染料摻雜手性向列相液晶激光器的制備和研究

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）

1 引 言

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。

2 實(shí) 驗(yàn)

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

3 結(jié)果及分析

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

4 態(tài)密度理論

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。

5 結(jié) 論

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。

［1］賀鋒濤，賈瓊瑤，孫林軍.液晶激光投影顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程，2012，41（10）：2700－2702.He F T，Jia Q Y，Sun L J.Design of liquid crystal laser projection display system ［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（10）：2700－2702.（in Chinese）

［2］邱基斯，樊仲維，唐熊忻，等.基于液晶空間光調(diào)制器整形的重頻100mJ全固態(tài)1053釹玻璃激光放大［J］.紅外與激光工程，2012，41（10）：2637－2643.Qiu J S，F(xiàn)an Z W，Tang X X，et al.100mJ high beam quality all－solid－state 1053nm Nd：glass amplifier at repetition frequency shaping by LCSLM ［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（10）：2637－2643.（in Chinese）

［3］程少園，曹召良，胡立發(fā)，等.液晶自適應(yīng)光學(xué)掃描激光檢眼鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外與激光工程，2012，40（2）：253－257.Cheng S Y，Cao Z L，Hu L F，et al.Design of scanning laser ophthalmoscope system with LC adaptive optics［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，40（2）：253－257.（in Chinese）

［4］Goldberg L S，Alexandria，Schnur J M，et al.Tunable internal－feedback liquid crystal－dye laser：United States，3771065［P］.1973－11－06.

［5］Jurgen S，Gisela J，Susanne K B，et al.Electrical fine tuning of liquid crystal lasers［J］.Applied Physics Letters，2012，101（5）：051117－1－051117－4.

［6］苑夢(mèng)堯，鄧羅根.液晶盒邊界效應(yīng)對(duì)膽甾相液晶電控螺距的影響［J］.液晶與顯示，2010，25（1）：21－28.Yuan M Y，Deng L G.Effects of liquid cell’s boundary conditions on electric tuning of cholesteric liquid crystal spiral pitch［J］.Chinese Journal of Liquid Crystal and Display，2010，25（1）：21－28.（in Chinese）

［7］張伶莉，孫秀冬，劉永軍，等.具有外部諧振腔的膽甾相液晶激光器的研究［J］.液晶與顯示，2013，28（5）：679－682.Zhang L L，Sun X D，Liu Y J，et al.Cholesteric liquid crystals laser with external cavity［J］.Chinese Journal of Liquid Crystal and Display，2013，28（5）：679－682.（in Chinese）

［8］Wu R N，Li Y，Wu J，et al.A study of lasing wavelength by DOS in the temperature－tunable cholesteric liquid crystal lasers［J］.Optics Communications，2013，300：1－4.

［9］Mikhail I B，Lev M B，Vladimir V L，et al.Lasing from photonic structure：cholesteric－voltage controlled nematiccholesteric liquid crystal［J］.Journal of Applied Physics，2008，103（12）：123113－1－123113－7.

［10］Blinov L M.Lasers on cholesteric liquid crystals：mode density and lasing threshold ［J］.JETP Letters，2009，90（3）：166－171.