電場(chǎng)作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜研究

烏日娜，鄔小嬌，吳 杰，彭增輝，姚麗雙，岱 欽*

1.沈陽(yáng)理工大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159 2.中國(guó)科學(xué)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, 吉林 長(zhǎng)春 130033

電場(chǎng)作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜研究

烏日娜1，鄔小嬌1，吳 杰1，彭增輝2，姚麗雙2，岱 欽1*

1.沈陽(yáng)理工大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159 2.中國(guó)科學(xué)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, 吉林 長(zhǎng)春 130033

研究了電場(chǎng)作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜。設(shè)計(jì)了兩種電極結(jié)構(gòu)，分別對(duì)正性和負(fù)性液晶器件施加橫向和縱向電場(chǎng)，采用532 nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器泵浦樣品。對(duì)正性液晶器件施加電場(chǎng)，在 630～660 nm范圍獲得多波長(zhǎng)的激光輸出。對(duì)負(fù)性液晶激光器件施加電場(chǎng)，獲得調(diào)諧范圍為18.5 nm的激光輸出。由器件織構(gòu)和光子禁帶的變化，進(jìn)行了深入的分析。正性液晶器件，在電場(chǎng)力矩與扭曲力矩相互競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中，引起液晶的流動(dòng)，光子禁帶上下浮動(dòng)，因此不僅在禁帶邊沿，禁帶內(nèi)也出現(xiàn)激光輻射。而負(fù)性液晶器件隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，液晶螺距收縮，禁帶藍(lán)移，輸出激光波長(zhǎng)從681.0 nm藍(lán)移到662.5 nm，出射激光波長(zhǎng)為光子禁帶邊沿處。負(fù)性液晶器件在電場(chǎng)作用下的穩(wěn)定性較好。

激光輻射譜； 手性向列相液晶； 激光染料； 電場(chǎng)

引 言

染料摻雜手性向列相液晶激光器是一種將激光染料摻雜入液晶中，利用手性向列相液晶分子選擇反射特性形成的光子禁帶，在外界激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)激光輸出的新型分布反饋式(DFB)激光器。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，閾值低，可調(diào)諧，制作成本較低，液晶激光器很容易實(shí)現(xiàn)微型化，且能大量生產(chǎn)。目前液晶器件應(yīng)用技術(shù)和生產(chǎn)工藝逐漸成熟，液晶激光器在顯示、集成光學(xué)、光通訊等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)液晶激光器件的應(yīng)用，研究者在實(shí)驗(yàn)和理論上均進(jìn)行了大量研究。近年來(lái)，手性向列相液晶的研究取得一系列進(jìn)展，提出許多可行性方案，尤其是器件的調(diào)諧特性研究進(jìn)展非常迅速。Jeong等[1]利用楔形液晶盒，使膽甾相液晶形成螺距梯度，在外界激光泵浦作用下獲得空間位置調(diào)節(jié)激光輸出。Morris等[2]研究了摻雜不同手性劑的手性向列相液晶激光器的溫度調(diào)諧特性，分析了器件輸出波長(zhǎng)隨溫度變化成離散分布的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案。2013年Wu等利用光子態(tài)密度理論研究了溫度調(diào)諧液晶激光器，試驗(yàn)獲得調(diào)諧范圍為40 nm的溫度調(diào)諧激光輸出[3]。相對(duì)于溫度調(diào)諧液晶激光器，由于作用機(jī)理的不同，表面錨定力的作用和空間電荷分布的影響，染料摻雜手性向列相液晶激光器電場(chǎng)調(diào)諧的研究進(jìn)展并不順利。Schmidtke等[4]設(shè)計(jì)了柵條狀結(jié)構(gòu)電極，使用類似共面轉(zhuǎn)換(IPS)的方式對(duì)手性向列相液晶施加電場(chǎng)，但實(shí)驗(yàn)獲得輸出激光的波長(zhǎng)調(diào)諧現(xiàn)象并不明顯。此外，還有學(xué)者對(duì)染料摻雜負(fù)性液晶施加交流電場(chǎng)，觀察到了禁帶移動(dòng)和禁帶變淺的現(xiàn)象。為避免表面錨定力的影響，Dzaki等用負(fù)性液晶并讓液晶的螺距與液晶盒表面平行的排列方式，獲得了調(diào)諧范圍較大的激光輸出。這種方法獲得的激光是從液晶盒的側(cè)面縫隙輸出，為保證輸出光不受影響，液晶盒側(cè)面不能封膠，不利于實(shí)際應(yīng)用。

本工作設(shè)計(jì)了兩種電極結(jié)構(gòu)器件，研究了電場(chǎng)作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜，并進(jìn)行了深入的分析討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 正性液晶器件電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與樣品制備

由于正性和負(fù)性液晶介電常數(shù)的差異，它們對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)也不盡相同。施加電場(chǎng)后正性液晶分子長(zhǎng)軸趨向電場(chǎng)方向，負(fù)性液晶分子短軸朝向電場(chǎng)方向。為實(shí)現(xiàn)手性向列相液晶激光器件的輸出波長(zhǎng)調(diào)諧，正性器件需要施加橫向電場(chǎng)(垂直于螺旋軸方向)。如果正性器件施加縱向電場(chǎng)(平行螺旋軸方向) ，平面排列態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)榻瑰F織構(gòu)態(tài)[5]，光子禁帶消失，關(guān)斷激光輸出。將不帶電極層的玻璃基板旋涂PI取向劑，摩擦取向后以13 μm厚的長(zhǎng)條狀鋁電極作為隔墊物制作反平行液晶盒，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，25.6%，73.4% 的激光染料DCM(Aldrich)、向列相液晶TEB30A(石家莊永生華清)、手性劑S-811(石家莊永生華清)混合均勻并灌注到液晶盒中。樣品結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，電極間隔為0.5 mm。

1.2 負(fù)性液晶器件電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與樣品制備

負(fù)性液晶器件需要施加縱向電場(chǎng)(平行于螺旋軸方向)。負(fù)性器件加橫向電場(chǎng)(垂直于螺旋軸)，同樣將平面排列態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瑰F織構(gòu)態(tài)，光子禁帶消失，關(guān)斷激光輸出。制作鍍有電極的ITO玻璃基板制成的取向膜反平行摩擦的液晶盒。采用9 μm的隔墊物控制盒厚。將負(fù)性向列相液晶SLC12V620-400(石家莊誠(chéng)志永華顯示材料有限公司)、手性劑S811(石家莊永生華清)、激光染料DCM( Aldrich)分別以79.46%，19.54%，1.00%的比例混合，混合均勻后灌注到制備好的液晶盒中，樣品結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

采用偏光顯微鏡(XP-403, caikon)觀察其織構(gòu)排列。由于激光染料DCM[4-(二氰基來(lái)甲基)-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃]對(duì)532 nm的激光吸收效率較高，因此實(shí)驗(yàn)采用波長(zhǎng)為532 nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器作為泵浦光源。采用光纖光譜儀(Avaspec-2048-USB2, avantes)測(cè)量激光輻射譜和透射譜。使用精密線型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流智能電源(WWL-LDX41, 揚(yáng)州雙鴻電子)對(duì)樣品施加直流電壓，使樣品電極之間形成較均勻電場(chǎng)。采用圖1所示電極結(jié)構(gòu)器件施加電場(chǎng)，電壓施加過(guò)程中用532 nm脈沖固體激光器泵浦樣品，并測(cè)量其激光輻射譜。溴鎢燈發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成平行光束，透過(guò)樣品，分別測(cè)量透射譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 正性液晶器件的電場(chǎng)調(diào)諧特性

在不同電壓下的激光輻射譜如圖2所示。圖2將樣品施加電壓通過(guò)電極間距換算成電場(chǎng)表示。從圖5明顯看出，在同一電場(chǎng)強(qiáng)度下樣品輸出激光存在多個(gè)波長(zhǎng)。由表1可以更加清晰地看出不同電壓下輸出激光波長(zhǎng)變化。電場(chǎng)強(qiáng)度為0、0.2 V·μm-1時(shí)，只有一個(gè)波長(zhǎng)； 0.4和0.6 V·μm-1時(shí)，出現(xiàn)三個(gè)波長(zhǎng)； 0.8和1.0 V·μm-1時(shí)，出現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)。

圖2 不同電場(chǎng)下染料摻雜正性的手性向列相液晶器件激光輻射譜

表1 電場(chǎng)強(qiáng)度與輸出激光波長(zhǎng)

為了揭示出現(xiàn)多波長(zhǎng)輻射的原因，測(cè)量器件透射譜，確定器件光子禁帶如圖3所示。在外電場(chǎng)作用下，禁帶波長(zhǎng)位置變化不明顯，約在620～660 nm范圍。但禁帶上下起伏不定，禁帶深度變化。在偏光顯微鏡下觀察樣品，當(dāng)電場(chǎng)增加到0.1 V·μm-1時(shí)，正電極附近液晶織構(gòu)開始產(chǎn)生變化，逐漸在電極附近形成多疇結(jié)構(gòu)。電場(chǎng)增大到0.3 V·μm-1時(shí)，織構(gòu)變化將擴(kuò)大到整個(gè)樣品。繼續(xù)加大電場(chǎng)至0.6 V·μm-1以上時(shí)，樣品中的液晶流動(dòng)加劇。但仍然處于平面態(tài)織構(gòu)。這正是，不管電壓多大(0～1 V·μm-1范圍)，總有光子禁帶存在的原因。但由于液晶的流動(dòng)，也導(dǎo)致了光子禁帶起伏不定處于動(dòng)態(tài)變化。光子禁帶起伏不定，禁帶深度變化，也正說(shuō)明不僅是禁帶末端波長(zhǎng)位置附近出現(xiàn)激光輻射，禁帶內(nèi)的一個(gè)位置也有可能出現(xiàn)激光輻射，如表1。采用相同配比的材料注入未取向的液晶盒在零電場(chǎng)狀態(tài)和相同的實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)樣品產(chǎn)生較平滑的光致熒光峰，沒有激光輸出。這說(shuō)明在泵浦光的激勵(lì)下，取向樣品所出現(xiàn)的尖銳激光輻射峰并非由染料DCM直接產(chǎn)生，而是需要樣品特殊的螺旋層狀結(jié)構(gòu)提供光學(xué)正反饋。激光染料的作用是充當(dāng)液晶激光器的工作物質(zhì)。

圖3 不同電場(chǎng)下染料摻雜正性的手性向列相液晶器件透射譜

Fig.3Transmission spectra of dye-doped positive chiral nematic liquid crystal cell in different electric field

2.2 負(fù)性液晶器件的電場(chǎng)調(diào)諧特性

在不同電壓下的器件激光輻射譜如圖4所示。電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，器件輸出激光波長(zhǎng)逐漸藍(lán)移，且輸出激光波長(zhǎng)比較穩(wěn)定，并沒產(chǎn)生類似正性液晶的多個(gè)波長(zhǎng)輸出。電場(chǎng)強(qiáng)度從0 V·μm-1增加到8.9 V·μm-1，樣品輸出激光波長(zhǎng)從681.0 nm藍(lán)移到662.5 nm，調(diào)諧范圍約18.5 nm。

圖4 不同電場(chǎng)下染料摻雜負(fù)性的手性向列相液晶器件激光輻射譜

不同電場(chǎng)下器件透射譜如圖5所示。增加電場(chǎng)強(qiáng)度，光子禁帶中心波長(zhǎng)出現(xiàn)藍(lán)移，這與輸出激光波長(zhǎng)隨電場(chǎng)增加而產(chǎn)生藍(lán)移相符合。按圖1(b)方式施加電場(chǎng)，液晶分子短軸將指向電場(chǎng)方向，內(nèi)部螺距將隨電壓增大而收縮。光子禁帶中心波長(zhǎng)λ0由式λ0=p×n決定，其中p為螺距，n為液晶的平均折射率。器件螺距p的收縮將導(dǎo)致光子禁帶中心波長(zhǎng)藍(lán)移。圖5中，不管有無(wú)電場(chǎng)作用，光子禁帶的底部并不平滑，并且禁帶邊沿出現(xiàn)了多個(gè)振蕩。偏光顯微鏡下觀察到，器件沒有形成較好的平面態(tài)排列，存在多疇。多疇織構(gòu)中每個(gè)疇的螺旋軸方向指向不完全一致。由于明顯的振蕩均在禁帶邊沿處，因此并沒有影響禁帶邊沿位置出射激光[6]。

圖5 染料摻雜負(fù)性的手性向列相液晶器件在不同電場(chǎng)下的透射譜

Fig.5 Transmission spectra of dye-doped negative chiral nematic liquid crystal cell in different electric field

3 結(jié) 論

研究了電場(chǎng)對(duì)染料摻雜手性向列相液晶激光器件激光輻射譜的影響。設(shè)計(jì)了兩種電極結(jié)構(gòu)，分別對(duì)正性和負(fù)性液晶器件分別施加橫向和縱向電場(chǎng)，并采用532 nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器泵浦樣品。正性液晶器件施加電場(chǎng)，輸出激光并不穩(wěn)定且呈現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)。負(fù)性液晶器件施加電場(chǎng)，獲得調(diào)諧范圍為18.5 nm的激光輸出，輸出激光穩(wěn)定性較好。正性液晶分子長(zhǎng)軸具有趨向于電場(chǎng)方向的特性，施加橫向電場(chǎng)時(shí)液晶分子將產(chǎn)生較大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致液晶分子產(chǎn)生不規(guī)則的流動(dòng)。而負(fù)性液晶分子具有短軸趨向于電場(chǎng)方向的特性，施加縱向電場(chǎng)時(shí)對(duì)平面態(tài)排列進(jìn)行微調(diào)的同時(shí)產(chǎn)生螺距收縮，從而可以實(shí)現(xiàn)激光輻射波長(zhǎng)電場(chǎng)調(diào)諧輸出。

[1] Jeong M Y，Choi H, Wua J W.Appl.Phys.Lett., 2008 92: 051108-1.

[2] Morris S M，F(xiàn)ord A D, Coles H J.J.Appl.Phys., 2009, 106: 023112-1.

[3] Wu R N, Li Y, Wu J, et al.Optics Communications, 2013, 300: 1.

[4] Schmidtke J, Junnemann G, Keuker-Baumann S, et al.Appl.Phys.Lett., 2012, 101: 051117-1.

[5] WANG Xin-jiu(王新久).Liquid Crystal Optics and Liquid Crystal Display(液晶光學(xué)和液晶顯示).Beijing: Science Press(北京：科學(xué)出版社)，2006.445.

[6] Huang Y H and Wu S T.Optics Express, 2010, 18(26): 27697.

(Received Feb.1, 2015; accepted Jun.14, 2015)

*Corresponding author

A Study of Lasing Spectrum of Dye-Doped Chiral Nematic Liquid Crystal Cell under Electric Field

WU Ri-na1, WU Xiao-jiao1, WU Jie1, PENG Zeng-hui2, YAO Li-shuang2, DAI Qin1*

1.School of Science, Shenyang Ligong University, Shenyang, 110159, 2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China

The lasing spectrum of dye-doped chiral nematic liquid crystal under electric filed was investigated.Two kinds of electrodes were designed to apply transverse electric field to positive liquid crystal cell and longitudinal electric field to negative liquid crystal cell.A 532 nm Nd∶YAG pulsed solid-state laser was used to pump the cell.When transverse electric field is applied to positive liquid crystal device, multi-wavelength laser output is obtained in the range of 630～660 nm.When longitudinal electric field is applied to negative liquid crystal cell, 18.5 nm tunable output lasing is obtained.The output characteristic of cell was analyzed from the texture of device and the photonic band gap.In the positive liquid crystal cell, the competition of electric moment with twisting moment causes the flow of LC molecule, and the flow of LC molecule leads to a floating photonic band gap.For this reason, not only at the edge of photonic band gap but in the photonic band gap can produce lasing.For negative liquid crystal cell, the pitch shrinks with the increase of electric field.The photonic band gap shows blue-shift with the decrease of pitch.and Lasing wavelength is blue shifted from 681.0 to 662.5 nm and the lasing at the edge of photonic band gap.Negative liquid crystal cell has better stability under electric field effect.

Lasing spectrum; Chiral nematic liquid crystal; Laser dye; Electric field

2015-02-01，

2015-06-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61378075)，遼寧省高校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2015093)和沈陽(yáng)理工大學(xué)激光與光信息遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目資助

烏日娜, 1978年生, 沈陽(yáng)理工大學(xué)理學(xué)院副教授 e-mail: wurina2007@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: daiqin2003@126.com

O753+.2

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1313-04