楔形盒染料摻雜膽甾相液晶激光器研究*

岱欽 李勇 烏日娜? 耿岳 全薇 李業(yè)秋 彭增輝 姚麗雙

1)(沈陽(yáng)理工大學(xué)理學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

2)(中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130033)

(2012年6月7日收到;2012年8月1日收到修改稿)

1 引言

自從1998年Kopp等[1]實(shí)驗(yàn)證明了染料摻雜膽甾相液晶器件中的激光輻射之后,染料摻雜的膽甾相液晶器件作為一種新型光源、傳感器等的應(yīng)用備受關(guān)注.平面態(tài)排列的膽甾相液晶器件具有選擇反射特性,與膽甾相液晶相同螺旋性的圓偏振光被禁止傳播.因此,被譽(yù)為自組裝的一維光子晶體[2],反射帶即光子禁帶.光子禁帶中心波長(zhǎng)為λ=〈n〉p,〈n〉=(ne+no)/2,ne為液晶分子長(zhǎng)軸方向的折射率,no為液晶分子短軸方向的折射率,p為螺距.膽甾相液晶中摻雜激光染料,在一定抽運(yùn)光的作用下,光子禁帶邊沿處出現(xiàn)激光輻射.液晶激光器具有制作工藝簡(jiǎn)單、抽運(yùn)閾值低、體積小、易于集成等優(yōu)勢(shì)[3].目前,對(duì)膽甾相液晶激光器的研究集中在激光輻射機(jī)制的理論研究[4]以及波長(zhǎng)調(diào)諧特性的實(shí)驗(yàn)研究[5-10].通過(guò)外場(chǎng)(溫度、電場(chǎng)、應(yīng)力等)作用,改變分子取向而改變螺距,使光子禁帶紅移或藍(lán)移,可以調(diào)諧輻射激光波長(zhǎng).但在外加溫度、電場(chǎng)、應(yīng)力等的長(zhǎng)時(shí)間作用下,容易破壞良好的液晶分子螺旋周期排列[7],從而影響出射激光強(qiáng)度和線寬.

本文設(shè)計(jì)制作了楔形盒染料摻雜膽甾相液晶器件,測(cè)量分析了激光輻射特性.利用楔形液晶盒中膽甾相液晶螺距呈現(xiàn)梯度變化的特性,在532 nm波長(zhǎng)抽運(yùn)光的作用下,通過(guò)調(diào)節(jié)樣品的位置,實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)調(diào)諧.

2 實(shí)驗(yàn)

在向列相液晶TEB30A中摻雜手性劑S-811和激光染料PM580,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為29%和2%,攪拌均勻.把PI取向膜涂覆在ITO玻璃基板上,高溫300°C固化2 h,并進(jìn)行摩擦處理.上下玻璃基板摩擦方向反平行,使用40μm隔墊物,制作楔形液晶盒,如圖1所示.在楔形液晶盒中,液晶扭曲力隨著盒厚的增大而增大,當(dāng)液晶扭曲力矩與摩擦高分子膜表面錨定力矩相互平衡時(shí),液晶分子排列發(fā)生跳變,出現(xiàn)向錯(cuò)線.相鄰向錯(cuò)線位置處的液晶盒厚度差為p/2.因此,利用楔形液晶盒,可以確定膽甾相液晶螺距.

利用偏光顯微鏡觀察液晶的分子排列織構(gòu),利用UV757CRT型紫外分光光度計(jì)(凌光)測(cè)量器件透射譜;以脈沖頻率為5 Hz,固體Nd：YAG倍頻532 nm波長(zhǎng)激光為抽運(yùn)光源;利用多通道光纖光譜儀(avantes)測(cè)量器件激光輻射譜;抽運(yùn)光的入射方向與樣品表面法線方向成45°,光纖光譜儀的探測(cè)方向垂直于樣品表面.

圖1 器件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

器件偏光顯微鏡照片如圖2所示.可以看到不同規(guī)則形狀的晶疇,晶疇尺寸較大,大約幾百微米;晶疇邊界成網(wǎng)狀,又稱為oily-streak lines,這是膽甾相液晶平面態(tài)排列典型織構(gòu),說(shuō)明形成了螺旋軸垂直玻璃基板方向的螺旋周期排列.除此之外,能看到很多相互平行的線條型向錯(cuò)線(grandjean-cano lines),間隔約90μm.這是由液晶扭曲力和表面錨定力相互作用達(dá)到平衡時(shí)產(chǎn)生的.在此過(guò)程中,膽甾相液晶螺距緩慢延伸,逐漸增大,形成螺距梯度.

圖2 器件偏光顯微鏡照片

選擇圖1中x軸方向3個(gè)不同位置a,b,c,間隔5.8 mm,測(cè)得器件透射譜如圖3所示.光子禁帶長(zhǎng)波邊沿分別位于594,584,579 nm;根據(jù)平面態(tài)排列膽甾相液晶光子禁帶特性,光子禁帶長(zhǎng)波邊沿波長(zhǎng)為nep.TEB30A型向列相液晶ne=1.692,計(jì)算獲得在這三個(gè)位置螺距p分別為351,345,342 nm.可以判斷,螺距在變化.由光子晶體態(tài)密度理論[5],選取液晶層厚度L=2mπp(p為螺距,m為整數(shù)),模擬得到膽甾相液晶光子態(tài)密度譜如圖4所示.在光子禁帶內(nèi),光子態(tài)密度較小,而光子禁帶邊沿波長(zhǎng)處急劇增大;當(dāng)增益超過(guò)損耗時(shí),光子禁帶邊沿波長(zhǎng)處出現(xiàn)受激激光輻射,光子禁帶位置隨螺距減小而向短波方向移動(dòng).

圖3 器件透射譜

圖4 光子態(tài)密度譜

圖5 器件激光輻射譜

圖6 激光輻射譜峰位隨位置變化

在532 nm波長(zhǎng)抽運(yùn)光作用下,沿著x軸由厚到薄的方向,測(cè)得激光輻射譜如圖5和圖6所示,獲得了波長(zhǎng)間隔約1 nm的調(diào)諧激光,波長(zhǎng)調(diào)諧范圍約17 nm,實(shí)驗(yàn)中抽運(yùn)光光斑直徑約1 mm.精密控制抽運(yùn)光斑尺寸,并減小楔形盒厚度梯度,可以進(jìn)一步提高調(diào)諧精度.

4 結(jié)論

制作了楔形盒摻雜激光染料膽甾相液晶激光器,獲得一種特殊的激光波長(zhǎng)調(diào)諧特性,調(diào)諧范圍約17 nm,調(diào)諧精度約1 nm.532 nm波長(zhǎng)抽運(yùn)光作用下,在隨著液晶盒厚度增大的一維方向,液晶盒厚度不同位置出射激光波長(zhǎng)不同,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)位置可調(diào)諧激光器.經(jīng)過(guò)平行取向處理的楔形盒中,膽甾相液晶形成了平面態(tài)排列,具有光子禁帶.隨著液晶盒厚度增加,平面態(tài)膽甾相液晶螺距增長(zhǎng),光子禁帶位置移動(dòng),導(dǎo)致光子禁帶邊沿處輻射激光波長(zhǎng)變化.

[1]Kopp V I,Fan B,Vithana H K M,Genack A Z 1998Opt.Lett.23 1707

[2]Beeckman J,Neyts K,Vanbrabant J M P 2011Opt.Eng.50 081202

[3]Liu Y J,Sun W M,Liu X Q,Yao L S,Lu X H,Xuan L 2012Acta Phys.Sin.61 114211(in Chinese)[劉永軍,孫偉民,劉曉頎,姚麗雙,魯興海,宣麗2012物理學(xué)報(bào)61 114211]

[4]Tatsunosuke M,Masahiro K 2011Mol.Cryst.Liq.Cryst.544 77

[5]Gevorgyan A H,Kocharian A N 2012Opt.Commun.285 854

[6]Lin S H,Lee C R 2011Opt.Express19 18199

[7]Park B 2011J.Korean Phys.Soc.59 2246

[8]Choi H,Nishimura S,Toyooka T,Ishikawa K,Takezoe H 2011Adv.Funct.Mater.21 3430

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