烏日娜，鄔小嬌，吳 杰，彭增輝，姚麗雙，岱 欽*

1.沈陽理工大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽 110159 2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所, 應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室, 吉林 長春 130033

電場作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜研究

烏日娜1，鄔小嬌1，吳 杰1，彭增輝2，姚麗雙2，岱 欽1*

1.沈陽理工大學(xué)理學(xué)院，遼寧 沈陽 110159 2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所, 應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室, 吉林 長春 130033

研究了電場作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜。設(shè)計了兩種電極結(jié)構(gòu)，分別對正性和負(fù)性液晶器件施加橫向和縱向電場，采用532 nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器泵浦樣品。對正性液晶器件施加電場，在 630～660 nm范圍獲得多波長的激光輸出。對負(fù)性液晶激光器件施加電場，獲得調(diào)諧范圍為18.5 nm的激光輸出。由器件織構(gòu)和光子禁帶的變化，進(jìn)行了深入的分析。正性液晶器件，在電場力矩與扭曲力矩相互競爭過程中，引起液晶的流動，光子禁帶上下浮動，因此不僅在禁帶邊沿，禁帶內(nèi)也出現(xiàn)激光輻射。而負(fù)性液晶器件隨著電場強度增大，液晶螺距收縮，禁帶藍(lán)移，輸出激光波長從681.0 nm藍(lán)移到662.5 nm，出射激光波長為光子禁帶邊沿處。負(fù)性液晶器件在電場作用下的穩(wěn)定性較好。

激光輻射譜； 手性向列相液晶； 激光染料； 電場

引 言

染料摻雜手性向列相液晶激光器是一種將激光染料摻雜入液晶中，利用手性向列相液晶分子選擇反射特性形成的光子禁帶，在外界激勵下實現(xiàn)激光輸出的新型分布反饋式(DFB)激光器。由于結(jié)構(gòu)簡單，閾值低，可調(diào)諧，制作成本較低，液晶激光器很容易實現(xiàn)微型化，且能大量生產(chǎn)。目前液晶器件應(yīng)用技術(shù)和生產(chǎn)工藝逐漸成熟，液晶激光器在顯示、集成光學(xué)、光通訊等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

為實現(xiàn)液晶激光器件的應(yīng)用，研究者在實驗和理論上均進(jìn)行了大量研究。近年來，手性向列相液晶的研究取得一系列進(jìn)展，提出許多可行性方案，尤其是器件的調(diào)諧特性研究進(jìn)展非常迅速。Jeong等[1]利用楔形液晶盒，使膽甾相液晶形成螺距梯度，在外界激光泵浦作用下獲得空間位置調(diào)節(jié)激光輸出。Morris等[2]研究了摻雜不同手性劑的手性向列相液晶激光器的溫度調(diào)諧特性，分析了器件輸出波長隨溫度變化成離散分布的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案。2013年Wu等利用光子態(tài)密度理論研究了溫度調(diào)諧液晶激光器，試驗獲得調(diào)諧范圍為40 nm的溫度調(diào)諧激光輸出[3]。相對于溫度調(diào)諧液晶激光器，由于作用機理的不同，表面錨定力的作用和空間電荷分布的影響，染料摻雜手性向列相液晶激光器電場調(diào)諧的研究進(jìn)展并不順利。Schmidtke等[4]設(shè)計了柵條狀結(jié)構(gòu)電極，使用類似共面轉(zhuǎn)換(IPS)的方式對手性向列相液晶施加電場，但實驗獲得輸出激光的波長調(diào)諧現(xiàn)象并不明顯。此外，還有學(xué)者對染料摻雜負(fù)性液晶施加交流電場，觀察到了禁帶移動和禁帶變淺的現(xiàn)象。為避免表面錨定力的影響，Dzaki等用負(fù)性液晶并讓液晶的螺距與液晶盒表面平行的排列方式，獲得了調(diào)諧范圍較大的激光輸出。這種方法獲得的激光是從液晶盒的側(cè)面縫隙輸出，為保證輸出光不受影響，液晶盒側(cè)面不能封膠，不利于實際應(yīng)用。

本工作設(shè)計了兩種電極結(jié)構(gòu)器件，研究了電場作用下染料摻雜手性向列相液晶器件激光輻射譜，并進(jìn)行了深入的分析討論。

1 實驗部分

1.1 正性液晶器件電極結(jié)構(gòu)設(shè)計與樣品制備

由于正性和負(fù)性液晶介電常數(shù)的差異，它們對電場的響應(yīng)也不盡相同。施加電場后正性液晶分子長軸趨向電場方向，負(fù)性液晶分子短軸朝向電場方向。為實現(xiàn)手性向列相液晶激光器件的輸出波長調(diào)諧，正性器件需要施加橫向電場(垂直于螺旋軸方向)。如果正性器件施加縱向電場(平行螺旋軸方向) ，平面排列態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)榻瑰F織構(gòu)態(tài)[5]，光子禁帶消失，關(guān)斷激光輸出。將不帶電極層的玻璃基板旋涂PI取向劑，摩擦取向后以13 μm厚的長條狀鋁電極作為隔墊物制作反平行液晶盒，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，25.6%，73.4% 的激光染料DCM(Aldrich)、向列相液晶TEB30A(石家莊永生華清)、手性劑S-811(石家莊永生華清)混合均勻并灌注到液晶盒中。樣品結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，電極間隔為0.5 mm。

1.2 負(fù)性液晶器件電極結(jié)構(gòu)設(shè)計與樣品制備

負(fù)性液晶器件需要施加縱向電場(平行于螺旋軸方向)。負(fù)性器件加橫向電場(垂直于螺旋軸)，同樣將平面排列態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瑰F織構(gòu)態(tài)，光子禁帶消失，關(guān)斷激光輸出。制作鍍有電極的ITO玻璃基板制成的取向膜反平行摩擦的液晶盒。采用9 μm的隔墊物控制盒厚。將負(fù)性向列相液晶SLC12V620-400(石家莊誠志永華顯示材料有限公司)、手性劑S811(石家莊永生華清)、激光染料DCM( Aldrich)分別以79.46%，19.54%，1.00%的比例混合，混合均勻后灌注到制備好的液晶盒中，樣品結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

1.3 實驗測量

采用偏光顯微鏡(XP-403, caikon)觀察其織構(gòu)排列。由于激光染料DCM[4-(二氰基來甲基)-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃]對532 nm的激光吸收效率較高，因此實驗采用波長為532 nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器作為泵浦光源。采用光纖光譜儀(Avaspec-2048-USB2, avantes)測量激光輻射譜和透射譜。使用精密線型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流智能電源(WWL-LDX41, 揚州雙鴻電子)對樣品施加直流電壓，使樣品電極之間形成較均勻電場。采用圖1所示電極結(jié)構(gòu)器件施加電場，電壓施加過程中用532 nm脈沖固體激光器泵浦樣品，并測量其激光輻射譜。溴鎢燈發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成平行光束，透過樣品，分別測量透射譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 正性液晶器件的電場調(diào)諧特性

在不同電壓下的激光輻射譜如圖2所示。圖2將樣品施加電壓通過電極間距換算成電場表示。從圖5明顯看出，在同一電場強度下樣品輸出激光存在多個波長。由表1可以更加清晰地看出不同電壓下輸出激光波長變化。電場強度為0、0.2 V·μm-1時，只有一個波長； 0.4和0.6 V·μm-1時，出現(xiàn)三個波長； 0.8和1.0 V·μm-1時，出現(xiàn)兩個波長。

圖2 不同電場下染料摻雜正性的手性向列相液晶器件激光輻射譜

表1 電場強度與輸出激光波長

為了揭示出現(xiàn)多波長輻射的原因，測量器件透射譜，確定器件光子禁帶如圖3所示。在外電場作用下，禁帶波長位置變化不明顯，約在620～660 nm范圍。但禁帶上下起伏不定，禁帶深度變化。在偏光顯微鏡下觀察樣品，當(dāng)電場增加到0.1 V·μm-1時，正電極附近液晶織構(gòu)開始產(chǎn)生變化，逐漸在電極附近形成多疇結(jié)構(gòu)。電場增大到0.3 V·μm-1時，織構(gòu)變化將擴大到整個樣品。繼續(xù)加大電場至0.6 V·μm-1以上時，樣品中的液晶流動加劇。但仍然處于平面態(tài)織構(gòu)。這正是，不管電壓多大(0～1 V·μm-1范圍)，總有光子禁帶存在的原因。但由于液晶的流動，也導(dǎo)致了光子禁帶起伏不定處于動態(tài)變化。光子禁帶起伏不定，禁帶深度變化，也正說明不僅是禁帶末端波長位置附近出現(xiàn)激光輻射，禁帶內(nèi)的一個位置也有可能出現(xiàn)激光輻射，如表1。采用相同配比的材料注入未取向的液晶盒在零電場狀態(tài)和相同的實驗條件下，發(fā)現(xiàn)樣品產(chǎn)生較平滑的光致熒光峰，沒有激光輸出。這說明在泵浦光的激勵下，取向樣品所出現(xiàn)的尖銳激光輻射峰并非由染料DCM直接產(chǎn)生，而是需要樣品特殊的螺旋層狀結(jié)構(gòu)提供光學(xué)正反饋。激光染料的作用是充當(dāng)液晶激光器的工作物質(zhì)。

圖3 不同電場下染料摻雜正性的手性向列相液晶器件透射譜

Fig.3Transmission spectra of dye-doped positive chiral nematic liquid crystal cell in different electric field

2.2 負(fù)性液晶器件的電場調(diào)諧特性

在不同電壓下的器件激光輻射譜如圖4所示。電場強度增加時，器件輸出激光波長逐漸藍(lán)移，且輸出激光波長比較穩(wěn)定，并沒產(chǎn)生類似正性液晶的多個波長輸出。電場強度從0 V·μm-1增加到8.9 V·μm-1，樣品輸出激光波長從681.0 nm藍(lán)移到662.5 nm，調(diào)諧范圍約18.5 nm。

圖4 不同電場下染料摻雜負(fù)性的手性向列相液晶器件激光輻射譜

不同電場下器件透射譜如圖5所示。增加電場強度，光子禁帶中心波長出現(xiàn)藍(lán)移，這與輸出激光波長隨電場增加而產(chǎn)生藍(lán)移相符合。按圖1(b)方式施加電場，液晶分子短軸將指向電場方向，內(nèi)部螺距將隨電壓增大而收縮。光子禁帶中心波長λ0由式λ0=p×n決定，其中p為螺距，n為液晶的平均折射率。器件螺距p的收縮將導(dǎo)致光子禁帶中心波長藍(lán)移。圖5中，不管有無電場作用，光子禁帶的底部并不平滑，并且禁帶邊沿出現(xiàn)了多個振蕩。偏光顯微鏡下觀察到，器件沒有形成較好的平面態(tài)排列，存在多疇。多疇織構(gòu)中每個疇的螺旋軸方向指向不完全一致。由于明顯的振蕩均在禁帶邊沿處，因此并沒有影響禁帶邊沿位置出射激光[6]。

圖5 染料摻雜負(fù)性的手性向列相液晶器件在不同電場下的透射譜

Fig.5 Transmission spectra of dye-doped negative chiral nematic liquid crystal cell in different electric field

3 結(jié) 論

研究了電場對染料摻雜手性向列相液晶激光器件激光輻射譜的影響。設(shè)計了兩種電極結(jié)構(gòu)，分別對正性和負(fù)性液晶器件分別施加橫向和縱向電場，并采用532 nm的Nd∶YAG脈沖固體激光器泵浦樣品。正性液晶器件施加電場，輸出激光并不穩(wěn)定且呈現(xiàn)多個波長。負(fù)性液晶器件施加電場，獲得調(diào)諧范圍為18.5 nm的激光輸出，輸出激光穩(wěn)定性較好。正性液晶分子長軸具有趨向于電場方向的特性，施加橫向電場時液晶分子將產(chǎn)生較大幅度轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致液晶分子產(chǎn)生不規(guī)則的流動。而負(fù)性液晶分子具有短軸趨向于電場方向的特性，施加縱向電場時對平面態(tài)排列進(jìn)行微調(diào)的同時產(chǎn)生螺距收縮，從而可以實現(xiàn)激光輻射波長電場調(diào)諧輸出。

[1] Jeong M Y，Choi H, Wua J W.Appl.Phys.Lett., 2008 92: 051108-1.

[2] Morris S M，F(xiàn)ord A D, Coles H J.J.Appl.Phys., 2009, 106: 023112-1.

[3] Wu R N, Li Y, Wu J, et al.Optics Communications, 2013, 300: 1.

[4] Schmidtke J, Junnemann G, Keuker-Baumann S, et al.Appl.Phys.Lett., 2012, 101: 051117-1.

[5] WANG Xin-jiu(王新久).Liquid Crystal Optics and Liquid Crystal Display(液晶光學(xué)和液晶顯示).Beijing: Science Press(北京：科學(xué)出版社)，2006.445.

[6] Huang Y H and Wu S T.Optics Express, 2010, 18(26): 27697.

(Received Feb.1, 2015; accepted Jun.14, 2015)

*Corresponding author

A Study of Lasing Spectrum of Dye-Doped Chiral Nematic Liquid Crystal Cell under Electric Field

WU Ri-na1, WU Xiao-jiao1, WU Jie1, PENG Zeng-hui2, YAO Li-shuang2, DAI Qin1*

1.School of Science, Shenyang Ligong University, Shenyang, 110159, 2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China

The lasing spectrum of dye-doped chiral nematic liquid crystal under electric filed was investigated.Two kinds of electrodes were designed to apply transverse electric field to positive liquid crystal cell and longitudinal electric field to negative liquid crystal cell.A 532 nm Nd∶YAG pulsed solid-state laser was used to pump the cell.When transverse electric field is applied to positive liquid crystal device, multi-wavelength laser output is obtained in the range of 630～660 nm.When longitudinal electric field is applied to negative liquid crystal cell, 18.5 nm tunable output lasing is obtained.The output characteristic of cell was analyzed from the texture of device and the photonic band gap.In the positive liquid crystal cell, the competition of electric moment with twisting moment causes the flow of LC molecule, and the flow of LC molecule leads to a floating photonic band gap.For this reason, not only at the edge of photonic band gap but in the photonic band gap can produce lasing.For negative liquid crystal cell, the pitch shrinks with the increase of electric field.The photonic band gap shows blue-shift with the decrease of pitch.and Lasing wavelength is blue shifted from 681.0 to 662.5 nm and the lasing at the edge of photonic band gap.Negative liquid crystal cell has better stability under electric field effect.

Lasing spectrum; Chiral nematic liquid crystal; Laser dye; Electric field

2015-02-01，

2015-06-14

國家自然科學(xué)基金項目(61378075)，遼寧省高校杰出青年學(xué)者成長計劃項目(LJQ2015093)和沈陽理工大學(xué)激光與光信息遼寧省重點實驗室開放基金項目資助

烏日娜, 1978年生, 沈陽理工大學(xué)理學(xué)院副教授 e-mail: wurina2007@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: daiqin2003@126.com

O753+.2

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1313-04