【摘 要】
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与传统激光器不同,随机激光是利用无序增益介质中的多重散射获得增益放大而出射。液晶作为可控的光学各向异性介质,能为随机激光提供足够的折射率差来增强散射,并且其分子的排列指向易受外场调控,易于实现对出射随机激光的调控。本文以掺染料向列相液晶(DDNLC)的光控取向为基础,研究了粗糙银膜和取向膜基板对DDNLC随机激光出射特性的调控。将偶氮染料甲基红与聚乙烯醇混合溶液制成取向膜,膜内甲基红吸收线偏振光发
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与传统激光器不同,随机激光是利用无序增益介质中的多重散射获得增益放大而出射。液晶作为可控的光学各向异性介质,能为随机激光提供足够的折射率差来增强散射,并且其分子的排列指向易受外场调控,易于实现对出射随机激光的调控。本文以掺染料向列相液晶(DDNLC)的光控取向为基础,研究了粗糙银膜和取向膜基板对DDNLC随机激光出射特性的调控。将偶氮染料甲基红与聚乙烯醇混合溶液制成取向膜,膜内甲基红吸收线偏振光发生顺反异构,制备成液晶盒后可以诱导液晶分子垂直于偏振光偏振方向取向。有无取向层DDNLC出射光谱的对比证明了取向层是随机激光的出射的必要条件,其中单面取向的DDNLC随机激光出射阈值为3.6 m J/cm~2。使用不同浓度有机相Ag纳米粒子(NPs)制成粗糙银膜基板,研究了单层银膜、双层银膜制备的DDNLC随机激光出射特性与Ag NPs浓度的关系。结果表明随着Ag NPs浓度的增加,单、双层粗糙银膜使DDNLC出射随机激光阈值先减小后增大,在Ag NPs浓度为1.12×10-9 mol/L时达到最低阈值,分别为1.6 m J/cm~2和1.5 m J/cm~2。在测量银膜基板的反射率并对泵浦光功率进行折算之后,发现低浓度时粗糙银膜内Ag NPs对DDNLC辐射光主要表现为散射增强和表面等离子体共振增强,使随机激光出射阈值降低,强度增大;随着Ag NPs浓度的提升,粗糙银膜将导致激光染料PM597荧光淬灭,降低其增益效率,并且Ag NPs的面密度增大提高了反射损耗,降低了辐射光的散射增益,从而使阈值上升。这项研究以表面等离激元增强为基础,为实现高泵浦效率的DDNLC随机激光器提供了新的思路,在集成光子器件、传感测量等领域具有广泛的应用前景。常用的液晶取向方式为摩擦取向,但是摩擦容易产生静电和粉尘损坏样品,也无法实现液晶的多畴取向,而光控取向能很好地解决这些问题。为了进一步研究光控取向层对DDNLC随机激光的影响,使用光功率为4.5 m W的线偏振线光源对取向基板取向,研究了取向时长对DDNLC中液晶取向效果的影响。实验结果证明DDNLC随机激光出射阈值随取向时间先减小后增大,在40 min的取向时间可以获得最小阈值3.6 m J/cm~2,样品的偏光显微镜(POM)证明了液晶在垂直于取向激光偏振的方向上取向效果良好。对比双面垂直取向和平行取向的DDNLC随机激光出射光谱后发现,两种样品内部类似的液晶分子有序结构决定了它们相近的随机激光出射阈值,分别为2.2 m J/cm~2和2.0 m J/cm~2。通过光谱的功率傅里叶分析得到的等效腔长(分别为56.15μm和58.58μm)说明出射的相干反馈随机激光主要由液晶体系内部多重散射形成的闭合回路提供增益,双面平行取向DDNLC的泵浦阈值面积为3 mm2进一步印证了这一点。不同光控取向层实现了对液晶的多畴取向,降低了DDNLC随机激光的出射阈值,这为光开关、偏振器件的设计提供了新的思路。
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