染料掺杂向列液晶侧向辐射随机激光的表征及调控

发布时间：2020-04-11 08:16

【摘要】：随机激光光源是一种以多重散射替代传统光学谐振腔,尺寸可小至几十微米的有源器件。它不但拥有重要的基础研究意义,还展现出极为广泛的应用前景。本文从染料掺杂向列液晶侧向光辐射出发,实现染料掺杂向列液晶侧向辐射随机激光,表征液晶侧向辐射随机激光对基底材料依赖的阈值特性、出射光斑空间分布和偏振特性;进而,以盒状液晶样品作为研究对象,对其在纳秒泵浦脉冲作用下侧向辐射的随机激光的电控及温控特性进行测试分析;最后,研究电控折射率边界反馈及其位置对液晶侧向辐射随机激光行为的影响。制备厚度为几微米的盒状染料掺杂向列液晶样品,在表征其吸收、自发荧光辐射和基底表面处理依赖的液晶分子取向分布的基础上,通过控制线状泵浦脉冲尺寸的方式实现稳定的液晶侧向随机激光辐射。基底进行表面处理前后液晶指向矢呈现的平行排列具有不同的有序度,这使得指向矢取向不同的样品的吸收、自发荧光辐射和光散射表现出截然不同的偏振依赖特性,进而影响液晶侧向辐射随机激光的泵浦阈值能量、偏振特性及光斑形状。通过在指向矢有序平行排列的染料掺杂的向列液晶薄膜两侧施加交流电压使得液晶指向矢从平行基底表面向着垂直基底表面逐渐变化,进而带动液晶中掺杂的染料分子的跃迁偶极矩发生改变,并使得振动方向与初始指向矢方向相同的线偏振泵浦脉冲出现电控的吸收和自发荧光辐射,从而使得电致液晶指向矢的偏转能够调控横向辐射随机激光的强度与优势偏振取向的方向。通过对水平排列有序的液晶盒进行加热,研究温度对样品侧向辐射随机激光特性的影响。初始温度的升高(?50℃)将使得向列液晶的取向有序度下降,进而使得侧向辐射随机激光阈值能量略微增大;当升温使液晶处于各向同性相时,样品对泵浦光的吸收和自发荧光辐射效率会显著下降,同时光散射反馈也较弱,在较大的泵浦能量时仍旧可以实现液晶侧向随机激光辐射。最引人注目的是在液晶相变温度(?52℃)附近,其特殊的泵浦吸收特性和光散射特性,使得侧向辐射随机激光显现出特殊的空间分布、偏振特性和模式行为。利用边缘刻蚀亚毫米量级的、不同宽度的电极作基底,产生电控的液晶指向矢旋转区与指向矢方向固定的相连区用于光泵浦产生侧向光辐射,发现刻蚀区域的长度和外加电压的大小可以控制泵浦光吸收和自发荧光辐射效率和光反馈特性,使得液晶侧向辐射随机激光出现随刻蚀区域长度变化的辐射光强度的电调谐特性,并且刻蚀区域的引入使得液晶侧向随机激光的模式行为随外加电压的变化特性不同。
【图文】：

散斑图,随机激光,辐射光谱

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文，Lawandy 在运用脉冲激光泵浦含有 TiO2颗粒的罗观察到 Letokhov 所说的类激光现象[2]。相较于染射不仅具有辐射光谱窄的特点，而且其中心模式的，该随机辐射行为存在着阈值现象。o 领导的实验小组首次观察到相干反馈的随机激光时，观察到了具有阈值现象且谱线宽度小于 0.3 nm相干反馈的特性，如图 1[3]。在 2000 年前后，Cao括了激光光谱、动态响应、激光阈值测定、散斑图案型等，为随机激光器的研究奠定了理论基础并提供续在掺有散射颗粒的激光染料溶液、无序半导体材质中观测到随机辐射现象。

示意图,多重散射,光子,随机激光

图 1-2 光子多重散射引起的反馈示意图环形腔理论则是由 Cao 等提出的，对介质中光波的相干性进行考虑。目前环形腔理论主要包括速率方程理论和偶极振荡理论等。而大多数使用速率方程理论的人主要利用时域有限差分(FDTD)或传输矩阵法进行计算。2000 年，在 Cao 利用ZnO 粉末观察到随机激光的实验结果基础上，Jiang 通过 FDTD 的方法在构建的一维无序增益介质中模拟得到了光谱特性与实验结果非常吻合的随机激光[8]。2006年，刘劲松等人通过时域有限差分算法对麦克斯韦方程组和反转粒子数速率方程进行了求解，对光轴位置无序但空间位置有序的单轴散射层的无序介质模型中的随机激光行为进行了研究[9-11]。2011 年，Amireasen 等同样利用了 FDTD 的方法计算得到了非线性效应下的随机激光行为，其结果与实验所观察现象也相符[12]。1.2.2 液晶随机激光研究发展2001 年 Wiersma 等人首次以液晶作为随机激光器的散射介质实现了非相干反馈的随机激光，并以此为基础实现了可通过温度调控的随机激光器[13-14]。在 2006年，Strangi 首次在液晶中观察到具有相干反馈特性的随机激光现象，并通过实验
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN24;O753.2

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