岱 欽， 李 漫， 王 興， 李業(yè)秋， 烏日娜

(沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159)

1 引 言

近年來，膽甾相液晶激光器作為一種新型的激光器受到了很多研究人員的關(guān)注。與其他種類的有機(jī)或無機(jī)的光子禁帶末端激光器和分布反饋式激光器比較，膽甾相液晶激光器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。利用成熟的液晶器件制作工藝，器件易獲得，成本低；無需諧振腔，尺寸微小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；利用液晶在外場(chǎng)(光，熱，電，磁，應(yīng)力場(chǎng)等)作用下的折射率變化，實(shí)現(xiàn)輻射激光波長(zhǎng)調(diào)諧，易調(diào)諧[1-7]。激光染料作為增益介質(zhì)其光譜可以覆蓋從紫外到紅外的較寬范圍，易獲得寬范圍調(diào)諧波長(zhǎng)。因此在光通訊、光子集成和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域顯示了極強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

利用光、熱、應(yīng)力場(chǎng)等來獲得激光波長(zhǎng)調(diào)諧，需要液晶盒以外的附件提供外加的光、熱、應(yīng)力場(chǎng)，從而使器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。而電場(chǎng)調(diào)諧方式，直接利用玻璃基板上的ITO電極，原則上更加適合液晶器件，但尚未實(shí)現(xiàn)全部潛力。目前多數(shù)研究致力于獲得寬的調(diào)諧范圍。2006年，Lin 等采用負(fù)性液晶獲得了膽甾相液晶激光器電場(chǎng)調(diào)諧波長(zhǎng)范圍為14 nm[8]。2011年，Lee等實(shí)現(xiàn)了既可以由光調(diào)諧，也可以電場(chǎng)調(diào)諧波長(zhǎng)的器件，調(diào)諧范圍約為16 nm[9]。2016年，Xiang等使膽甾相液晶分子傾斜于螺旋軸θ(銳角)螺旋排列，獲得了100 nm的電場(chǎng)調(diào)諧波長(zhǎng)范圍[10]。2015年，本課題組獲得了負(fù)性膽甾相液晶器件約18.5 nm范圍的激光波長(zhǎng)調(diào)諧輸出[11]。

為了獲得更加靈活、使用方便的電場(chǎng)調(diào)諧激光波長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)制作了不等距梳狀電極的膽甾相液晶激光器件，研究器件激光輻射特性，并進(jìn)行了深入的分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及樣品制備

膽甾相液晶平面排列態(tài)是獲得禁帶末端激光輻射的關(guān)鍵。為了不破壞液晶分子螺旋周期性排列，正性液晶需施加橫向電場(chǎng)。器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用激光刻蝕法，使下基板的ITO形成條形電極，間距分別約為 1，3，5 mm，電極寬度為2 mm。上基板沒有ITO電極。兩個(gè)基板旋涂PI取向劑，高溫固化(400 ℃)，摩擦取向處理，制作液晶盒，采用40m隔墊物。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、25.6%、73.4% 的激光染料PM597(Aldrich)、向列相液晶TEB30A (清亮點(diǎn)61 ℃，黏度為42 mm2/s@20℃，折射系數(shù)為ne=1.692，no=1.522，Δn=0.17)、手性劑S-811((4-(4-乙氧基) 苯甲酰氧基苯甲酸(S)(+)-2-辛醇脂)混合均勻并灌注到液晶盒中。

圖1 器件結(jié)構(gòu)及梳狀電極布局

Fig.1 Schematic illustration of the cell configuration and interdigitated electrodes

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量器件透射譜，判斷是否具有光子禁帶。利用波長(zhǎng)為532 nm重復(fù)頻率10 Hz的Nd∶YAG脈沖固體激光器作為泵浦光源，光纖光譜儀(Avaspec-2048-USB2,avantes)測(cè)量激光輻射譜。使用精密線型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流智能電源(WWL-LDX41,揚(yáng)州雙鴻電子)對(duì)樣品施加直流電壓。施加電壓為0～100 V。由于下基板電極間距不同，同一電壓下，3個(gè)區(qū)域液晶分子所受到的電場(chǎng)強(qiáng)度將不同。每改變電壓值，等待2 min后再測(cè)量激光輻射譜。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)探索，隨著電壓增大，正性液晶膽甾相液晶激光器輸出波長(zhǎng)先藍(lán)移后紅移[11]，并且隨著電壓增大伴隨液晶的流動(dòng)，使輸出激光波長(zhǎng)不穩(wěn)定。因此，本實(shí)驗(yàn)中選擇0～100 V電壓范圍，最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為0.1 V/μm，避免過大電壓導(dǎo)致液晶的流動(dòng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

測(cè)得器件的透射譜如圖2所示。從圖中可以看出光子禁帶短波和長(zhǎng)波邊端分別為618 nm和660 nm。說明器件中膽甾相液晶分子形成了平面態(tài)排列，部分光被光子禁帶禁止傳輸。如圖1所示，通過梳狀電極施加電壓形成橫向電場(chǎng)。

圖2 器件的透射譜

圖3 不同電壓下的激光輻射譜。(a)1 mm區(qū)域；(b)3 mm區(qū)域。

電極間距3 mm區(qū)域在不同電壓下的激光輻射譜如圖3(b)所示。外加電壓在0～100 V變化時(shí)，出射激光沒有明顯的波長(zhǎng)向短波方向的移動(dòng)。外加電壓100 V時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度約為0.033 V/μm。說明電場(chǎng)強(qiáng)度還不足以產(chǎn)生明顯變化。仍可以觀察到多模輸出。另外，電壓為 60，80，100 V時(shí)，只有光子禁帶長(zhǎng)波端出現(xiàn)激光輻射。根據(jù)光子態(tài)密度理論，光子禁帶長(zhǎng)波端和短波端的激光輻射之間存在競(jìng)爭(zhēng)[13]。不管是哪方，只要增益超過損耗時(shí)便率先出射激光。在電極間距5 mm區(qū)域，仍有多模輸出，但隨著電壓增大到100 V，出射激光波長(zhǎng)幾乎不變。

3.2 光子態(tài)密度模擬分析

以復(fù)數(shù)形式表示器件的透射系數(shù)[14]：

t=X+iY，

(1)

式中t為樣品透射系數(shù)，X為樣品透射系數(shù)實(shí)部，Y為樣品透射系數(shù)虛部。對(duì)膽甾相液晶模型作以下簡(jiǎn)化：不考慮器件的吸收作用，且液晶激光器兩側(cè)基板折射率等同為液晶的平均折射率。此時(shí)，器件透射系數(shù)表示為：

(2)

其中

k2=(ω/c0)2·(ε‖+ε⊥)/2，

(3)

δ=(ε‖-ε⊥)/(ε‖+ε⊥)，

(4)

(5)

式中L為 樣品厚度，P0為膽甾相液晶的自然螺距，c0為真空中光速，ε‖為平行于液晶分子長(zhǎng)軸方向上的介電常數(shù)，ε⊥為垂直于液晶分子長(zhǎng)軸方向上的介電常數(shù)，δ為各向異性常數(shù)，β為由樣品布拉格反射產(chǎn)生的圓偏振光波矢。由式(1)和式(2)可知：

(6)

(7)

光子態(tài)密度ρ可表示為：

ρ(ω)=(1/L)(Y′X-X′Y)/(X2+Y2). (8)

手性劑S-811(HTP=10.1 μm-1)與正性向列相液晶TEB30A(ne=1.692,Δn=0.17,ε⊥=9.2 F/m,Δε=5.4 F/m)配制而成膽甾相。手性劑摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.6%，液晶盒為反平行摩擦其厚度為40 μm。液晶疇螺旋軸與玻璃基板法線方向夾角為θ時(shí)，等效螺距可視為P′=P0·cosθ，如圖4所示。在上述設(shè)定參數(shù)下模擬光子態(tài)密度,結(jié)果如圖5所示。光子禁帶兩端光子數(shù)密度發(fā)生突變。光子禁帶兩端光子的群速度趨于零，可以存在很長(zhǎng)的光程。光子發(fā)生多重反射，形成駐波相干加強(qiáng)了增益，從而適于激光的產(chǎn)生和輸出。而在整個(gè)禁帶里面，群速度為虛數(shù)，不會(huì)有光子存在。比較θ=5°和θ=15°時(shí)的光子態(tài)密度分布，光子禁帶明顯藍(lán)移。

圖4 等效螺距示意圖

圖5 不同螺旋軸傾斜角度下光子態(tài)密度分布圖。(a)θ=5°；(b)θ=15°。

Fig.5 Distribution of density of optical state in different tilt angle of the helical axis. (a)θ=5°. (b)θ=15°.

4 結(jié) 論

研究了梳狀電極結(jié)構(gòu)的膽甾相液晶激光器件的激光輻射譜。器件被劃分為電極間距分別為1，3，5 mm的3個(gè)區(qū)域。同一電壓下，3個(gè)區(qū)域中液晶分子受到的電場(chǎng)強(qiáng)度不同，可以靈活運(yùn)用。為了獲得穩(wěn)定的激光輸出，選擇外加電壓范圍為0～100 V。 3個(gè)區(qū)域均顯示了多模輸出。在1 mm區(qū)域，獲得633.65～621.52 nm(12 nm)和683.15～664.35 nm(18 nm)的可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍。而在3 mm和5 mm區(qū)域沒有獲得明顯的激光波長(zhǎng)調(diào)諧。分析認(rèn)為，外加電壓作用下，由外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力矩和液晶分子扭曲力矩在相互平衡的過程中，液晶螺旋軸傾斜導(dǎo)致有效螺距縮短，膽甾相液晶光子禁帶藍(lán)移，輸出激光波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。同時(shí)，液晶疇的螺旋軸取向不完全一致，使等效螺距值有所浮動(dòng)，導(dǎo)致多模輸出，顯示多個(gè)激光輻射峰。基于光子態(tài)密度模擬結(jié)果，進(jìn)一步論證了出射激光波長(zhǎng)藍(lán)移的原因。