгибаться не могут. Только очень большая разность потенциалов на электродах может заставить молекулы выстроиться вдоль поля (вспомним об их большом дипольном моменте). Молекулярные слои при этом распрямляются, и вещество становится прозрачным. Произошло стирание изображения, и устройство готово к новому циклу записи.

Если лазерный луч очень острый, а слой жидкого кристалла достаточно тонкий, этим способом можно записывать даже тексты. Количество букв на одну «страницу» составляет примерно 1 миллион. Изображение, полученное таким образом, можно проектировать на большой экран. Это очень важно, когда число людей, одновременно наблюдающих картину, достаточно велико. Экран при этом может быть столь же большим, как в кинотеатре. Телевизионную же трубку с экраном такого размера трудно было бы представить.

У смектических кристаллов есть еще одно интересное приложение. Их ориентацию можно изменить звуковой или ультразвуковой волной. На этом принципе сейчас делаются попытки построить ультразвуковую «рентгеновскую установку» для медицинской диагностики. В этом случае тело человека просвечивалось бы не жесткими рентгеновскими лучами, а абсолютно безвредными ультразвуковыми волнами. Слой жидкого кристалла такой установки принимает ослабленные телом пациента волны, и распределение их интенсивности фиксируется в виде картины нарушенной молекулярной ориентации смектика. Задача здесь состоит в том, чтобы повысить чувствительность жидкого кристалла к ультразвуковым волнам.