染料摻雜液晶可調諧光纖熒光光源的研究?

呂月蘭 尹向寶2) 楊月 劉永軍 苑立波

1)(哈爾濱工程大學,纖維集成光學教育部重點實驗室,哈爾濱 150001)

2)(黑龍江科技大學理學院,哈爾濱 150022)

1 引 言

寬帶連續熒光光源在光纖傳感器[1]、探測器[2]和調制器[3,4]等領域的應用非常廣泛.目前常用的寬帶光源是超發光二極管(super luminescent diode,SLD),但SLD的空間相干性較差,使得其在與單模光纖耦合時有損耗.與SLD相比,熒光光纖光源(f l uorescent f i ber light source,FLS)具有寬的熒光輸出光譜、使用壽命長及價格低廉等優點,在光纖通信、醫學成像等方面有潛在的應用.

在FLS中,可用不同材料填充空心光纖空氣孔,以此調節空心光纖的光學傳輸特性,拓寬光源的調諧范圍[5?7].由于液晶分子具有光學各向異性,其折射率具有隨溫度、電磁場等外場變化的特性[8?10],成為近年來備受關注的填充材料.將染料摻雜液晶填充到空心光纖空氣孔中,通過調節溫度就可以很容易地控制熒光空心光纖光源的傳輸特性.目前研究較多的是用液晶填充光子晶體光纖(PCF)包層空氣孔,實現光纖的溫控調諧.2013年,Marzena等[11]研究設計了填充液晶的溫控可調PCF級聯濾波器,實驗得到了其光子帶隙隨溫度變化的關系;2015年,烏日娜等[12]將染料摻雜液晶填充全反射型PCF中,室溫下,在600—650 nm范圍內出現多個線寬0.2—0.3 nm隨機激光輻射峰,在不同溫度的液晶中呈現出不同的折射率分布,當溫度升高至清亮點溫度時輻射峰消失.但上述研究大多是針對填充某一種液晶的PCF,而PCF制作工藝復雜、成本較高,空心光纖則制備簡單、成本低,且鮮見關于染料摻雜液晶填充空心光纖傳輸特性的實驗研究.本文提出利用染料摻雜液晶填充空心光纖制作可調諧熒光光源,并研究其溫度調諧可行性,研究結果對于開發基于染料摻雜液晶填充空心光纖熒光可調諧光源有理論指導意義.

2 染料摻雜光纖熒光光源發光機理

熒光染料B4400具有很高的量子效率和較小的三重態吸收,熒光染料B4400分子結構如圖1所示,其能級圖如圖2所示.從圖2可以看出B4400分子的能級是一種寬帶能級結構[13],由單態(S0,S1,S2)和三重態(T1,T2)兩部分組成,由于三重態熒光猝滅的影響,本文選用納秒級的脈沖激光器作為抽運源.由圖2可見,B4400分子每一個能態上存在大量的轉振能級,每一個能態都具有很寬的帶寬,因此發射譜具有寬帶可調諧特性[14],可以通過改變某些外界參數,比如磁場、溫度等,使得激光躍遷能級發生移動.2007年,Yu等[15]研究了熒光染料摻雜脫氧核糖核酸-十六烷基三甲基胺(DNA-CTMA)薄膜結構的光致發光和激光特性,發現染料摻雜DNA-CTMA薄膜放大自發輻射的峰值位置產生了紅移.2014年,詹永波等[16]研究了染料摻雜聚合物光纖的熒光發射,發現染料摻雜的聚合物光纖能夠實現較高效率的光譜下轉換,如果將其與大芯徑的石英玻璃光纖耦合,就可以對石英玻璃光纖所傳輸的光進行有效的光譜調控.

圖1 熒光染料B4400分子結構圖Fig.1.Structure of B4400 molecular.

圖2 熒光染料B4400分子能級結構圖Fig.2.Molecular energy level structure of B4400.

3 實驗結果與討論

3.1 樣品制備

染料摻雜液晶填充空心光纖熒光光源樣品的制備選用芯徑50μm、涂覆層直徑125μm的空心光纖,空心光纖剖面圖如圖3所示.實驗所用的液晶由北京八億時空液晶科技股份有限公司生產的向列相液晶BHR33200,20°C常溫下波長在589.3 nm處,尋常光折射率no=1.522,非尋常光折射率ne=1.692,清亮點溫度為61.2°C;熒光染料選用東京化成工業株式會社提供的[[(4-tert-Butyl-3,5-dimethyl-1H-pyrrol-2-yl)(4-tertbutyl-3,5-dimethyl-2H-pyrrol-2-ylidene)methyl]methane](dif l uoroborane)B4400型染料和美國Exciton公司提供的(4-二氰基亞甲基-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃)DCM型染料.由于液晶的填充,使空心光纖有較大損耗,采用功率密度較高的532 nm脈沖激光抽運,測量得到染料摻雜液晶填充空心光纖損耗值為80 dB/km,其傳輸模式為多模傳輸,實現熒光的效率為50%.實驗所用激光器為波長1064 nm、功率80 mW的超連續激光器和北京鐳寶光電公司提供的激光脈沖寬度8 ns、重復頻率1 Hz、波長532 nm、功率10 mW的Dawa-100 Nd:YAG倍頻脈沖激光器,利用海洋光學提供測量精度0.8 nm的光纖光譜儀進行透射譜及發射譜的測試.實驗裝置如圖4所示.

圖3 空心光纖剖面圖Fig.3.Cross section of the hollow f i ber.

圖4 實驗裝置圖Fig.4.Experimental setup for measuring spectra.

在激光進入染料摻雜空心光纖的過程中,隨著染料濃度的增大,染料分子增多,熒光加強,光強放大倍數增大;但是當摻雜濃度增加到一定程度時,由于熒光再吸收作用,會引起熒光濃度猝滅效應,不利于產生熒光,導致光強放大倍數減小[17].為確定摻雜染料的最佳濃度,利用超連續激光器測量空心光子晶體光纖(HC-PCF)中向列相液晶摻雜不同B4400濃度的透射譜,如圖5所示.實驗表明,通過HC-PCF透射譜可以得到對于質量濃度為B4400:BHR33200=1 wt%的溶液光強放大倍數最大,表明1 wt%為摻雜染料最佳濃度.

圖5 (網刊彩色)B4400不同濃度的輻射譜Fig.5.(color online)The radiation spectra of B4400 dependent on concentrations.

3.2 溫度對染料摻雜液晶填充空心光纖熒光光譜特性的影響

利用YAG倍頻脈沖激光器抽運測得2 cm的熒光染料B4400摻雜液晶填充空心光纖在不同溫度時的透射譜寬(半高譜寬),如圖6所示.由于液晶在溫度變化時具有折射率可調諧特性,可以看出當溫度由40°C升到85°C時,染料摻雜液晶填充空心光纖熒光光源半高譜寬先展寬后變窄,譜寬調制范圍為9 nm(液晶各向異性),即227—236 nm.這是由于液晶折射率Δn=no?ne的各向異性,隨著溫度升高,尋常光折射率no增大,非尋常光折射率ne減小,因此兩者折射率之差Δn減小[18],使得空心光纖纖芯內液晶與空心區域之間的折射率差減小,導致光纖傳輸損耗增大,透射譜寬呈單調增大,當靠近清亮點溫度時發生突變,液晶各向異性消失,表現為各向同性折射率,散射損耗比各向異性時小,所以出現樣品譜寬的驟減,同時熒光相對輻射光強增加,如圖7所示.

圖6 溫度對染料B4400摻雜液晶填充空心光纖半高譜寬的影響Fig.6.Temperature dependent half tall spectral width of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

圖7 溫度對染料B4400摻雜液晶填充空心光纖熒光相對輻射光強的影響Fig.7.Temperature dependent f l uorescence intensity of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

3.3 溫度對染料摻雜液晶填充空心光纖中心波長的影響

液晶填充空心光纖雙折射與溫度的關系為Δn相對= ΔnSiO2?Δn0(1?T/TC)β,其中Δn0為液晶0 K時的折射率,ΔnSiO2為光纖包層折射率,TC為清亮點溫度,β為材料常數[19,20].用matlab模擬給出液晶摻雜染料B4400空心光纖在升溫時的相對折射率,如圖8所示.可以看出隨著溫度從室溫升高到80°C,由于液晶有效折射率的減小,染料B4400摻雜液晶填充空心光纖相對折射率Δn相對先呈線性增加后呈指數快速增加;當達到清亮點61.9°C后,Δn相對單調緩慢減小,這是由于向列相液晶光學特性由各向異性轉變為各向同性,液晶散射增強引起的.因此,在實驗中可以看到,隨溫度升高,中心波長先“紅移”,當達到清亮點后,中心波長發生“藍移”,但并沒有明顯變化,這說明超過清亮點溫度之后,液晶的光吸收損耗減少,但光散射損耗增加[21],液晶材料的折射率不再隨著溫度發生太大變化,使得中心波長向短波移動,如圖9所示,相應的發射光譜見圖9內插圖.

圖8 溫度對染料B4400摻雜液晶填充空心光纖相對折射率的影響Fig.8.Temperature dependent relative refractive index of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

圖9 (網刊彩色)溫度對染料B4400摻雜液晶空心光纖中心波長的影響Fig.9.(color online)Temperature dependent center wavelength of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

圖10 (網刊彩色)空心光纖中液晶分別摻雜兩種染料時,溫度對其中心波長的影響Fig.10. (color online)Temperature dependent center wavelength of hollow f i ber with liquid crystal doped two kinds of dye respectively.

相應地,我們也測量了空心光纖中液晶分別摻雜兩種熒光染料時的溫度調諧,發現溫度對其中心波長的調諧作用一致,如圖10所示.在60°C處出現樣品譜寬的驟減(如圖6所示),中心波長在60°C處出現“藍移”.由于局限在中心波長調諧范圍以及譜寬調制范圍較窄,需要進一步研究.

4 結 論

本文理論和實驗研究了染料摻雜液晶填充空心光纖的熒光光源功率輸出及溫度調諧特性.獲得該結構熒光光源在不同熒光摻雜濃度下的光強放大倍數,確定熒光光強在摻雜濃度為1 wt%時輸出最高,說明熒光輸出具有選擇性放大作用;中心波長隨溫度升高發生紅移,同時熒光譜寬隨溫度不斷展寬,說明具有一定的調諧范圍.本研究對開發基于染料摻雜液晶填充空心光纖溫度調諧熒光光源、放大器以及光開關等器件,都具有積極理論指導意義.

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