染料掺杂液晶填充毛细管的激光发射特性研究∗

吕月兰 尹向宝2) 孙伟民 刘永军 苑立波

1)(哈尔滨工程大学,纤维集成光学教育部重点实验室,哈尔滨 150001)

2)(黑龙江科技大学理学院,哈尔滨 150022)

1 引 言

可调谐激光器可以在一定范围内连续改变激光输出波长,广泛应用于光谱学、医学、信息处理和通信等领域.染料掺杂液晶可调谐激光器具有从近紫外到近红外宽波长调谐范围的特点,并且尺寸小、线宽窄、光学效率高,这使其在光通讯、传感器、医学诊断等领域可发挥重要作用.目前染料掺杂液晶可调谐激光器常用的激光发射模式为分布反馈(distributed feedback,DFB)模式和回音壁模式(whispering gallery modes,WGMs)以及相干反馈随机激光(random lasers,RL)模式,可以在单芯片实验室[1]、医学诊断[2]、传感器[3]等领域有潜在的应用.

目前,关于液晶激光发射的研究,一般是基于玻璃基板的分布反馈激光发射或是基于微滴结构回音壁模式激光发射.2012年Van等[4]实验分析了液晶微滴中的模式间隔和Q参数、模式数以及激光输出能量的关系.2013年,Hiroyuki等[5]提出利用可调谐胆甾相液晶(cholesteric liquid crystals,CLCs)微滴,通过在聚合物基质中嵌入纳米尺寸的液晶网孔实现对折射率的调制,以此控制反射带,同时设计在胆甾相液晶层下放置活性聚合物用于提供辅助增益.2014年,Lin等[6]研究了不同温度下光子禁带边缘激光的发射模式以及激光强度和波长随温度的变化情况;2014年,Lagerwall等[7]提出胆甾相液晶微滴间的光通信可调谐多彩模式及其在光通信开关、光耦合器和防伪标签中的应用.但玻璃基板结构和液晶微滴结构的激光输出效率均较低,并且微滴结构不够稳定[8,9].近年来,以光沿微腔内表面不断全反射所形成的回音壁微腔激光器备受关注[10−12],2017年,Li等[13]提出内径不同毛细管产生WGMs具有较好的光谱可逆性;Nagai等[14]提出染料掺杂向列相液晶(nematic liquid crystals,NLCs)毛细管形成柱形微腔WGMs,但发射激光阈值较高(1.3 mJ·mm−2).本文提出一种染料掺杂液晶填充有PI取向膜毛细管的激光发射,采用毛细管基体内壁抽真空涂覆聚酰亚胺光控取向膜,有效限制轴向光波,该发射具有DFB和WGMs,并大幅降低了阈值能量;同时,研究了其温度调谐可行性,对于具有圆形微腔的液晶填充有聚酰亚胺(PI)取向毛细管在激光发射方面的应用具有重要的参考价值.

2 染料掺杂液晶填充毛细管激光发射原理

与传统的激光器相比,基于Bragg反射[15]原理,胆甾相液晶无需反馈腔,自身可以提供分布式反馈,染料掺杂胆甾相液晶填充毛细管激光发射是在折射率和增益的周期性简谐结构中,利用外界因素控制液晶折射率,构成折射率分布反馈结构,从而获得窄线宽的激光输出.波长满足Bragg条件的光会产生正反馈,在增益介质内部放大,赢得模式竞争,经分布反馈形成发射强度较强的带隙激光即DFB激光,发射激光波长由Bragg方程λBragg=neffp/(m·sinθ)决定[16],其中λBragg为输出激光波长,neff为增益介质的有效折射率,p为胆甾相液晶螺距,θ为两相干光半夹角,m为输出激光的阶次.由上述方程可知:改变neff或者改变θ,都可对输出激光波长进行调谐.同时,染料掺杂液晶填充毛细管作为柱形微腔而产生WGMs,模式被束缚在赤道平面附近.由于染料掺杂液晶的低损耗和微腔表面光滑,导致强反射产生共振的光经过很长时间才被耗散掉,因此WGMs具有极高的品质因子和能量密度[17].自由光谱范围(FSR)由计算,其中R为毛细管内径,λ为谐振光波长,可见改变neff或者R均可实现输出激光调谐.液晶分子经PI取向后可以引起较大的光学各向异性,液晶分子有效折射率为其中n是液晶的非e寻常光折射率,no是液晶的寻常光折射率,因此对于染料掺杂液晶填充有PI取向毛细管可以通过温度改变neff进行DFB和WGMs的调谐;同时内径R越小对应的Δλ越大,更有利于增大微腔作为传感器使用时动态探测范围.

3 实验结果与讨论

3.1 样品制备

染料掺杂液晶填充有PI取向膜毛细管可调谐激光器样品的制备选用的毛细管内径分别为100,200,300µm,所用的液晶为北京八亿时空液晶科技股份有限公司生产的向列相液晶BHR33200.在BHR33200中掺杂质量分数为1%的激光染料DCM以及26%的手性剂S811配制成染料掺杂胆甾相液晶,其中向列相液晶(BHR33200)在常温20°C下寻常光折射率为1.522,非寻常光折射率为1.692,清亮点温度为61.2°C,手性剂浓度取决于染料荧光光谱的位置,使染料荧光光谱范围涵盖胆甾相液晶的反射禁带.所用光控取向膜为PI材料,采用N-甲基吡咯烷酮按质量分数50%稀释取向膜,在毛细管内侧抽真空涂覆PI光控取向薄膜厚度为100—200 nm,用强度为20 mW/cm2的美国路阳LUYOR-3130偏振紫外光垂直照射,起偏方向沿着毛细管轴向,光照10 min进行取向处理,在照射时定时转动毛细管,以获得均匀照射,加热至120°C烘干.将光照后的毛细管置入液晶中利用毛细效应将液晶注入毛细管中,注入长度为2 cm,加热至50°C,放置10 min.抽运激光器为北京镭宝光电公司提供的Dawa-100Nd型YAG倍频脉冲激光器,脉冲宽度8 ns、重复频率1 Hz、波长532 nm、功率50 mJ,并通过透镜耦合,利用上海复享光学提供的测量精度为0.09 nm的PG2000光纤光谱仪进行发射谱的测试.实验装置如图1所示,激光器发射的抽运光经偏振片后利用透镜聚焦到填充染料液晶毛细管上,被光纤探头接收后经光纤光谱仪导入计算机处理,其中θ为光谱仪探头与激光器样品表面所呈角度,文中未说明接收位置时,均为侧面接收.

图1 实验装置图,子图为染料掺杂胆甾相液晶填充有PI膜毛细管剖面图Fig.1. Schematic illustration of the experimental setup.The inset is pro file of the capillary tube fi lled by CLCs with PI.

3.2 光控取向膜对发射特性的影响

用OLYMPUS-CX31偏光显微镜在两个正交偏振片下,测量向列相液晶填充有、无PI取向膜毛细管的显微镜照片,结果如图2所示.其中图2(a)和图2(b)为毛细管轴向与偏振片起偏方向之间夹角为0°和45°的图像,可以看出:有PI取向膜毛细管沿管轴向呈明暗相间的条纹,这是由于光的干涉形成的,条纹的均匀性说明液晶在管内部具有均匀的排列;而无PI取向膜的毛细管则亮度分布明显不均匀,说明光控PI取向膜可以有效控制液晶分子均匀有序排列.

对无PI取向膜毛细管圆形微腔采用侧向光抽运方式,得到无PI取向膜不同内径毛细管填充染料掺杂液晶发射谱(如图3所示).由图3(a)可以看出,染料掺杂向列相液晶填充100µm毛细管形成了较弱的WGMs,这是由于液晶折射率大于毛细管(SiO2)折射率,进入微腔的光波被限制在腔内,在边界多次反射下满足相位匹配条件.随内径的增大,对于染料掺杂向列相液晶填充200µm毛细管,由于毛细管内壁之间自发辐射光子多重散射引起的相干反馈,会产生RL,但在赤道平面附近仍然有部分WGMs.而内径较大的300µm毛细管,由于散射较强,则没有形成WGMs.从图3(b)可以看出,染料掺杂胆甾相液晶填充小内径毛细管时,在侧面接收到较弱的WGMs和DFB,这说明小内径的毛细管更容易形成WGMs,这与之前报道的结论一致[18].分析认为:同时产生DFB和WGMs,是由于染料掺杂胆甾相液晶的螺旋结构引发了胆甾相液晶的选择性光反射,其光学各向异性的液晶分子对不同偏振方向光的折射率不同,所以在胆甾相液晶中,液晶分子沿螺旋轴排列方向呈现周期性变化,此方向偏振光的折射率也呈周期性变化,从而形成光学禁带,满足Bragg反射条件产生DFB,而且内径较小的100µm毛细管截面面积小,功率密度高,因而更容易产生激光.

图2 正交偏光显微镜下毛细管有无PI取向的对比(a)夹角0°;(b)夹角45°Fig.2.The POM images of capillary tube fi lled by NLCs with and without PI under the orthogonal polarized light microscope:(a)Angle 0°;(b)angle 45°.

图3 无PI的不同内径毛细管填充染料掺杂液晶发射谱 (a)填充染料掺杂向列相液晶;(b)填充染料掺杂胆甾相液晶Fig.3.Emission spectrum at different diameter dye-doped liquid crystal packed capillary of without PI:(a)Dye-doped NLCs;(b)dye-doped CLCs.

有PI取向膜毛细管圆形微腔采用侧向光抽运方式,100µm有取向膜毛细管填充染料掺杂液晶发射谱如图4所示,可以看出毛细管填充染料掺杂胆甾相液晶的发射谱兼具DFB和WGMs,而且WGMs形成得更好.而填充染料掺杂向列相液晶的发射谱较无取向的光谱改善并不明显.图5对比了染料掺杂液晶填充有、无PI取向膜内径100µm毛细管发射阈值,可以看出无取向毛细管发射阈值为26.2 mJ·mm−2,有取向毛细管发射阈值为4.5 mJ·mm−2,这一结果较文献[14]中报道的低近三个量级.这是由于PI膜使液晶分子均匀定向排列,降低了散射损耗.

图4 100µm有PI毛细管填充染料掺杂液晶发射谱Fig.4.Fig.4.Emission spectrum dye-doped liquid crystal packed capillary of with PI.

图5 染料掺杂液晶填充有、无PI取向毛细管发射阈值的对比Fig.5.Emission threshold as a function of input intensity without and with PI photo-alignment fi lms.

图6 染料掺杂液晶填充有PI取向毛细管波长不同角度发射谱 (a)在侧面接收发射谱;(b)在端面接收发射谱Fig.6. Emission spectrum at different angle dyedoped liquid crystals packed capillary with PI orientation:(a)The side;(b)end face.

图6给出了利用测角仪(测量精度为1°)测量并控制角度得到染料掺杂液晶填充有PI取向膜毛细管不同角度发射谱.图6(a)是侧面不同角度的发射谱,从图中可以看出在侧面接收不同角度的激光发射兼具DFB和WGMs,其中光强最大对应的谱线为DFB,频谱间隔较均匀的谱线为WGMs,而且与角度无关,这是由于DFB和WGMs均垂直于毛细管壁向外,同时是垂直管壁面的360°激光发射,因此提高了激光发射强度;图6(b)是在毛细管端面接收的发射光谱,从图中可以看出内径较小的100µm毛细管在端面处没有DFB和WGMs,原因是PI光控取向膜的作用使得在毛细管内的胆甾相液晶的螺旋方向垂直于管壁,且由于左手手性剂S811的作用,使其沿径向有较好的螺旋结果(如图1子图所示),从而在端面(即轴向方向)没有任何的激光输出;而对于内径较大的200,300µm毛细管,PI膜对距离毛细管内壁较近处液晶束缚力较强,使液晶呈胆甾相螺旋结构沿径向排列,而PI膜对管内深处液晶的束缚力较弱,没有形成很好的统一螺旋结构,在毛细管深处液晶分子处于多畴混乱状态,但局部螺旋结构仍然存在,每个液晶畴中都具有螺旋,不同畴的螺旋轴在空间的取向杂乱无章,同时光子在液晶中的多重散射会获得放大和增益,因此在端面(即轴向方向)会有微弱的随机激光输出[19].

3.3 温度对激光发射光谱的影响

研究不同温度下的染料掺杂胆甾相液晶填充有PI取向内径100µm毛细管的发射谱,如图7所示.观察到温度由25°C升高至48°C时,根据Bragg方程[20]λ=ne·p,式中ne为液晶非寻常光折射率,由于螺距p与ne会同时随温度升高而减小[21],因此DFB发射波长随温度升高发生“蓝移”,调谐范围为5.9 nm,即599.87—605.77 nm.当温度增加到43°C时,如图7(c)所示,由于破坏了胆甾相液晶的螺旋结构,DFB激光消失,同时由于温度升高后光散射强度减小,形成了非常好的WGMs,其FSR为1.05 nm.

图7 100µm填充胆甾相液晶毛细管随温度发射谱 (a)25°C—48°C;(b)25°C;(c)43°C;(d)48°CFig.7. Emission wavelength of CLCs fi lling the capillary tube of 100 m at different temperature:(a)25 °C–48 °C;(b)25 °C;(c)43 °C;(d)48 °C.

4 结 论

本文研究了染料掺杂液晶填充PI光控取向膜毛细管激光发射特性,发现该结构液晶激光器在有PI取向时发射激光阈值能量低,达到4.5 mJ·mm−2,同时填充有染料掺杂胆甾相液晶经PI取向膜毛细管的激光发射具有DFB和WGMs两种模式;温度调谐使发射光谱发生“蓝移”,调谐范围为599.87—605.77 nm.在45°形成了非常完好的WGMs,其FSR为1.05 nm.本研究对开发基于染料掺杂液晶填充有PI取向膜毛细管温度调谐激光器、滤波器以及光开关、传感器等具有积极的指导意义.

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