梳状电极胆甾相液晶激光器的激光辐射谱

岱 钦， 李 漫， 王 兴， 李业秋， 乌日娜

(沈阳理工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110159)

1 引 言

近年来，胆甾相液晶激光器作为一种新型的激光器受到了很多研究人员的关注。与其他种类的有机或无机的光子禁带末端激光器和分布反馈式激光器比较，胆甾相液晶激光器具有明显的优势。利用成熟的液晶器件制作工艺，器件易获得，成本低；无需谐振腔，尺寸微小，结构简单；利用液晶在外场(光，热，电，磁，应力场等)作用下的折射率变化，实现辐射激光波长调谐，易调谐[1-7]。激光染料作为增益介质其光谱可以覆盖从紫外到红外的较宽范围，易获得宽范围调谐波长。因此在光通讯、光子集成和生物医学工程等领域显示了极强的应用潜力。

利用光、热、应力场等来获得激光波长调谐，需要液晶盒以外的附件提供外加的光、热、应力场，从而使器件结构复杂化。而电场调谐方式，直接利用玻璃基板上的ITO电极，原则上更加适合液晶器件，但尚未实现全部潜力。目前多数研究致力于获得宽的调谐范围。2006年，Lin 等采用负性液晶获得了胆甾相液晶激光器电场调谐波长范围为14 nm[8]。2011年，Lee等实现了既可以由光调谐，也可以电场调谐波长的器件，调谐范围约为16 nm[9]。2016年，Xiang等使胆甾相液晶分子倾斜于螺旋轴θ(锐角)螺旋排列，获得了100 nm的电场调谐波长范围[10]。2015年，本课题组获得了负性胆甾相液晶器件约18.5 nm范围的激光波长调谐输出[11]。

为了获得更加灵活、使用方便的电场调谐激光波长，本文设计制作了不等距梳状电极的胆甾相液晶激光器件，研究器件激光辐射特性，并进行了深入的分析。

2 实 验

2.1 器件结构设计及样品制备

胆甾相液晶平面排列态是获得禁带末端激光辐射的关键。为了不破坏液晶分子螺旋周期性排列，正性液晶需施加横向电场。器件结构如图1所示，利用激光刻蚀法，使下基板的ITO形成条形电极，间距分别约为 1，3，5 mm，电极宽度为2 mm。上基板没有ITO电极。两个基板旋涂PI取向剂，高温固化(400 ℃)，摩擦取向处理，制作液晶盒，采用40m隔垫物。将质量分数分别为1%、25.6%、73.4% 的激光染料PM597(Aldrich)、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)混合均匀并灌注到液晶盒中。

图1 器件结构及梳状电极布局

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

2.2 实验测量

采用紫外分光光度计测量器件透射谱，判断是否具有光子禁带。利用波长为532 nm重复频率10 Hz的Nd∶YAG脉冲固体激光器作为泵浦光源，光纤光谱仪(Avaspec-2048-USB2,avantes)测量激光辐射谱。使用精密线型直流稳压稳流智能电源(WWL-LDX41,扬州双鸿电子)对样品施加直流电压。施加电压为0～100 V。由于下基板电极间距不同，同一电压下，3个区域液晶分子所受到的电场强度将不同。每改变电压值，等待2 min后再测量激光辐射谱。根据前期实验探索，随着电压增大，正性液晶胆甾相液晶激光器输出波长先蓝移后红移[11]，并且随着电压增大伴随液晶的流动，使输出激光波长不稳定。因此，本实验中选择0～100 V电压范围，最大电场强度约为0.1 V/μm，避免过大电压导致液晶的流动。

3 结果与讨论

3.1 实验测量结果

测得器件的透射谱如图2所示。从图中可以看出光子禁带短波和长波边端分别为618 nm和660 nm。说明器件中胆甾相液晶分子形成了平面态排列，部分光被光子禁带禁止传输。如图1所示，通过梳状电极施加电压形成横向电场。

图2 器件的透射谱

图3 不同电压下的激光辐射谱。(a)1 mm区域；(b)3 mm区域。

电极间距3 mm区域在不同电压下的激光辐射谱如图3(b)所示。外加电压在0～100 V变化时，出射激光没有明显的波长向短波方向的移动。外加电压100 V时的电场强度约为0.033 V/μm。说明电场强度还不足以产生明显变化。仍可以观察到多模输出。另外，电压为 60，80，100 V时，只有光子禁带长波端出现激光辐射。根据光子态密度理论，光子禁带长波端和短波端的激光辐射之间存在竞争[13]。不管是哪方，只要增益超过损耗时便率先出射激光。在电极间距5 mm区域，仍有多模输出，但随着电压增大到100 V，出射激光波长几乎不变。

3.2 光子态密度模拟分析

以复数形式表示器件的透射系数[14]：

t=X+iY，

(1)

式中t为样品透射系数，X为样品透射系数实部，Y为样品透射系数虚部。对胆甾相液晶模型作以下简化：不考虑器件的吸收作用，且液晶激光器两侧基板折射率等同为液晶的平均折射率。此时，器件透射系数表示为：

(2)

其中

k2=(ω/c0)2·(ε‖+ε⊥)/2，

(3)

δ=(ε‖-ε⊥)/(ε‖+ε⊥)，

(4)

(5)

式中L为 样品厚度，P0为胆甾相液晶的自然螺距，c0为真空中光速，ε‖为平行于液晶分子长轴方向上的介电常数，ε⊥为垂直于液晶分子长轴方向上的介电常数，δ为各向异性常数，β为由样品布拉格反射产生的圆偏振光波矢。由式(1)和式(2)可知：

(6)

(7)

光子态密度ρ可表示为：

ρ(ω)=(1/L)(Y′X-X′Y)/(X2+Y2). (8)

手性剂S-811(HTP=10.1 μm-1)与正性向列相液晶TEB30A(ne=1.692,Δn=0.17,ε⊥=9.2 F/m,Δε=5.4 F/m)配制而成胆甾相。手性剂掺杂质量分数为25.6%，液晶盒为反平行摩擦其厚度为40 μm。液晶畴螺旋轴与玻璃基板法线方向夹角为θ时，等效螺距可视为P′=P0·cosθ，如图4所示。在上述设定参数下模拟光子态密度,结果如图5所示。光子禁带两端光子数密度发生突变。光子禁带两端光子的群速度趋于零，可以存在很长的光程。光子发生多重反射，形成驻波相干加强了增益，从而适于激光的产生和输出。而在整个禁带里面，群速度为虚数，不会有光子存在。比较θ=5°和θ=15°时的光子态密度分布，光子禁带明显蓝移。

图4 等效螺距示意图

图5 不同螺旋轴倾斜角度下光子态密度分布图。(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 结 论

研究了梳状电极结构的胆甾相液晶激光器件的激光辐射谱。器件被划分为电极间距分别为1，3，5 mm的3个区域。同一电压下，3个区域中液晶分子受到的电场强度不同，可以灵活运用。为了获得稳定的激光输出，选择外加电压范围为0～100 V。 3个区域均显示了多模输出。在1 mm区域，获得633.65～621.52 nm(12 nm)和683.15～664.35 nm(18 nm)的可调谐波长范围。而在3 mm和5 mm区域没有获得明显的激光波长调谐。分析认为，外加电压作用下，由外加电压产生的电场力矩和液晶分子扭曲力矩在相互平衡的过程中，液晶螺旋轴倾斜导致有效螺距缩短，胆甾相液晶光子禁带蓝移，输出激光波长向短波方向移动。同时，液晶畴的螺旋轴取向不完全一致，使等效螺距值有所浮动，导致多模输出，显示多个激光辐射峰。基于光子态密度模拟结果，进一步论证了出射激光波长蓝移的原因。