染料摻雜液晶填充毛細管的激光發射特性研究?

呂月蘭 尹向寶2) 孫偉民 劉永軍 苑立波

1)(哈爾濱工程大學,纖維集成光學教育部重點實驗室,哈爾濱 150001)

2)(黑龍江科技大學理學院,哈爾濱 150022)

1 引 言

可調諧激光器可以在一定范圍內連續改變激光輸出波長,廣泛應用于光譜學、醫學、信息處理和通信等領域.染料摻雜液晶可調諧激光器具有從近紫外到近紅外寬波長調諧范圍的特點,并且尺寸小、線寬窄、光學效率高,這使其在光通訊、傳感器、醫學診斷等領域可發揮重要作用.目前染料摻雜液晶可調諧激光器常用的激光發射模式為分布反饋(distributed feedback,DFB)模式和回音壁模式(whispering gallery modes,WGMs)以及相干反饋隨機激光(random lasers,RL)模式,可以在單芯片實驗室[1]、醫學診斷[2]、傳感器[3]等領域有潛在的應用.

目前,關于液晶激光發射的研究,一般是基于玻璃基板的分布反饋激光發射或是基于微滴結構回音壁模式激光發射.2012年Van等[4]實驗分析了液晶微滴中的模式間隔和Q參數、模式數以及激光輸出能量的關系.2013年,Hiroyuki等[5]提出利用可調諧膽甾相液晶(cholesteric liquid crystals,CLCs)微滴,通過在聚合物基質中嵌入納米尺寸的液晶網孔實現對折射率的調制,以此控制反射帶,同時設計在膽甾相液晶層下放置活性聚合物用于提供輔助增益.2014年,Lin等[6]研究了不同溫度下光子禁帶邊緣激光的發射模式以及激光強度和波長隨溫度的變化情況;2014年,Lagerwall等[7]提出膽甾相液晶微滴間的光通信可調諧多彩模式及其在光通信開關、光耦合器和防偽標簽中的應用.但玻璃基板結構和液晶微滴結構的激光輸出效率均較低,并且微滴結構不夠穩定[8,9].近年來,以光沿微腔內表面不斷全反射所形成的回音壁微腔激光器備受關注[10?12],2017年,Li等[13]提出內徑不同毛細管產生WGMs具有較好的光譜可逆性;Nagai等[14]提出染料摻雜向列相液晶(nematic liquid crystals,NLCs)毛細管形成柱形微腔WGMs,但發射激光閾值較高(1.3 mJ·mm?2).本文提出一種染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細管的激光發射,采用毛細管基體內壁抽真空涂覆聚酰亞胺光控取向膜,有效限制軸向光波,該發射具有DFB和WGMs,并大幅降低了閾值能量;同時,研究了其溫度調諧可行性,對于具有圓形微腔的液晶填充有聚酰亞胺(PI)取向毛細管在激光發射方面的應用具有重要的參考價值.

2 染料摻雜液晶填充毛細管激光發射原理

與傳統的激光器相比,基于Bragg反射[15]原理,膽甾相液晶無需反饋腔,自身可以提供分布式反饋,染料摻雜膽甾相液晶填充毛細管激光發射是在折射率和增益的周期性簡諧結構中,利用外界因素控制液晶折射率,構成折射率分布反饋結構,從而獲得窄線寬的激光輸出.波長滿足Bragg條件的光會產生正反饋,在增益介質內部放大,贏得模式競爭,經分布反饋形成發射強度較強的帶隙激光即DFB激光,發射激光波長由Bragg方程λBragg=neffp/(m·sinθ)決定[16],其中λBragg為輸出激光波長,neff為增益介質的有效折射率,p為膽甾相液晶螺距,θ為兩相干光半夾角,m為輸出激光的階次.由上述方程可知:改變neff或者改變θ,都可對輸出激光波長進行調諧.同時,染料摻雜液晶填充毛細管作為柱形微腔而產生WGMs,模式被束縛在赤道平面附近.由于染料摻雜液晶的低損耗和微腔表面光滑,導致強反射產生共振的光經過很長時間才被耗散掉,因此WGMs具有極高的品質因子和能量密度[17].自由光譜范圍(FSR)由計算,其中R為毛細管內徑,λ為諧振光波長,可見改變neff或者R均可實現輸出激光調諧.液晶分子經PI取向后可以引起較大的光學各向異性,液晶分子有效折射率為其中n是液晶的非e尋常光折射率,no是液晶的尋常光折射率,因此對于染料摻雜液晶填充有PI取向毛細管可以通過溫度改變neff進行DFB和WGMs的調諧;同時內徑R越小對應的Δλ越大,更有利于增大微腔作為傳感器使用時動態探測范圍.

3 實驗結果與討論

3.1 樣品制備

染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細管可調諧激光器樣品的制備選用的毛細管內徑分別為100,200,300μm,所用的液晶為北京八億時空液晶科技股份有限公司生產的向列相液晶BHR33200.在BHR33200中摻雜質量分數為1%的激光染料DCM以及26%的手性劑S811配制成染料摻雜膽甾相液晶,其中向列相液晶(BHR33200)在常溫20°C下尋常光折射率為1.522,非尋常光折射率為1.692,清亮點溫度為61.2°C,手性劑濃度取決于染料熒光光譜的位置,使染料熒光光譜范圍涵蓋膽甾相液晶的反射禁帶.所用光控取向膜為PI材料,采用N-甲基吡咯烷酮按質量分數50%稀釋取向膜,在毛細管內側抽真空涂覆PI光控取向薄膜厚度為100—200 nm,用強度為20 mW/cm2的美國路陽LUYOR-3130偏振紫外光垂直照射,起偏方向沿著毛細管軸向,光照10 min進行取向處理,在照射時定時轉動毛細管,以獲得均勻照射,加熱至120°C烘干.將光照后的毛細管置入液晶中利用毛細效應將液晶注入毛細管中,注入長度為2 cm,加熱至50°C,放置10 min.抽運激光器為北京鐳寶光電公司提供的Dawa-100Nd型YAG倍頻脈沖激光器,脈沖寬度8 ns、重復頻率1 Hz、波長532 nm、功率50 mJ,并通過透鏡耦合,利用上海復享光學提供的測量精度為0.09 nm的PG2000光纖光譜儀進行發射譜的測試.實驗裝置如圖1所示,激光器發射的抽運光經偏振片后利用透鏡聚焦到填充染料液晶毛細管上,被光纖探頭接收后經光纖光譜儀導入計算機處理,其中θ為光譜儀探頭與激光器樣品表面所呈角度,文中未說明接收位置時,均為側面接收.

圖1 實驗裝置圖,子圖為染料摻雜膽甾相液晶填充有PI膜毛細管剖面圖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 光控取向膜對發射特性的影響

用OLYMPUS-CX31偏光顯微鏡在兩個正交偏振片下,測量向列相液晶填充有、無PI取向膜毛細管的顯微鏡照片,結果如圖2所示.其中圖2(a)和圖2(b)為毛細管軸向與偏振片起偏方向之間夾角為0°和45°的圖像,可以看出:有PI取向膜毛細管沿管軸向呈明暗相間的條紋,這是由于光的干涉形成的,條紋的均勻性說明液晶在管內部具有均勻的排列;而無PI取向膜的毛細管則亮度分布明顯不均勻,說明光控PI取向膜可以有效控制液晶分子均勻有序排列.

對無PI取向膜毛細管圓形微腔采用側向光抽運方式,得到無PI取向膜不同內徑毛細管填充染料摻雜液晶發射譜(如圖3所示).由圖3(a)可以看出,染料摻雜向列相液晶填充100μm毛細管形成了較弱的WGMs,這是由于液晶折射率大于毛細管(SiO2)折射率,進入微腔的光波被限制在腔內,在邊界多次反射下滿足相位匹配條件.隨內徑的增大,對于染料摻雜向列相液晶填充200μm毛細管,由于毛細管內壁之間自發輻射光子多重散射引起的相干反饋,會產生RL,但在赤道平面附近仍然有部分WGMs.而內徑較大的300μm毛細管,由于散射較強,則沒有形成WGMs.從圖3(b)可以看出,染料摻雜膽甾相液晶填充小內徑毛細管時,在側面接收到較弱的WGMs和DFB,這說明小內徑的毛細管更容易形成WGMs,這與之前報道的結論一致[18].分析認為:同時產生DFB和WGMs,是由于染料摻雜膽甾相液晶的螺旋結構引發了膽甾相液晶的選擇性光反射,其光學各向異性的液晶分子對不同偏振方向光的折射率不同,所以在膽甾相液晶中,液晶分子沿螺旋軸排列方向呈現周期性變化,此方向偏振光的折射率也呈周期性變化,從而形成光學禁帶,滿足Bragg反射條件產生DFB,而且內徑較小的100μm毛細管截面面積小,功率密度高,因而更容易產生激光.

圖2 正交偏光顯微鏡下毛細管有無PI取向的對比(a)夾角0°;(b)夾角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°.

圖3 無PI的不同內徑毛細管填充染料摻雜液晶發射譜 (a)填充染料摻雜向列相液晶;(b)填充染料摻雜膽甾相液晶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取向膜毛細管圓形微腔采用側向光抽運方式,100μm有取向膜毛細管填充染料摻雜液晶發射譜如圖4所示,可以看出毛細管填充染料摻雜膽甾相液晶的發射譜兼具DFB和WGMs,而且WGMs形成得更好.而填充染料摻雜向列相液晶的發射譜較無取向的光譜改善并不明顯.圖5對比了染料摻雜液晶填充有、無PI取向膜內徑100μm毛細管發射閾值,可以看出無取向毛細管發射閾值為26.2 mJ·mm?2,有取向毛細管發射閾值為4.5 mJ·mm?2,這一結果較文獻[14]中報道的低近三個量級.這是由于PI膜使液晶分子均勻定向排列,降低了散射損耗.

圖4 100μm有PI毛細管填充染料摻雜液晶發射譜Fig.4.Fig.4.Emission spectrum dye-doped liquid crystal packed capillary of with PI.

圖5 染料摻雜液晶填充有、無PI取向毛細管發射閾值的對比Fig.5.Emission threshold as a function of input intensity without and with PI photo-alignment fi lms.

圖6 染料摻雜液晶填充有PI取向毛細管波長不同角度發射譜 (a)在側面接收發射譜;(b)在端面接收發射譜Fig.6. Emission spectrum at different angle dyedoped liquid crystals packed capillary with PI orientation:(a)The side;(b)end face.

圖6給出了利用測角儀(測量精度為1°)測量并控制角度得到染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細管不同角度發射譜.圖6(a)是側面不同角度的發射譜,從圖中可以看出在側面接收不同角度的激光發射兼具DFB和WGMs,其中光強最大對應的譜線為DFB,頻譜間隔較均勻的譜線為WGMs,而且與角度無關,這是由于DFB和WGMs均垂直于毛細管壁向外,同時是垂直管壁面的360°激光發射,因此提高了激光發射強度;圖6(b)是在毛細管端面接收的發射光譜,從圖中可以看出內徑較小的100μm毛細管在端面處沒有DFB和WGMs,原因是PI光控取向膜的作用使得在毛細管內的膽甾相液晶的螺旋方向垂直于管壁,且由于左手手性劑S811的作用,使其沿徑向有較好的螺旋結果(如圖1子圖所示),從而在端面(即軸向方向)沒有任何的激光輸出;而對于內徑較大的200,300μm毛細管,PI膜對距離毛細管內壁較近處液晶束縛力較強,使液晶呈膽甾相螺旋結構沿徑向排列,而PI膜對管內深處液晶的束縛力較弱,沒有形成很好的統一螺旋結構,在毛細管深處液晶分子處于多疇混亂狀態,但局部螺旋結構仍然存在,每個液晶疇中都具有螺旋,不同疇的螺旋軸在空間的取向雜亂無章,同時光子在液晶中的多重散射會獲得放大和增益,因此在端面(即軸向方向)會有微弱的隨機激光輸出[19].

3.3 溫度對激光發射光譜的影響

研究不同溫度下的染料摻雜膽甾相液晶填充有PI取向內徑100μm毛細管的發射譜,如圖7所示.觀察到溫度由25°C升高至48°C時,根據Bragg方程[20]λ=ne·p,式中ne為液晶非尋常光折射率,由于螺距p與ne會同時隨溫度升高而減小[21],因此DFB發射波長隨溫度升高發生“藍移”,調諧范圍為5.9 nm,即599.87—605.77 nm.當溫度增加到43°C時,如圖7(c)所示,由于破壞了膽甾相液晶的螺旋結構,DFB激光消失,同時由于溫度升高后光散射強度減小,形成了非常好的WGMs,其FSR為1.05 nm.

圖7 100μm填充膽甾相液晶毛細管隨溫度發射譜 (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 結 論

本文研究了染料摻雜液晶填充PI光控取向膜毛細管激光發射特性,發現該結構液晶激光器在有PI取向時發射激光閾值能量低,達到4.5 mJ·mm?2,同時填充有染料摻雜膽甾相液晶經PI取向膜毛細管的激光發射具有DFB和WGMs兩種模式;溫度調諧使發射光譜發生“藍移”,調諧范圍為599.87—605.77 nm.在45°形成了非常完好的WGMs,其FSR為1.05 nm.本研究對開發基于染料摻雜液晶填充有PI取向膜毛細管溫度調諧激光器、濾波器以及光開關、傳感器等具有積極的指導意義.

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