岱 欽,鄔小嬌,吳 杰,毛有明,烏日娜
(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159)
目前隨著液晶相關(guān)理論的健全,一系列基于液晶特殊光學(xué)性能的器件已被開(kāi)發(fā)出來(lái),并廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,如顯示、激光器件、醫(yī)學(xué)診斷、空間光調(diào)制器等[1-3]。膽甾相液晶由于其層狀的周期性螺旋結(jié)構(gòu),可以看作自組裝的一維光子晶體,它具有類似光子晶體的光子禁帶結(jié)構(gòu)。以適當(dāng)比例將激光染料摻入膽甾相液晶可以制成分布反饋(DFB)式液晶激光器。這種染料摻雜液晶激光器是一種新型的激光器,具有制備簡(jiǎn)單、體積小、輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn),符合器件逐漸微型化的發(fā)展趨勢(shì)。激光是現(xiàn)代科技不可替代的優(yōu)秀相干光源,而液晶激光器件使激光器微型化、集成化成為可能。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)液晶激光器的研究發(fā)展很快,進(jìn)展迅速。1973 年 L.S.Goldberg 和J.M.Schnur提出染料摻雜膽甾相液晶激光器的方案[4]。2012年Jurgen Schmidtke等人研究了摻有DCM激光染料膽甾相液晶激光器的電場(chǎng)調(diào)諧特性[5]。2010年苑夢(mèng)堯等討論了共面轉(zhuǎn)換模式下電場(chǎng)對(duì)膽甾相液晶螺距的影響,為電控反射式彩色顯示與電場(chǎng)調(diào)諧液晶激光器提供借鑒[6]。2013年張伶莉等制作了摻雜DCM激光染料具有外部諧振腔的液晶激光器,通過(guò)電壓控制可在單模和多模發(fā)射間進(jìn)行切換[7]。激光染料PM597具有很高的量子效率和較小的三重態(tài)吸收,是一種高效的激光染料,目前對(duì)摻雜激光染料PM597的液晶激光器研究較少,本論文主要對(duì)摻有PM597激光染料的手性向列相液晶激光器的激光輻射行為進(jìn)行了研究。成功制作了染料摻雜手性向列相液晶激光器件。在532nm的Nd:YAG脈沖固體激光器泵浦下,獲得了穩(wěn)定的激光輸出。采用光子態(tài)密度理論進(jìn)行了分析,根據(jù)實(shí)際樣品各成分的配比,模擬出態(tài)密度隨波長(zhǎng)的分布曲線。
在鍍有ITO的玻璃基板上旋涂一層PI取向劑,高溫(200℃)固化2h。摩擦處理,加40μm隔墊物,制作成反平行液晶盒并做封膠處理。將向列相液晶TEB30A、手性劑S-811、激光染料PM597分別按68.6%、29.4%、2%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合均勻并注入液晶盒,完成樣品制備。用偏光顯微鏡觀察樣品的織構(gòu)。利用紫外分光光度計(jì)(UV757CRT,凌光)測(cè)量器件透射譜,確定光子禁帶位置。用532nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器(脈寬20ns,重復(fù)頻率為5Hz)激發(fā)配制好的藥品,獲得PM597的熒光光譜。由于染料對(duì)532nm的激光吸收效果較好,所以采用532nm脈沖固體激光器作為泵浦光源。利用多通道光纖光譜儀(Avantes)測(cè)量器件的激光輻射譜線,實(shí)驗(yàn)及探測(cè)裝置如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)及探測(cè)裝置示意圖Fig.1 Framework of experiment and detection device
手性向列相液晶可以看成許多液晶薄層重疊而成,同一薄層內(nèi)液晶分子指向矢方向一致,但相鄰兩薄層內(nèi)液晶指向矢具有一定夾角。指向矢方向隨著層數(shù)的增加旋轉(zhuǎn)360°為一個(gè)周期,液晶分子旋轉(zhuǎn)一周所經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度稱為螺距。對(duì)液晶盒表面進(jìn)行反平行摩擦處理,該摩擦方式能使液晶分子的螺旋周期延續(xù)下去,且螺旋軸垂直于樣品表面形成平面態(tài)織構(gòu)。圖2(a)為在正交偏光顯微鏡下觀察到的樣品照片,顯示了oily-streak lines織構(gòu),說(shuō)明形成了平面態(tài)排列。
圖2 樣品織構(gòu)和透射譜Fig.2 Transmission spectrum and texture of sample
從樣品的透射譜中可以清楚看到光子禁帶的位置,如圖2(b)所示,光子禁帶的兩個(gè)邊沿分別位于585.5nm和632.5nm。膽甾相液晶具有選擇反射特性,能選擇性地反射與液晶分子相同旋向的圓偏振光。由于實(shí)驗(yàn)采用的自然光同時(shí)包含左旋和右旋光,因此禁帶位置的透射率為總強(qiáng)度的50%左右。樣品選擇反射中心波長(zhǎng)可以用λ0=〈n〉p 計(jì)算,其反射帶寬為 Δλ=Δnp。其中〈n〉=(ne+no)/2,Δn=ne-no(ne=1.692,no=1.522),p為螺距。
將激光染料PM597摻入手性向列相液晶中,其光致激發(fā)產(chǎn)生的熒光光譜如圖3所示。該熒光雖為非偏振光,但大部分光譜正好落入手性向列相液晶的光子禁帶中。熒光中與手性向列相液晶旋向一致的圓偏振光會(huì)被多次反射,并被束縛在光子禁帶內(nèi)部。在多次反射中獲得反饋放大,并最終產(chǎn)生激光。
圖3 PM597的熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectrum of PM597
用532nm的固體脈沖激光泵浦樣品,在短波邊沿571.2nm處和長(zhǎng)波邊沿615.5nm處同時(shí)觀察到穩(wěn)定的激光輸出。
圖4 樣品激光輻射圖譜Fig.4 Laser radiation spectrum of sample
采用光子態(tài)密度理論加以研究產(chǎn)生激光輻射的機(jī)理。態(tài)密度(DOS)可以看成群速度的倒數(shù),表示單位體積、單位角頻率內(nèi)波數(shù)的密度。其公式表示為DOS=dk/dω,即群速度取極小值處光子態(tài)密度最大。這可以理解為該處閾值最低易產(chǎn)生激光輻射,而其他位置閾值則大得多。若忽略樣品對(duì)光的吸收作用,且樣品折射率為膽甾相液晶的平均折射率,手性向列相液晶激光器件的透射系數(shù)可以表示為[9]:
樣品厚度為L(zhǎng),則光在樣品中傳播產(chǎn)生的相位差為φ=kL,則態(tài)密度為[10]:
根據(jù)實(shí)際樣品各成分的配比,按照上述關(guān)系可以模擬出態(tài)密度隨波長(zhǎng)的分布曲線。
圖5 光子態(tài)密度隨波長(zhǎng)的變化分布曲線Fig.5 Distribution curve of density of optical state along with the change of wavelength
如圖5所示,禁帶邊沿,光子的群速度趨于零,可以存在很長(zhǎng)的光程,光子可以在這個(gè)結(jié)構(gòu)里發(fā)生多重反射,形成駐波相干,加強(qiáng)了增益。而在整個(gè)禁帶里面,群速度為虛數(shù),所以不會(huì)有光子存在。
制作了摻雜PM597激光染料的手性向列相液晶激光器件,分別按2%、29.4%、68.6%的濃度混合激光染料PM597、手性劑S-811、向列相液晶TEB30A,獲得的光子禁帶能與PM597熒光譜較好的重疊。采用532nm脈沖固體激光器對(duì)樣品進(jìn)行泵浦,在光子禁帶的長(zhǎng)波和短波邊沿同時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的激光輸出,波長(zhǎng)分別為615.5nm和571.2nm。采用光子態(tài)密度理論模擬分析了手性向列相液晶激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理,在光子禁帶邊沿處光子態(tài)密度最大,此處器件閾值最低最容易產(chǎn)生激光輻射。
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