SU-8光栅结构中的液晶激光特性

乌日娜， 卢佳琦， 杨 帆， 张 楠， 郭宋明， 岱 钦

(沈阳理工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110159)

1 引 言

染料掺杂手性向列相液晶激光器作为一种新型的分布反馈式(DFB)激光器，自1973年由Goldberg等报道后[1]，一直是国际研究的热点。随着激光器件的不断发展，染料掺杂手性向列相液晶激光器在众多领域表现出来的优势愈加鲜明。相较于其他种类有机和无机的激光器，染料掺杂手性向列相液晶激光器结构简单紧凑、无需外加谐振腔、尺寸较小、满足当前器件微型化的需求[2-7]。由于液晶在光、电、磁、热等外场作用下，可以通过改变自身排布状态来变化折射率，进而实现辐射激光波长调谐，因此在集成光学系统、光通信、光传感等方面有着无限的可能应用[8-10]。

关于手性向列相液晶激光器有较多激光辐射机制及利用外场进行波长调谐技术的研究报道。2009年，Blinov利用光子态密度理论对平面织构态手性向列相液晶激光器的光子态密度分布进行了详细推导，分析其阈值特性并很好地解释了带边激光的产生原理[11]。2013年，Liu等利用胆甾相液晶和 DCM 染料制作可调谐激光器，通过调节温度和电场，分别实现了发射波长的可调谐作用。其中温度调谐范围为24.14 nm，电场调谐范围为 9.29 nm[12]。近年来，探索新型器件结构成为了研究热点之一。2007年，Blinov等通过将器件一侧电极变为带铬不透明的光栅电极，在带有染料掺杂的向列相液晶器件侧面及其各向同性时侧面均观察到了激光现象[13]。2011年，Deng等选取DCM作为激光染料，成功制备了周期为589 nm的基于透射式液晶/聚合物光栅的分布反馈式激光器，从光栅侧面得到了中心波长约603 nm的窄线宽、低阈值激光输出[14]。2017年，Liu等利用光场中的定域光聚合制备液晶/聚合物光栅，形成分布式反馈有机半导体激光器。通过改变光栅周期，从正面出射激光范围可达53.4 nm[15]。2018年，Liu等深入研究了激光染料DCM掺杂的液晶聚合物光栅的激光现象，在器件侧面实现了宽光谱范围激光出射[16]。侧面辐射器件，有利于与其他器件集成，使用方便、灵活。

本文设计制作了SU-8光栅结构的染料掺杂手性向列相液晶激光器件。通过光掩模法制作盒内光栅结构，使用532 nm Nd∶YAG倍频脉冲激光器作为抽运光源，研究器件的激光辐射特性，并进行了深入分析。

2 实 验

2.1 器件结构设计及样品制备

在清洁好的ITO玻璃基板表面上涂覆PI取向层，200 ℃高温固化1 h，摩擦取向。SU-8(Microchem Company)作为一种负性光刻胶，其特点是在紫外光波段的作用下，接受曝光的部分会由于光引发剂吸收光子而发生光化学反应，进而形成一种不溶于显影液的物质，从而可以在显影处理的过程中洗掉未曝光的部分，留下成型的SU-8光栅结构。旋涂SU-8光刻胶时通过调整匀胶机的转速与时间来控制膜厚。利用紫外光下光掩膜法对其进行曝光。图1为正交偏光显微镜下的光栅基板图片，其中光栅周期约15m，光栅通道宽度约5m。

图1 光栅的基板

将其与同样进行取向摩擦处理过的ITO玻璃基板封胶处理，制成反平行取向液晶盒，盒厚约15 μm(SU-8胶厚为15 μm，相当于隔垫物)。将向列相液晶TEB30A(清亮点61 ℃，黏度为42 mm2/s@20 ℃，折射系数为ne=1.692，no=1.522，Δn=0.17)、手性剂S-811(4-(4-乙氧基)苯甲酰氧基苯甲酸-(S)-(+)-2-辛醇脂)、激光染料PM597分别按质量分数72.4%、25.6%、2%混合均匀，通过毛细作用注入到液晶盒中，将样品加热至各向同性态温度后自然降温至室温。

2.2 激光辐射谱测试

实验探测光路及装置如图2所示。利用Nd∶YAG固体激光器倍频出的532 nm波长的脉冲激光作为抽运光，脉冲频率为3 Hz，脉宽20 ns，激发样品。泵浦光强弱由可调节衰减器进行控制。通过滤光片消除泵浦光束中可能存在的1 064 nm波长激光。使用小孔光阑过滤掉杂散光并确保泵浦源的强度均匀性。利用分光棱镜将泵浦光分为1∶1的反射、透射两束光，其中反射光进入光功率计，透射光束则通过焦距为100 mm的柱透镜，形成长约2 mm、宽约0.5 mm的线型光斑，这样可以覆盖较多的光栅通道，如图3所示。

图2 实验探测装置示意图

采用多通道光纤光谱仪(Avantes) (分辨率为0.064 nm)分别测量器件侧面(x轴)和正面(与z轴成30°，为了避免泵浦光直射光纤探头，影响探测结果)两个方向的激光辐射谱。

图3 泵浦样品示意图

3 结果与分析

在室温下，器件侧面方向的激光辐射谱如图4所示。当泵浦能量Ep为 4.2J 和 6.9J时，在580～590 nm范围内，出现了多个激光辐射峰，半高全宽(Full width at half maximum, FWHM)约0.19 nm；而Ep=5.7J时，579.29 nm和 584.67 nm处出现了两个激光辐射峰，FWHM约0.19 nm；Ep=7.7J 时，582.14 nm 和585.25 nm处出现了两个激光辐射峰，FWHM约0.19 nm。只出现两个激光辐射峰，明显区别于手性向列相液晶的随机激光辐射谱，即较强的自发辐射放大谱上出现多个尖锐离散的激光峰[17]。

由图4(b)、(d)可以看出，两个独立的激光辐射峰主要由SU-8光栅的布拉格反射作用产生。根据布拉格公式

2dneffsinθ=mλ，

(1)

其中SU-8光栅周期d=15m，θ=π/2(激光辐射x方向与光栅通道y方向垂直)，反射级数m取整数，有效折射率neff=1.585 1，neff由下式计算得出：

(2)

图4(a)、 c)显示了多个尖锐的、离散的激光辐射峰。其主要原因是荧光光子在液晶分子间的多重散射提供反馈放大，当增益大于损耗时形成了激光输出。液晶盒内的手性向列相液晶分子处于一种多畴状态排列，不同畴的螺旋轴取向杂乱无章，光栅通道的存在使得大小晶畴在一定范围内沿着光栅矢量紧密排列，形成折射率随机分布的微区。荧光光子在液晶分子间多重散射，随机形成闭合回路，使更多的光子局域在回路中，不断反馈放大形成共振，最终形成激光出射。

图4 器件侧面(x轴)方向的激光辐射谱，其中(a)～(d)为室温下，(e)为各向同性温度下。

光栅的布拉格反射和液晶分子间的多重散射，这两种反馈放大机制相辅相成，共同存在。当布拉格反射提供的反馈放大为主导时出现两个独立的激光辐射峰，而液晶分子间的散射提供的反馈放大为主导时出现多个激光辐射峰。因此，在一定的泵浦能量下，两种模式对应的激光辐射谱都有可能出现，显示了一定的随机性。因此，在不同的泵浦能量下显示了不同的激光辐射谱。

当器件被加热至61 ℃时，液晶的各向异性(如介电、介磁各向异性，光学上的双折射等)消失，转变为各向同性的液体[18]。此时液晶对光的多重散射作用将大幅度降低。测量器件侧面方向的激光辐射谱，泵浦能量为几微焦时，只能观察到FWHM较宽的自发辐射谱。而泵浦能量达到Ep=16.7J时，在590.60 nm处出现一个尖锐的激光辐射峰，FWHM约0.24 nm，如图4(e)所示。当液晶进入各向同性态时，nlc值将进一步减小(ne随温度减小)，与nSU-8值接近。因此取neff=nSU-8=1.574 2。由公式(1)得出，m=80时，λ=590.325 nm,与实验测量结果符合较好。这说明，在液晶各向同性态下，SU-8光栅的布拉格反射引起的反馈放大仍存在。

测量了器件正面方向的激光辐射谱，如图5所示。室温下，当泵浦能量为Ep=21.5J时，观察到了典型的手性向列相液晶随机激光辐射谱，即自发辐射增强后出现多个尖锐的、分立的随机激光峰，FWHM约为0.17 nm。当加热样品至各向同性态时，液晶对光的多重散射作用大幅度降低，随机激光辐射峰也随之消失。器件的正面，SU-8光栅的布拉格反射作用可以忽略不计，另外染料和液晶的混合物被分散在不同的光栅通道中，使得光子在液晶中的多重散射强度减弱，需要较高的泵浦能量才能获得液晶随机激光辐射。

图5 器件正面(z轴)方向的激光辐射谱

4 结 论

本文采用光掩模法将SU-8光栅结构引入至染料掺杂手性向列相液晶激光器件中，利用532 nm Nd∶YAG固体脉冲激光器作为泵浦源，泵浦光激发激光染料产生的荧光光子可以在液晶分子间多重散射获得反馈放大，并在SU-8光栅中布拉格反射获得反馈放大，这两种机制共同存在，相辅相成。当泵浦能量Ep为 4.2J 和 6.9J时，器件侧面在580～590 nm范围内出现了多个离散分立的随机激光辐射峰，FWHM约0.19 nm；而Ep为 5.7J和7.7J时，又在579～585 nm范围内出现独立的两个激光辐射峰，FWHM约0.19 nm；当泵浦能量为Ep=21.5J时，于器件正面获得了584～590 nm 范围的随机激光辐射，FWHM约0.17 nm。加热器件至液晶相变为各向同性态时，器件侧面仍有激光辐射，波长约590.60 nm，FWHM约0.24 nm。在器件正面和侧面均实现了随机激光辐射，有利于方便灵活使用。