梳狀電極膽甾相液晶激光器的激光輻射譜

岱 欽， 李 漫， 王 興， 李業秋， 烏日娜

(沈陽理工大學 理學院， 遼寧 沈陽 110159)

1 引 言

近年來，膽甾相液晶激光器作為一種新型的激光器受到了很多研究人員的關注。與其他種類的有機或無機的光子禁帶末端激光器和分布反饋式激光器比較，膽甾相液晶激光器具有明顯的優勢。利用成熟的液晶器件制作工藝，器件易獲得，成本低；無需諧振腔，尺寸微小，結構簡單；利用液晶在外場(光，熱，電，磁，應力場等)作用下的折射率變化，實現輻射激光波長調諧，易調諧[1-7]。激光染料作為增益介質其光譜可以覆蓋從紫外到紅外的較寬范圍，易獲得寬范圍調諧波長。因此在光通訊、光子集成和生物醫學工程等領域顯示了極強的應用潛力。

利用光、熱、應力場等來獲得激光波長調諧，需要液晶盒以外的附件提供外加的光、熱、應力場，從而使器件結構復雜化。而電場調諧方式，直接利用玻璃基板上的ITO電極，原則上更加適合液晶器件，但尚未實現全部潛力。目前多數研究致力于獲得寬的調諧范圍。2006年，Lin 等采用負性液晶獲得了膽甾相液晶激光器電場調諧波長范圍為14 nm[8]。2011年，Lee等實現了既可以由光調諧，也可以電場調諧波長的器件，調諧范圍約為16 nm[9]。2016年，Xiang等使膽甾相液晶分子傾斜于螺旋軸θ(銳角)螺旋排列，獲得了100 nm的電場調諧波長范圍[10]。2015年，本課題組獲得了負性膽甾相液晶器件約18.5 nm范圍的激光波長調諧輸出[11]。

為了獲得更加靈活、使用方便的電場調諧激光波長，本文設計制作了不等距梳狀電極的膽甾相液晶激光器件，研究器件激光輻射特性，并進行了深入的分析。

2 實 驗

2.1 器件結構設計及樣品制備

膽甾相液晶平面排列態是獲得禁帶末端激光輻射的關鍵。為了不破壞液晶分子螺旋周期性排列，正性液晶需施加橫向電場。器件結構如圖1所示，利用激光刻蝕法，使下基板的ITO形成條形電極，間距分別約為 1，3，5 mm，電極寬度為2 mm。上基板沒有ITO電極。兩個基板旋涂PI取向劑，高溫固化(400 ℃)，摩擦取向處理，制作液晶盒，采用40m隔墊物。將質量分數分別為1%、25.6%、73.4% 的激光染料PM597(Aldrich)、向列相液晶TEB30A (清亮點61 ℃，黏度為42 mm2/s@20℃，折射系數為ne=1.692，no=1.522，Δn=0.17)、手性劑S-811((4-(4-乙氧基) 苯甲酰氧基苯甲酸(S)(+)-2-辛醇脂)混合均勻并灌注到液晶盒中。

圖1 器件結構及梳狀電極布局

Fig.1 Schematic illustration of the cell configuration and interdigitated electrodes

2.2 實驗測量

采用紫外分光光度計測量器件透射譜，判斷是否具有光子禁帶。利用波長為532 nm重復頻率10 Hz的Nd∶YAG脈沖固體激光器作為泵浦光源，光纖光譜儀(Avaspec-2048-USB2,avantes)測量激光輻射譜。使用精密線型直流穩壓穩流智能電源(WWL-LDX41,揚州雙鴻電子)對樣品施加直流電壓。施加電壓為0～100 V。由于下基板電極間距不同，同一電壓下，3個區域液晶分子所受到的電場強度將不同。每改變電壓值，等待2 min后再測量激光輻射譜。根據前期實驗探索，隨著電壓增大，正性液晶膽甾相液晶激光器輸出波長先藍移后紅移[11]，并且隨著電壓增大伴隨液晶的流動，使輸出激光波長不穩定。因此，本實驗中選擇0～100 V電壓范圍，最大電場強度約為0.1 V/μm，避免過大電壓導致液晶的流動。

3 結果與討論

3.1 實驗測量結果

測得器件的透射譜如圖2所示。從圖中可以看出光子禁帶短波和長波邊端分別為618 nm和660 nm。說明器件中膽甾相液晶分子形成了平面態排列，部分光被光子禁帶禁止傳輸。如圖1所示，通過梳狀電極施加電壓形成橫向電場。

圖2 器件的透射譜

圖3 不同電壓下的激光輻射譜。(a)1 mm區域；(b)3 mm區域。

電極間距3 mm區域在不同電壓下的激光輻射譜如圖3(b)所示。外加電壓在0～100 V變化時，出射激光沒有明顯的波長向短波方向的移動。外加電壓100 V時的電場強度約為0.033 V/μm。說明電場強度還不足以產生明顯變化。仍可以觀察到多模輸出。另外，電壓為 60，80，100 V時，只有光子禁帶長波端出現激光輻射。根據光子態密度理論，光子禁帶長波端和短波端的激光輻射之間存在競爭[13]。不管是哪方，只要增益超過損耗時便率先出射激光。在電極間距5 mm區域，仍有多模輸出，但隨著電壓增大到100 V，出射激光波長幾乎不變。

3.2 光子態密度模擬分析

以復數形式表示器件的透射系數[14]：

t=X+iY，

(1)

式中t為樣品透射系數，X為樣品透射系數實部，Y為樣品透射系數虛部。對膽甾相液晶模型作以下簡化：不考慮器件的吸收作用，且液晶激光器兩側基板折射率等同為液晶的平均折射率。此時，器件透射系數表示為：

(2)

其中

k2=(ω/c0)2·(ε‖+ε⊥)/2，

(3)

δ=(ε‖-ε⊥)/(ε‖+ε⊥)，

(4)

(5)

式中L為 樣品厚度，P0為膽甾相液晶的自然螺距，c0為真空中光速，ε‖為平行于液晶分子長軸方向上的介電常數，ε⊥為垂直于液晶分子長軸方向上的介電常數，δ為各向異性常數，β為由樣品布拉格反射產生的圓偏振光波矢。由式(1)和式(2)可知：

(6)

(7)

光子態密度ρ可表示為：

ρ(ω)=(1/L)(Y′X-X′Y)/(X2+Y2). (8)

手性劑S-811(HTP=10.1 μm-1)與正性向列相液晶TEB30A(ne=1.692,Δn=0.17,ε⊥=9.2 F/m,Δε=5.4 F/m)配制而成膽甾相。手性劑摻雜質量分數為25.6%，液晶盒為反平行摩擦其厚度為40 μm。液晶疇螺旋軸與玻璃基板法線方向夾角為θ時，等效螺距可視為P′=P0·cosθ，如圖4所示。在上述設定參數下模擬光子態密度,結果如圖5所示。光子禁帶兩端光子數密度發生突變。光子禁帶兩端光子的群速度趨于零，可以存在很長的光程。光子發生多重反射，形成駐波相干加強了增益，從而適于激光的產生和輸出。而在整個禁帶里面，群速度為虛數，不會有光子存在。比較θ=5°和θ=15°時的光子態密度分布，光子禁帶明顯藍移。

圖4 等效螺距示意圖

圖5 不同螺旋軸傾斜角度下光子態密度分布圖。(a)θ=5°；(b)θ=15°。

Fig.5 Distribution of density of optical state in different tilt angle of the helical axis. (a)θ=5°. (b)θ=15°.

4 結 論

研究了梳狀電極結構的膽甾相液晶激光器件的激光輻射譜。器件被劃分為電極間距分別為1，3，5 mm的3個區域。同一電壓下，3個區域中液晶分子受到的電場強度不同，可以靈活運用。為了獲得穩定的激光輸出，選擇外加電壓范圍為0～100 V。 3個區域均顯示了多模輸出。在1 mm區域，獲得633.65～621.52 nm(12 nm)和683.15～664.35 nm(18 nm)的可調諧波長范圍。而在3 mm和5 mm區域沒有獲得明顯的激光波長調諧。分析認為，外加電壓作用下，由外加電壓產生的電場力矩和液晶分子扭曲力矩在相互平衡的過程中，液晶螺旋軸傾斜導致有效螺距縮短，膽甾相液晶光子禁帶藍移，輸出激光波長向短波方向移動。同時，液晶疇的螺旋軸取向不完全一致，使等效螺距值有所浮動，導致多模輸出，顯示多個激光輻射峰。基于光子態密度模擬結果，進一步論證了出射激光波長藍移的原因。