1、液晶光子学of321第五章液晶激光器5.2液晶激光器的基本原理5.3带边型激光器5.4缺陷型激光器of3225.5调谐特性5.1引言5.6应用前景5.1 引言第五章 液晶激光器of323自从人类制造出第一台激光器以来，世界各国科学家对激光器的研究一直非常重视，尤其把研究重点放在寻找新的激光工作物质、压缩输出激光脉宽、提高激光器的转换功率，以及研究通过激光来诱导出现后一些新的光学现象，如量子效应、非线性效应等。同时，激光器的低成本、器件化、可调谐性也一直是人们研究的热点。可调谐激光器一直是激光研究的重点领域。目前商用的可调谐激光技术主要包括光参量振荡器（OPO）、钛蓝宝石激光器以及染料激光器等，
2、其工作范围涵盖可见光及红外光，在探索光与物质相互作用、光谱和原子物理、化学研究、探测检测、光子通信、生物医学等诸多领域得到了广泛应用。然而，上述几种激光器价格昂贵（一般在50-150万人民币），体积庞大、结构复杂，这限制了该类激光器的使用范围，提高了维护难度和成本。寻找低成本、紧凑型以及结构简单的可调谐激光器一直是激光科研工作者所追求的目标。通过在自组装形成周期性结构的液晶分子中加入不同辐射波长的激光染料，可以得到可调谐液晶激光器，其波长可以覆盖紫外、可见光到近红外范围。液晶分子对电场、光场、机械了力、温度等等外界因素比较敏感，因此通过改变外场条件就可以改变液晶分子的排列（例如螺距），从而实现
3、可调谐激光辐射。本章将从液晶激光器的基本原理出发，详细介绍两种液晶激光器的主要类型：带边型激光器和缺陷型激光器，然后介绍液晶激光器的可调谐特性和其应用前景。第五章液晶激光器5.2液晶激光器的基本原理5.3带边型激光器5.4缺陷型激光器of3245.5调谐特性5.1引言5.6应用前景5.2 液晶激光器的基本原理第五章 液晶激光器of3251光子晶体:是一种由不同介质组成的具有周期性微结构的人工材料l 1987年，Yablonovicth和 John首次提出了光子晶体这一概念l 自然界中存在着多种多样的光子晶体结构l 通过光子频率带隙(photonic band gap)对入射光进行选择性反射5.
4、2 液晶激光器的基本原理第五章 液晶激光器of326人工制备光子晶体结构：制备方法包括自上而下的刻蚀法和自下而上的自主装法。光子晶体光纤微纳结构光子晶体超透镜成像5.2 液晶激光器的基本原理第五章 液晶激光器of327液晶激光器的不同类型基于液晶材料的激光器最早于1970s年代被报道，该工作主要基于具有光子晶体结构的胆甾相液晶。Dowling等人后续的理论研究表明，光子晶体带边上光子态密度的突变，导致增益系数显著增强。从而导致低阈值激射的产生。第一个明确的带边型激射是由Kopp和Taheri两个课题组分别独立地在染料参杂的手性向列相液晶中发现的。之后，带边型激射在多种液晶结构和相态中被发现，包
5、括手性近晶相聚合物液晶，胆甾相弹性体，胆甾玻璃态,手性向列相和近晶A相的中间相液晶，蓝相液晶I和II,以及全息聚合物分散液晶形成的光栅，二维光子晶体及准晶结构对于自主装形成的液晶光子晶体而言，一个主要的优点是不需要复杂的制备过程（相对于全息干涉法形成的光子晶体），而且液晶这种软物质具有较好的波长可调谐性，特别是在电场、光场、温度以及压力等外界刺激作用下，从而形成可调谐的液晶激光器件。5.2 液晶激光器的基本原理第五章 液晶激光器of328液晶形成的光子禁带结构(a)手性向列相；（b）手性近晶相；（c）蓝相光子禁带对应的是图中透射谱值最低的部分c=nP，这里n=(ne+no)/2是液晶的平均折射
6、率，P是手性向列相的周期长度。光子禁带的宽度为=cn/n,其中n=ne-no这里的光子禁带是圆偏光敏感的。这意味着当液晶光子晶体结构中掺杂的是左手（右手）手性剂时，只有左旋（右旋）圆偏光入射才会出现光子禁带。相反，对于右旋（左旋）圆偏光而言，该液晶光子晶体结构是透明的第五章液晶激光器5.2液晶激光器的基本原理5.3带边型激光器5.4缺陷型激光器of3295.5调谐特性5.1引言5.6应用前景5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3210带边型激光器形成的几个要素1）增益介质通常用稀土元素或者激光染料(例如：DCM或PM597)掺杂或化学合成链接到液晶材料中。无掺杂的纯液晶材料本身在特定的条
7、件下泵浦也可以产生紫外激射2）光子禁带位置至少需要光子禁带的一个带边位置与增益介质辐射谱重合，从而得到最大的耦合效率和最小的激光阈值长波带边被发现具有更低的阈值激光模式液晶激光器的泵浦方式通常是光泵浦，主要光源为皮秒或纳秒脉冲激光器，例如固体调Q激光器Nd:YAG，泵浦激光波长为紫外或可见光激光器类型主要包括：手性向列相（胆甾相）液晶，蓝相液晶，以及全息聚合物分散液晶(H-PDLC)5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3211胆甾相液晶激光器调Q脉冲Nd:YAG激光器输出的532 nm泵浦光与激光染料如PM597，DCM的吸收谱都有很高的重合度手性向列相（胆甾相）液晶通常由向列相液晶（如
8、MDA-981602，或者更典型的5CB、E7）加入一定浓度的手性剂(例如S811)混合而成这里液晶盒通常由两片玻璃组成，两个玻璃内表面通过旋涂取向层以及摩擦取向等过程得到反平行取向结构。玻璃盒厚度通常为5-20 m，厚度由间隔子控制。5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3212重要参数泵浦阈值和斜率效率p 影响因素包括介质材料的折射率，方向有序参量，以及染料跃迁偶极矩的有序参量等p 聚合物染料，齐聚芴染料，以及掺芘染料都被尝试用于提高激光斜率效率和降低激光阈值p 使用低功率的非相干光源如电致发光层或发光二级管也可以用于降低激光阈值激光光强p 通过在光学腔中加入手性聚合物薄膜或镜子，使激
9、光在某一个特定方向上振荡的方法实现增强p 聚合物稳定或者胆甾相玻璃相可以通过提高热稳定性从而提高有序参量，进而提高激光辐射光强5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3213胆甾相液晶乳状液激光器激光介质由染料掺杂的手性向列相液晶滴分散于聚合物网络中，待薄膜干燥后自发排列形成，这种激光器可以在单个基底上形成薄膜，无需定向层5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3214蓝相液晶激光器激光可以同时在空间三个相互垂直的方向上产生蓝相II液晶中的激光聚合物稳定蓝相I液晶中的激光体心立方简立方5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3215全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器全息光刻()ex
10、p(),ErKremmmmmEii*,1()exp()(),rEEEEKKrNtottotLmlmlml mIii当全息曝光的干涉条纹记录在全息聚合物离散液晶上时，光强引发的光致聚合导致液晶朝着干涉条纹里光强较弱的区域扩散，与此同时聚合物单体则向着干涉条纹里光强较强的区域扩散，这两个相反方向的扩散最终形成了富聚合物相和富液晶相，从而形成了不同材料的相分离。5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3216全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器一维光子晶体(a)透射型；(b)反射型2 sin()wn周期这里 表示干涉光在空气中的波长，n 表示接受干涉条纹材料的平均折射率，w表示光敏材料内两束干
11、涉光之间夹角的一半5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3217全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器p 61.49 wt%的聚合物单体，三甲基丙烷三酰基基化物(Trimethylolpropane triacrylate，TMPTA)；p 9.96 wt的交联聚合物，N-乙烯基吡咯烷酮(N-vinylpyrrollidone，NVP)；p 0.77 wt%的光引发剂，玫瑰红(Rose Bengal)；p 1.92 wt%共引发剂，N-苯基甘氨酸(N-phenylglycine，NPG)；p 8.05 wt%的表面活性剂，辛酸(Octanoic acid，OA)；p 17.81 wt向列
12、相液晶，E7。p 聚合物单体TMPTA是形成聚合物的基本单元；p 交联单体NVP作为反应的稀释剂，用于帮助溶解参与反应的各个部分并形成均匀的溶液；p 光引发剂RB用于和共引发剂NPG发生电子转移反应，使得NPG能够引发高分子量的聚合反应；p 表面活性剂OA主要用于降低向列相液晶在聚合物表层的锚定力，从而增加聚合物离散液晶的电导率，起到降低驱动电压的作用。液晶/预聚物组成液晶/预聚物各组成部分作用5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3218全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器一维光栅激光器反射型光栅激光器透射型光栅激光器5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3219全息聚合物分散液
13、晶（H-PDLC）激光器二维光子晶体激光器正方晶格六角晶格四光束干涉三光束干涉5.3 带边型激光器第五章 液晶激光器of3220全息聚合物分散液晶（H-PDLC）激光器二维光子准晶激光器Penrose准晶二维光子准晶，最早由D.Shechtman在Al-Mn金属合金中被观察到，不具备平移对称性和周期性，但具有长程有序性和旋转对称性五光束干涉较好的线偏振性以及很好的方向依赖性第五章液晶激光器5.2液晶激光器的基本原理5.4缺陷型激光器5.3带边型激光器of32215.5调谐特性5.1引言5.6应用前景5.4 缺陷型激光器第五章 液晶激光器of3222缺陷型光子晶体通过在光子晶体周期性结构中引入缺
14、陷，使得光子禁带中产生相应缺陷，这种情况下光子禁带中会产生局域模式，将光场局限和控制在光子晶体禁带中，进而产生激光这类激光器可以提供多种方式提高光子态密度，从而改变光子禁带中振荡模式的数量。此外，更高的光子态密度通常导致比带边激光器更低的激发阈值。类似于1970年代提出的分布式反馈激光器引入相位突变或者各向同性层到手性向列相液晶材料里面5.4 缺陷型激光器第五章 液晶激光器of3223多波长液晶激光器宽带的聚合物胆甾相液晶是有三种聚合物胆甾相液晶，即反射谱在红绿蓝三色处的胆甾相液晶叠加而成，每一种胆甾相液晶之间由PVA材料分隔。基于此结构，激光在红绿蓝三个波段可同时被激发。第五章液晶激光器5.
15、2液晶激光器的基本原理5.5调谐特性5.4缺陷型激光器of32245.3带边型激光器5.1引言5.6应用前景5.5 调谐特性第五章 液晶激光器of3225电场调谐液晶分子对电场的响应，使得液晶激光器的输出波长可以在电场作用下调谐蓝相液晶I和II激光器及电场调谐特性5.5 调谐特性第五章 液晶激光器of3226温度调谐温度引起的手性结构周期长度的变化可以用于调制液晶激光器的输出波长。周期变长导致液晶激光波长红移，反之周期变短导致液晶激光波长蓝移。蓝相液晶随温度调谐特性5.5 调谐特性第五章 液晶激光器of3227光场调谐光场调谐是建立在液晶中混入光活性材料的基础上的，紫外光通常被用于调节掺杂有光
16、活性材料的液晶周期，从而达到调谐激光波长的效果。最常用的是偶氮苯材料，这种材料具有光学活性功能团，可以在紫外光和可见光的照射下进行trans（反式）-cis（顺式）和cis-trans异构化转变。液晶乳液激光器光场调谐特性5.5 调谐特性第五章 液晶激光器of3228机械力调谐机械调谐主要见于胆甾相液晶弹性体激光器中，外在的机械拉伸力可以改变液晶弹性体形成的胆甾相液晶结构的周期，从而达到调谐目的。液晶弹性体激光器5.5 调谐特性第五章 液晶激光器of3229空间调谐空间调谐通常利用周期梯度实现，辅助以掺杂上各种染料，可以覆盖很大比例的可见光谱。温度调谐胆甾相液晶激光器 5.3带边型激光器第五章
17、液晶激光器5.2液晶激光器的基本原理5.4缺陷型激光器of32305.5调谐特性5.1引言5.6 应用前景5.6 应用前景第五章 液晶激光器of3231可调谐液晶激光器具有低阈值，小模场，可调谐等特点，在生物探测，显示光源，医疗美容等领域有较好的应用前景。基于液晶激光器的激光阵列在显示领域具有应用的潜力。相关的研究包括基于“polycrips”结构、H-PDLC结构、以及胆甾相结构的液晶阵列。液晶激光阵列可以为大面积的投影显示提供显示源，无需滤色片和偏振片，可以产生宽色域和大分辨率。可在单层柔性基底上制备的激光器可用于“敌我识别”安全系统和可穿戴柔性器件中。激光的宽谱特性可用于光谱探测、生物医疗和皮肤治疗中，这些领域通常需要多个波长的激光光源。红外激光器在无损治疗和血管检测也中有潜在的应用。1.光子晶体有几种？液晶形成的光子晶体分哪几类？2.液晶激光器主要有哪几种类型？各有什么特点？3.带边型激光器的基本原理是什么？其优缺点及改善手段有哪些？4.缺陷型激光器的基本原理是什么？其优缺点及改善手段有哪些？5.全息聚合物分散液晶激光器有哪几种类型？6.液晶激光器能在哪几种外界刺激下调制？这些调制的特点各是什么？习题：of3232
