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 李業秋 彭增輝 姚麗雙

1)(沈陽理工大學理學院,沈陽 110159)

2)(中科院長春光學精密機械與物理研究所,應用光學國家重點實驗室,長春 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]實驗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、傳感器等的應用備受關注.平面態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.光子禁帶中心波長為λ=〈n〉p,〈n〉=(ne+no)/2,ne為液晶分子長軸方向的折射率,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,在一定抽運光的作用下,光子禁帶邊沿處出現激光輻射.液晶激光器具有制作工藝簡單、抽運閾值低、體積小、易于集成等優勢[3].目前,對膽甾相液晶激光器的研究集中在激光輻射機制的理論研究[4]以及波長調諧特性的實驗研究[5-10].通過外場(溫度、電場、應力等)作用,改變分子取向而改變螺距,使光子禁帶紅移或藍移,可以調諧輻射激光波長.但在外加溫度、電場、應力等的長時間作用下,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度和線寬.

本文設計制作了楔形盒染料摻雜膽甾相液晶器件,測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梯度變化的特性,在532 nm波長抽運光的作用下,通過調節樣品的位置,實現了激光波長調諧.

2 實驗

在向列相液晶TEB30A中摻雜手性劑S-811和激光染料PM580,質量分數分別為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,當液晶扭曲力矩與摩擦高分子膜表面錨定力矩相互平衡時,液晶分子排列發生跳變,出現向錯線.相鄰向錯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,利用UV757CRT型紫外分光光度計(凌光)測量器件透射譜;以脈沖頻率為5 Hz,固體Nd：YAG倍頻532 nm波長激光為抽運光源;利用多通道光纖光譜儀(avantes)測量器件激光輻射譜;抽運光的入射方向與樣品表面法線方向成45°,光纖光譜儀的探測方向垂直于樣品表面.

圖1 器件結構

3 結果與分析

器件偏光顯微鏡照片如圖2所示.可以看到不同規則形狀的晶疇,晶疇尺寸較大,大約幾百微米;晶疇邊界成網狀,又稱為oily-streak lines,這是膽甾相液晶平面態排列典型織構,說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到平衡時產生的.在此過程中,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個不同位置a,b,c,間隔5.8 mm,測得器件透射譜如圖3所示.光子禁帶長波邊沿分別位于594,584,579 nm;根據平面態排列膽甾相液晶光子禁帶特性,光子禁帶長波邊沿波長為nep.TEB30A型向列相液晶ne=1.692,計算獲得在這三個位置螺距p分別為351,345,342 nm.可以判斷,螺距在變化.由光子晶體態密度理論[5],選取液晶層厚度L=2mπp(p為螺距,m為整數),模擬得到膽甾相液晶光子態密度譜如圖4所示.在光子禁帶內,光子態密度較小,而光子禁帶邊沿波長處急劇增大;當增益超過損耗時,光子禁帶邊沿波長處出現受激激光輻射,光子禁帶位置隨螺距減小而向短波方向移動.

圖3 器件透射譜

圖4 光子態密度譜

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波長抽運光作用下,沿著x軸由厚到薄的方向,測得激光輻射譜如圖5和圖6所示,獲得了波長間隔約1 nm的調諧激光,波長調諧范圍約17 nm,實驗中抽運光光斑直徑約1 mm.精密控制抽運光斑尺寸,并減小楔形盒厚度梯度,可以進一步提高調諧精度.

4 結論

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調諧特性,調諧范圍約17 nm,調諧精度約1 nm.532 nm波長抽運光作用下,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不同,實現了根據位置可調諧激光器.經過平行取向處理的楔形盒中,膽甾相液晶形成了平面態排列,具有光子禁帶.隨著液晶盒厚度增加,平面態膽甾相液晶螺距增長,光子禁帶位置移動,導致光子禁帶邊沿處輻射激光波長變化.

[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物理學報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

[9]Lin H K,Huang Y F,Chen A C,Liu P W 2011Appl.Surf.Sci.257 9858

[10]Inoue Y,Yoshida H,Inoue K,Shiozaki Y,Kubo H,Fujii A,Ozaki M 2011Proc.SPIE8114 811415