染料摻雜液晶填充毛細(xì)管的激光發(fā)射特性研究?

呂月蘭 尹向?qū)?) 孫偉民 劉永軍 苑立波

1)(哈爾濱工程大學(xué),纖維集成光學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,哈爾濱 150001)

2)(黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院,哈爾濱 150022)

1 引 言

可調(diào)諧激光器可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變激光輸出波長,廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息處理和通信等領(lǐng)域.染料摻雜液晶可調(diào)諧激光器具有從近紫外到近紅外寬波長調(diào)諧范圍的特點(diǎn),并且尺寸小、線寬窄、光學(xué)效率高,這使其在光通訊、傳感器、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域可發(fā)揮重要作用.目前染料摻雜液晶可調(diào)諧激光器常用的激光發(fā)射模式為分布反饋(distributed feedback,DFB)模式和回音壁模式(whispering gallery modes,WGMs)以及相干反饋隨機(jī)激光(random lasers,RL)模式,可以在單芯片實(shí)驗室[1]、醫(yī)學(xué)診斷[2]、傳感器[3]等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用.

目前,關(guān)于液晶激光發(fā)射的研究,一般是基于玻璃基板的分布反饋激光發(fā)射或是基于微滴結(jié)構(gòu)回音壁模式激光發(fā)射.2012年Van等[4]實(shí)驗分析了液晶微滴中的模式間隔和Q參數(shù)、模式數(shù)以及激光輸出能量的關(guān)系.2013年,Hiroyuki等[5]提出利用可調(diào)諧膽甾相液晶(cholesteric liquid crystals,CLCs)微滴,通過在聚合物基質(zhì)中嵌入納米尺寸的液晶網(wǎng)孔實(shí)現(xiàn)對折射率的調(diào)制,以此控制反射帶,同時設(shè)計在膽甾相液晶層下放置活性聚合物用于提供輔助增益.2014年,Lin等[6]研究了不同溫度下光子禁帶邊緣激光的發(fā)射模式以及激光強(qiáng)度和波長隨溫度的變化情況;2014年,Lagerwall等[7]提出膽甾相液晶微滴間的光通信可調(diào)諧多彩模式及其在光通信開關(guān)、光耦合器和防偽標(biāo)簽中的應(yīng)用.但玻璃基板結(jié)構(gòu)和液晶微滴結(jié)構(gòu)的激光輸出效率均較低,并且微滴結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定[8,9].近年來,以光沿微腔內(nèi)表面不斷全反射所形成的回音壁微腔激光器備受關(guān)注[10?12],2017年,Li等[13]提出內(nèi)徑不同毛細(xì)管產(chǎn)生WGMs具有較好的光譜可逆性;Nagai等[14]提出染料摻雜向列相液晶(nematic liquid crystals,NLCs)毛細(xì)管形成柱形微腔WGMs,但發(fā)射激光閾值較高(1.3 mJ·mm?2).本文提出一種染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細(xì)管的激光發(fā)射,采用毛細(xì)管基體內(nèi)壁抽真空涂覆聚酰亞胺光控取向膜,有效限制軸向光波,該發(fā)射具有DFB和WGMs,并大幅降低了閾值能量;同時,研究了其溫度調(diào)諧可行性,對于具有圓形微腔的液晶填充有聚酰亞胺(PI)取向毛細(xì)管在激光發(fā)射方面的應(yīng)用具有重要的參考價值.

2 染料摻雜液晶填充毛細(xì)管激光發(fā)射原理

與傳統(tǒng)的激光器相比,基于Bragg反射[15]原理,膽甾相液晶無需反饋腔,自身可以提供分布式反饋,染料摻雜膽甾相液晶填充毛細(xì)管激光發(fā)射是在折射率和增益的周期性簡諧結(jié)構(gòu)中,利用外界因素控制液晶折射率,構(gòu)成折射率分布反饋結(jié)構(gòu),從而獲得窄線寬的激光輸出.波長滿足Bragg條件的光會產(chǎn)生正反饋,在增益介質(zhì)內(nèi)部放大,贏得模式競爭,經(jīng)分布反饋形成發(fā)射強(qiáng)度較強(qiáng)的帶隙激光即DFB激光,發(fā)射激光波長由Bragg方程λBragg=neffp/(m·sinθ)決定[16],其中λBragg為輸出激光波長,neff為增益介質(zhì)的有效折射率,p為膽甾相液晶螺距,θ為兩相干光半夾角,m為輸出激光的階次.由上述方程可知:改變neff或者改變θ,都可對輸出激光波長進(jìn)行調(diào)諧.同時,染料摻雜液晶填充毛細(xì)管作為柱形微腔而產(chǎn)生WGMs,模式被束縛在赤道平面附近.由于染料摻雜液晶的低損耗和微腔表面光滑,導(dǎo)致強(qiáng)反射產(chǎn)生共振的光經(jīng)過很長時間才被耗散掉,因此WGMs具有極高的品質(zhì)因子和能量密度[17].自由光譜范圍(FSR)由計算,其中R為毛細(xì)管內(nèi)徑,λ為諧振光波長,可見改變neff或者R均可實(shí)現(xiàn)輸出激光調(diào)諧.液晶分子經(jīng)PI取向后可以引起較大的光學(xué)各向異性,液晶分子有效折射率為其中n是液晶的非e尋常光折射率,no是液晶的尋常光折射率,因此對于染料摻雜液晶填充有PI取向毛細(xì)管可以通過溫度改變neff進(jìn)行DFB和WGMs的調(diào)諧;同時內(nèi)徑R越小對應(yīng)的Δλ越大,更有利于增大微腔作為傳感器使用時動態(tài)探測范圍.

3 實(shí)驗結(jié)果與討論

3.1 樣品制備

染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細(xì)管可調(diào)諧激光器樣品的制備選用的毛細(xì)管內(nèi)徑分別為100,200,300μm,所用的液晶為北京八億時空液晶科技股份有限公司生產(chǎn)的向列相液晶BHR33200.在BHR33200中摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的激光染料DCM以及26%的手性劑S811配制成染料摻雜膽甾相液晶,其中向列相液晶(BHR33200)在常溫20°C下尋常光折射率為1.522,非尋常光折射率為1.692,清亮點(diǎn)溫度為61.2°C,手性劑濃度取決于染料熒光光譜的位置,使染料熒光光譜范圍涵蓋膽甾相液晶的反射禁帶.所用光控取向膜為PI材料,采用N-甲基吡咯烷酮按質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%稀釋取向膜,在毛細(xì)管內(nèi)側(cè)抽真空涂覆PI光控取向薄膜厚度為100—200 nm,用強(qiáng)度為20 mW/cm2的美國路陽LUYOR-3130偏振紫外光垂直照射,起偏方向沿著毛細(xì)管軸向,光照10 min進(jìn)行取向處理,在照射時定時轉(zhuǎn)動毛細(xì)管,以獲得均勻照射,加熱至120°C烘干.將光照后的毛細(xì)管置入液晶中利用毛細(xì)效應(yīng)將液晶注入毛細(xì)管中,注入長度為2 cm,加熱至50°C,放置10 min.抽運(yùn)激光器為北京鐳寶光電公司提供的Dawa-100Nd型YAG倍頻脈沖激光器,脈沖寬度8 ns、重復(fù)頻率1 Hz、波長532 nm、功率50 mJ,并通過透鏡耦合,利用上海復(fù)享光學(xué)提供的測量精度為0.09 nm的PG2000光纖光譜儀進(jìn)行發(fā)射譜的測試.實(shí)驗裝置如圖1所示,激光器發(fā)射的抽運(yùn)光經(jīng)偏振片后利用透鏡聚焦到填充染料液晶毛細(xì)管上,被光纖探頭接收后經(jīng)光纖光譜儀導(dǎo)入計算機(jī)處理,其中θ為光譜儀探頭與激光器樣品表面所呈角度,文中未說明接收位置時,均為側(cè)面接收.

圖1 實(shí)驗裝置圖,子圖為染料摻雜膽甾相液晶填充有PI膜毛細(xì)管剖面圖Fig.1. Schematic illustration of the experimental setup.The inset is pro file of the capillary tube fi lled by CLCs with PI.

3.2 光控取向膜對發(fā)射特性的影響

用OLYMPUS-CX31偏光顯微鏡在兩個正交偏振片下,測量向列相液晶填充有、無PI取向膜毛細(xì)管的顯微鏡照片,結(jié)果如圖2所示.其中圖2(a)和圖2(b)為毛細(xì)管軸向與偏振片起偏方向之間夾角為0°和45°的圖像,可以看出:有PI取向膜毛細(xì)管沿管軸向呈明暗相間的條紋,這是由于光的干涉形成的,條紋的均勻性說明液晶在管內(nèi)部具有均勻的排列;而無PI取向膜的毛細(xì)管則亮度分布明顯不均勻,說明光控PI取向膜可以有效控制液晶分子均勻有序排列.

對無PI取向膜毛細(xì)管圓形微腔采用側(cè)向光抽運(yùn)方式,得到無PI取向膜不同內(nèi)徑毛細(xì)管填充染料摻雜液晶發(fā)射譜(如圖3所示).由圖3(a)可以看出,染料摻雜向列相液晶填充100μm毛細(xì)管形成了較弱的WGMs,這是由于液晶折射率大于毛細(xì)管(SiO2)折射率,進(jìn)入微腔的光波被限制在腔內(nèi),在邊界多次反射下滿足相位匹配條件.隨內(nèi)徑的增大,對于染料摻雜向列相液晶填充200μm毛細(xì)管,由于毛細(xì)管內(nèi)壁之間自發(fā)輻射光子多重散射引起的相干反饋,會產(chǎn)生RL,但在赤道平面附近仍然有部分WGMs.而內(nèi)徑較大的300μm毛細(xì)管,由于散射較強(qiáng),則沒有形成WGMs.從圖3(b)可以看出,染料摻雜膽甾相液晶填充小內(nèi)徑毛細(xì)管時,在側(cè)面接收到較弱的WGMs和DFB,這說明小內(nèi)徑的毛細(xì)管更容易形成WGMs,這與之前報道的結(jié)論一致[18].分析認(rèn)為:同時產(chǎn)生DFB和WGMs,是由于染料摻雜膽甾相液晶的螺旋結(jié)構(gòu)引發(fā)了膽甾相液晶的選擇性光反射,其光學(xué)各向異性的液晶分子對不同偏振方向光的折射率不同,所以在膽甾相液晶中,液晶分子沿螺旋軸排列方向呈現(xiàn)周期性變化,此方向偏振光的折射率也呈周期性變化,從而形成光學(xué)禁帶,滿足Bragg反射條件產(chǎn)生DFB,而且內(nèi)徑較小的100μm毛細(xì)管截面面積小,功率密度高,因而更容易產(chǎn)生激光.

圖2 正交偏光顯微鏡下毛細(xì)管有無PI取向的對比(a)夾角0°;(b)夾角45°Fig.2.The POM images of capillary tube fi lled by NLCs with and without PI under the orthogonal polarized light microscope:(a)Angle 0°;(b)angle 45°.

圖3 無PI的不同內(nèi)徑毛細(xì)管填充染料摻雜液晶發(fā)射譜 (a)填充染料摻雜向列相液晶;(b)填充染料摻雜膽甾相液晶Fig.3.Emission spectrum at different diameter dye-doped liquid crystal packed capillary of without PI:(a)Dye-doped NLCs;(b)dye-doped CLCs.

有PI取向膜毛細(xì)管圓形微腔采用側(cè)向光抽運(yùn)方式,100μm有取向膜毛細(xì)管填充染料摻雜液晶發(fā)射譜如圖4所示,可以看出毛細(xì)管填充染料摻雜膽甾相液晶的發(fā)射譜兼具DFB和WGMs,而且WGMs形成得更好.而填充染料摻雜向列相液晶的發(fā)射譜較無取向的光譜改善并不明顯.圖5對比了染料摻雜液晶填充有、無PI取向膜內(nèi)徑100μm毛細(xì)管發(fā)射閾值,可以看出無取向毛細(xì)管發(fā)射閾值為26.2 mJ·mm?2,有取向毛細(xì)管發(fā)射閾值為4.5 mJ·mm?2,這一結(jié)果較文獻(xiàn)[14]中報道的低近三個量級.這是由于PI膜使液晶分子均勻定向排列,降低了散射損耗.

圖4 100μm有PI毛細(xì)管填充染料摻雜液晶發(fā)射譜Fig.4.Fig.4.Emission spectrum dye-doped liquid crystal packed capillary of with PI.

圖5 染料摻雜液晶填充有、無PI取向毛細(xì)管發(fā)射閾值的對比Fig.5.Emission threshold as a function of input intensity without and with PI photo-alignment fi lms.

圖6 染料摻雜液晶填充有PI取向毛細(xì)管波長不同角度發(fā)射譜 (a)在側(cè)面接收發(fā)射譜;(b)在端面接收發(fā)射譜Fig.6. Emission spectrum at different angle dyedoped liquid crystals packed capillary with PI orientation:(a)The side;(b)end face.

圖6給出了利用測角儀(測量精度為1°)測量并控制角度得到染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細(xì)管不同角度發(fā)射譜.圖6(a)是側(cè)面不同角度的發(fā)射譜,從圖中可以看出在側(cè)面接收不同角度的激光發(fā)射兼具DFB和WGMs,其中光強(qiáng)最大對應(yīng)的譜線為DFB,頻譜間隔較均勻的譜線為WGMs,而且與角度無關(guān),這是由于DFB和WGMs均垂直于毛細(xì)管壁向外,同時是垂直管壁面的360°激光發(fā)射,因此提高了激光發(fā)射強(qiáng)度;圖6(b)是在毛細(xì)管端面接收的發(fā)射光譜,從圖中可以看出內(nèi)徑較小的100μm毛細(xì)管在端面處沒有DFB和WGMs,原因是PI光控取向膜的作用使得在毛細(xì)管內(nèi)的膽甾相液晶的螺旋方向垂直于管壁,且由于左手手性劑S811的作用,使其沿徑向有較好的螺旋結(jié)果(如圖1子圖所示),從而在端面(即軸向方向)沒有任何的激光輸出;而對于內(nèi)徑較大的200,300μm毛細(xì)管,PI膜對距離毛細(xì)管內(nèi)壁較近處液晶束縛力較強(qiáng),使液晶呈膽甾相螺旋結(jié)構(gòu)沿徑向排列,而PI膜對管內(nèi)深處液晶的束縛力較弱,沒有形成很好的統(tǒng)一螺旋結(jié)構(gòu),在毛細(xì)管深處液晶分子處于多疇混亂狀態(tài),但局部螺旋結(jié)構(gòu)仍然存在,每個液晶疇中都具有螺旋,不同疇的螺旋軸在空間的取向雜亂無章,同時光子在液晶中的多重散射會獲得放大和增益,因此在端面(即軸向方向)會有微弱的隨機(jī)激光輸出[19].

3.3 溫度對激光發(fā)射光譜的影響

研究不同溫度下的染料摻雜膽甾相液晶填充有PI取向內(nèi)徑100μm毛細(xì)管的發(fā)射譜,如圖7所示.觀察到溫度由25°C升高至48°C時,根據(jù)Bragg方程[20]λ=ne·p,式中ne為液晶非尋常光折射率,由于螺距p與ne會同時隨溫度升高而減小[21],因此DFB發(fā)射波長隨溫度升高發(fā)生“藍(lán)移”,調(diào)諧范圍為5.9 nm,即599.87—605.77 nm.當(dāng)溫度增加到43°C時,如圖7(c)所示,由于破壞了膽甾相液晶的螺旋結(jié)構(gòu),DFB激光消失,同時由于溫度升高后光散射強(qiáng)度減小,形成了非常好的WGMs,其FSR為1.05 nm.

圖7 100μm填充膽甾相液晶毛細(xì)管隨溫度發(fā)射譜 (a)25°C—48°C;(b)25°C;(c)43°C;(d)48°CFig.7. Emission wavelength of CLCs fi lling the capillary tube of 100 m at different temperature:(a)25 °C–48 °C;(b)25 °C;(c)43 °C;(d)48 °C.

4 結(jié) 論

本文研究了染料摻雜液晶填充PI光控取向膜毛細(xì)管激光發(fā)射特性,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)液晶激光器在有PI取向時發(fā)射激光閾值能量低,達(dá)到4.5 mJ·mm?2,同時填充有染料摻雜膽甾相液晶經(jīng)PI取向膜毛細(xì)管的激光發(fā)射具有DFB和WGMs兩種模式;溫度調(diào)諧使發(fā)射光譜發(fā)生“藍(lán)移”,調(diào)諧范圍為599.87—605.77 nm.在45°形成了非常完好的WGMs,其FSR為1.05 nm.本研究對開發(fā)基于染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細(xì)管溫度調(diào)諧激光器、濾波器以及光開關(guān)、傳感器等具有積極的指導(dǎo)意義.

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