楔形盒染料掺杂胆甾相液晶激光器研究*

岱钦 李勇 乌日娜† 耿岳 全薇 李业秋 彭增辉 姚丽双

1)(沈阳理工大学理学院,沈阳 110159)

2)(中科院长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春 130033)

(2012年6月7日收到;2012年8月1日收到修改稿)

1 引言

自从1998年Kopp等[1]实验证明了染料掺杂胆甾相液晶器件中的激光辐射之后,染料掺杂的胆甾相液晶器件作为一种新型光源、传感器等的应用备受关注.平面态排列的胆甾相液晶器件具有选择反射特性,与胆甾相液晶相同螺旋性的圆偏振光被禁止传播.因此,被誉为自组装的一维光子晶体[2],反射带即光子禁带.光子禁带中心波长为λ=〈n〉p,〈n〉=(ne+no)/2,ne为液晶分子长轴方向的折射率,no为液晶分子短轴方向的折射率,p为螺距.胆甾相液晶中掺杂激光染料,在一定抽运光的作用下,光子禁带边沿处出现激光辐射.液晶激光器具有制作工艺简单、抽运阈值低、体积小、易于集成等优势[3].目前,对胆甾相液晶激光器的研究集中在激光辐射机制的理论研究[4]以及波长调谐特性的实验研究[5-10].通过外场(温度、电场、应力等)作用,改变分子取向而改变螺距,使光子禁带红移或蓝移,可以调谐辐射激光波长.但在外加温度、电场、应力等的长时间作用下,容易破坏良好的液晶分子螺旋周期排列[7],从而影响出射激光强度和线宽.

本文设计制作了楔形盒染料掺杂胆甾相液晶器件,测量分析了激光辐射特性.利用楔形液晶盒中胆甾相液晶螺距呈现梯度变化的特性,在532 nm波长抽运光的作用下,通过调节样品的位置,实现了激光波长调谐.

2 实验

在向列相液晶TEB30A中掺杂手性剂S-811和激光染料PM580,质量分数分别为29%和2%,搅拌均匀.把PI取向膜涂覆在ITO玻璃基板上,高温300°C固化2 h,并进行摩擦处理.上下玻璃基板摩擦方向反平行,使用40µm隔垫物,制作楔形液晶盒,如图1所示.在楔形液晶盒中,液晶扭曲力随着盒厚的增大而增大,当液晶扭曲力矩与摩擦高分子膜表面锚定力矩相互平衡时,液晶分子排列发生跳变,出现向错线.相邻向错线位置处的液晶盒厚度差为p/2.因此,利用楔形液晶盒,可以确定胆甾相液晶螺距.

利用偏光显微镜观察液晶的分子排列织构,利用UV757CRT型紫外分光光度计(凌光)测量器件透射谱;以脉冲频率为5 Hz,固体Nd：YAG倍频532 nm波长激光为抽运光源;利用多通道光纤光谱仪(avantes)测量器件激光辐射谱;抽运光的入射方向与样品表面法线方向成45°,光纤光谱仪的探测方向垂直于样品表面.

图1 器件结构

3 结果与分析

器件偏光显微镜照片如图2所示.可以看到不同规则形状的晶畴,晶畴尺寸较大,大约几百微米;晶畴边界成网状,又称为oily-streak lines,这是胆甾相液晶平面态排列典型织构,说明形成了螺旋轴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线条型向错线(grandjean-cano lines),间隔约90µm.这是由液晶扭曲力和表面锚定力相互作用达到平衡时产生的.在此过程中,胆甾相液晶螺距缓慢延伸,逐渐增大,形成螺距梯度.

图2 器件偏光显微镜照片

选择图1中x轴方向3个不同位置a,b,c,间隔5.8 mm,测得器件透射谱如图3所示.光子禁带长波边沿分别位于594,584,579 nm;根据平面态排列胆甾相液晶光子禁带特性,光子禁带长波边沿波长为nep.TEB30A型向列相液晶ne=1.692,计算获得在这三个位置螺距p分别为351,345,342 nm.可以判断,螺距在变化.由光子晶体态密度理论[5],选取液晶层厚度L=2mπp(p为螺距,m为整数),模拟得到胆甾相液晶光子态密度谱如图4所示.在光子禁带内,光子态密度较小,而光子禁带边沿波长处急剧增大;当增益超过损耗时,光子禁带边沿波长处出现受激激光辐射,光子禁带位置随螺距减小而向短波方向移动.

图3 器件透射谱

图4 光子态密度谱

图5 器件激光辐射谱

图6 激光辐射谱峰位随位置变化

在532 nm波长抽运光作用下,沿着x轴由厚到薄的方向,测得激光辐射谱如图5和图6所示,获得了波长间隔约1 nm的调谐激光,波长调谐范围约17 nm,实验中抽运光光斑直径约1 mm.精密控制抽运光斑尺寸,并减小楔形盒厚度梯度,可以进一步提高调谐精度.

4 结论

制作了楔形盒掺杂激光染料胆甾相液晶激光器,获得一种特殊的激光波长调谐特性,调谐范围约17 nm,调谐精度约1 nm.532 nm波长抽运光作用下,在随着液晶盒厚度增大的一维方向,液晶盒厚度不同位置出射激光波长不同,实现了根据位置可调谐激光器.经过平行取向处理的楔形盒中,胆甾相液晶形成了平面态排列,具有光子禁带.随着液晶盒厚度增加,平面态胆甾相液晶螺距增长,光子禁带位置移动,导致光子禁带边沿处辐射激光波长变化.

[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)[刘永军,孙伟民,刘晓颀,姚丽双,鲁兴海,宣丽2012物理学报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