对染料掺液晶随机激光电控特性的研究*

杜锦华，陈怀昊，吴 凯，赵 翀，王 雁，叶莉华，崔一平

(东南大学电子科学与工程学院，先进光子学中心，南京210096)

对染料掺液晶随机激光电控特性的研究*

杜锦华，陈怀昊，吴 凯，赵 翀，王 雁，叶莉华*，崔一平

(东南大学电子科学与工程学院，先进光子学中心，南京210096)

实验研究了液晶盒盒厚及摩擦方式对随机激光电控特性的影响，并分析了其物理机制。实验制备了3种盒厚的液晶盒，每种盒厚的盒都采取了3种摩擦取向方式(双面平行、双面反向、双面垂直)。不同盒厚的样品随机激光消失的关断电压Vdis分别在2.4 V(100 μm)、2.8 V(188 μm)、3.3 V(300 μm)左右，基本不受摩擦方式影响。该实验通过减小盒厚降低了随机激光的关断电压，为电控随机激光低功耗应用提供了一种可行的方法。

DDLC随机激光;电控特性;Fréedericksz转换;阈值电压;关断电压

近年来，随机激光已经成为国际激光学界的热门研究领域。随机激光，即随机介质内的受激辐射现象，是一种新型的激光发射机制，通过无序诱导的多重散射提供光学反馈，无需外加谐振腔。与传统激光相比，随机激光辐射也同样具有阈值特性，并且发射的光谱很窄，在时间、空间、频域上的随机性很大。由于其制造成本低廉、工作波长特定、尺寸小［1］、形状灵活等优点，随机激光在温度传感［2］、文档编码和材料标记、高密度光存储［3］、肿瘤诊断［4、5］、集成光学［1］、液体流向监控等领域具有非常可观的应用前景［6］。

液晶随机激光器就是以液晶作为无序散射介质的随机激光器，通过外在环境(如温度、电场等)参数的变化，改变液晶相或者调整液晶分子的取向或排列，从而控制液晶的各向异性分布或无序程度，来达到控制随机激光辐射特性的目的。2013年，北京理工大学的Li Longwu等人第1次研究了有摩擦与无摩擦掺染料液晶盒出射随机激光特性的不同［7］，而在近年的随机激光研究中，薄盒厚(如几μm)的液晶盒随机激光出射已经实现。但是，通过改变样品参数(盒厚、摩擦方式)来调控随机激光电控特性还需要进一步的系统的研究。

实验中选用向列型液晶E7，研究了不同参数(盒厚、摩擦方式)的染料掺液晶盒样品的电控随机激光特性。这些研究在需要考虑哪些参数及如何选择这些参数来降低电控随机激光电压大小方面有一定的参考价值。

1 实验装置

制备液晶盒时，用Mylar片垫在两片ITO玻璃间，玻璃交错放置，Mylar片厚度决定盒厚。玻璃导电面相对并且旋涂有PI取向剂，根据需要可以进行不同的摩擦取向。将激光染料PM597与向列型液晶E7的混合溶液经过毛细作用灌入盒中，盒的四周用AB胶封住，如图1。

图1 DDLC样品

实验前要将制备的液晶盒两端预留的玻璃上的PI取向剂的薄膜刮去，这是因为取向剂的薄膜对实验有影响，会导致后面的实验出现加电压无效的问题。

实验光路图如图2，利用三棱镜分出的Nd: YAG(Continuum公司的Powerlite PrecisionⅡ8010激光器，重复频率10 Hz，脉宽5 ns～7 ns)倍频光作为泵浦光源，输出波长532 nm。调节格兰棱镜组可以控制泵浦光的偏振与强度。通过信号发生器产生频率1 kHz的方波信号加在液晶盒两面，通过示波器显示信号波形参数，如图3所示。采用Acton Research Corporation公司的光学多通道分析仪OMA (Optical Multichannel Analyzer)采集发射的随机激光信号，分辨率可达0.1 nm。

图2 实验光路图

图3 电控装置图

2 实验结果及理论分析

2.1 Vdis关断特性及Vth阈值特性

实验先用盒厚188μm、双面同向摩擦、染料浓度为0.3wt%的样品观察DDLC随机激光对于电压控制的响应，如图4所示。

图4 188μm盒厚，双面同向摩擦情况下电压变化对于随机激光的影响

从图4可以看出，电压在0 V到2 V之间变化的时候，随机激光的强度基本不会变化;当电压增大到2.3 V之后，随机激光的强度会出现明显的衰减。此时的电压值就为阈值电压Vth。继续增大电压，当达到2.7 V的时候随机激光现象完全消失，这个电压我们称为关断电压Vdis。

出现以上现象是由于通过外加电场改变液晶分子的排列从而改变其散射常数，影响随机激光的辐射特性。液晶指向矢的取向可以由边界条件加以控制，也可以用外加磁场或电场的办法使它发生改变。作用在液晶上电磁场、温度、压力等变化时，液晶分子的取向容易随之改变［8］。在液晶盒中，如果玻璃表面是经过摩擦取向处理的，沿玻璃表面液晶的指向矢就会有确定的排列取向，越向内，液晶受到表面锚定作用影响越小。如果对液晶施加一个与指向矢取向相垂直的电场，那么液晶内部将受到两个转矩的影响:一个是外电场对液晶分子施加的转矩，另一个是由于受到边界条件限制而引起的形变转矩。在平衡状态下，两个转矩的作用相互抵消。一旦电场强度超过一定的阈值Vth，那么从能量上来看，液晶内部的分子将更适合于转向外电场方向的排列。这就是所谓的Fréedericksz转换［9］。而当电压足够大后，液晶的排列取向主要受到电场影响，电压越大，液晶指向矢的排列越趋向于一致性，这将导致内部散射平均自由程变大，散射能力变弱，出射的随机激光强度变小，直至电压增大到某一个值Vdis后，随机激光消失。

2.2 样品参数(盒厚、摩擦方向)对Vdis的影响

实验选择染料浓度为0.3wt%的PM597和液晶E7的混合溶液，取 3种盒厚:100μm、188μm、300μm，以及3种摩擦方式:双面同向摩擦、双面反向摩擦，双面垂直摩擦。实验过程中保持泵浦光能量不变，样片和OMA探头的位置不变。图5～图7是这些情况下得到的随机激光发射谱，其中电压大小是方波信号的幅值。

图6 188μm盒厚，同向摩擦(a)，反向摩擦(b)，垂直摩擦(c)情况下电压变化对于随机激光的影响

将以上结果汇集成表1，可以更直观地显示出不同情况下Vdis的变化情况。

关断电压盒厚m 3.3V 3.3V 3.4V摩擦方式同向摩擦 反向摩擦 垂直摩擦100μm 2.5V 2.5V 2.4V 188μm 2.7V 3.0V 2.8V 300μ

图7 300μm盒厚，同向摩擦(a)，反向摩擦(b)，垂直摩擦(c)情况下电压变化对于随机激光的影响

从表1可以看出，对于同一种盒厚，盒两面取3种不同的摩擦方式时，Vdis在误差允许范围内基本保持不变，这说明盒两面摩擦方式的不同对Vdis基本没有影响。这是因为，电场或磁场引起指向矢改变液晶分子的取向大多发生在液晶盒内部，越接近盒表面变化就越被削弱［10］。而摩擦方式却主要影响了表面分子的排列方式，对内部分子影响较小。所以，对于同一种盒厚，盒两面的摩擦方式对Vdis基本没有影响，只要电压增加到Vdis，液晶内部分子的指向矢的排列会趋向于一致性，随机激光就会消失。

对于同一种摩擦方向的样品而言，随着盒厚的增加，关断电压Vdis也随着增大。这是因为盒越厚，盒内部的液晶分子越多，要改变指向矢的方向需要的电压就会越大。

而在对不同的盒厚和不同摩擦方式的样片测量的时候我们发现，阈值电压Vth基本上没有变化，均在2 V～2.3 V之间。这与薄液晶样品Fréedericksz转变电压公式给出的结论相符，即阈值电压Vth与液晶盒的厚度无关。

3 总结

实验研究了向列相液晶中掺杂荧光染料客体的溶液(DDLC)在液晶盒结构样品中随机增益系统的电控特性，不同样品参数，包括摩擦取向方式、盒厚对于电控特性的影响。外加电压上升到阈值电压Vth时，随机激光的强度会出现明显的衰减，继续增大电压到Vdis后随机激光会消失。实验结果发现，样品参数影响Vdis的大小，盒越厚，Vdis越大。但盒两面摩擦方式的不同对Vdis不产生影响。之所以会出现这些现象，就是利用了液晶的电控特性，液晶的排列分布会受到电压的影响，当电压达到一定值后，向列型液晶分子的排列会趋于一致，导致系统内部的无序性大大减弱，散射能力减弱。对于同一种摩擦方向的样品而言，随着盒厚的增加，盒内部的液晶分子越多，要改变指向矢的方向需要的电压就会越大，关断电压 Vdis也就越大。电压调控的液晶随机激光比传统的温度控制更加快速，实验所研究的内容为电控随机激光低功耗应用提供了一种新方法。

［1］ Diederik Wiersma.The Smallest Random Laser［J］.NATURE，2000，406:132-133.

［2］ Song Qinghai，Xiao Shumin，Zhou Xinchuan，et al.Liquid-Crystal-Based Tunable High-Q Directional Random Laser from a Planar Random Microcavity［J］.Optics Letters，2007，32(4):373-375.

［3］ Shunsuke Murai，Koji Fujita，Takayuki Hirao，et al.Scattering-Based Hole Burning Through Volume Speckles in a Random Medium with Tunable Diffusion Constant［J］.Applied Physics Letters，2008，93(15):151912:1-3.

［4］ Randal C Polson，Valy Vardeny Z.Random Lasing in Human Tissues［J］.Applied Physics Letters，2004，85(7):1289-1291.

［5］ Song Qinghai，Xiao Shumin，Xu Zhengbin.Random Lasing in Bone Tissue［J］.Optics Letters，2010，35(9):1425-1427.

［6］ Cao Hui.Lasing in Random Media［J］.Waves in Random Media，2003，13:R1-R39.

［7］ Li Longwu，Deng Luogen.Random Lasing from Dye-Doped Chiral Nematic Liquid Crystals in Oriented and Non-Oriented Cells［J］. European Physical Journal B，2013，86(3):112.

［8］ 钱忠祥，温度补偿型电调谐液晶光学滤波器的设计［J］.传感技术学报，2005，18(3):570-572.

［9］ 黄子强.液晶显示原理［M］.北京:国防工业出版社，2008: 120-124.

［10］彼得J柯林斯.液晶［M］.阮丽真，译.上海:上海科技教育出版社，2002:56.

杜锦华(1991- )，女，汉族，山东招远人，东南大学电子科学与工程学院本科生，471260529@qq.com;

叶莉华(1974- )，女，汉族，江苏泰州人，东南大学电子科学与工程学院副教授，研究方向为微纳光电功能材料与应用技术，光电集成与探测技术，ylh @seu.edu.cn。

Electrically Controllable Behavior of Random Laser in Dye Doped Liquid Crystals*

DU Jinhua，CHEN Huaihao，WU Kai，ZHAO Chong，WANG Yan，YE Lihua*，CUI Yiping
(Advanced Photonics Center，Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

This experiment studied effects of thickness and rubbing direction of the cells on the electrically controllable behavior of random laser in dye doped liquid crystals.The physical mechanisms have been analyzed.We prepared different kinds of DDLC cells with three different thickness，each has three different rubbing direction(double parallel rubbing，double reverse rubbing and double vertical rubbing).The cut off voltage Vdisof different thickness samples are respectively around 2.4 V(100 μm)，2.8 V(188 μm)，3.3V(300 μm)，and are not affected by rubbing direction.This process allows us to reduce the cut off voltage Vdisof random laser by reducing thickness of cells，and provides an available method for the applications of electrically controllable liquid crystal random laser with lovo-power.

Dye-Doped Liquid Crystals(DDLC)random laser;electrically controllable behavior;Fréedericksz conversion;threshold voltage;cut off voltage

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.005

O432.1;TN241

A

1005－9490(2014)02－0190－05

项目来源:国家大学生创新训练计划项目(1210286030)

2013-07-07修改日期:2013-08-27

EEACC:4320E