CN103208733A - 控制随机激光强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制随机激光强度的装置及方法，所述装置包括刚性管体，装在所述刚性管体内的液晶和激光染料，缠绕于所述刚性管体外表面的两组绕向相同的线圈，以及与所述线圈电连接的电源模组；相邻线圈的间距不小于泵浦光光斑的直径，各组线圈中的电流方向相同。所述方法包括：将装有液晶和激光染料的刚性管体置于磁场强度可控的磁场中；当泵浦光照射到所述刚性管体上时，调节磁场强度以改变随机激光的出射强度。本发明的装置和方法具有简单易实现和调控速度快的优点。

Description

控制随机激光强度的装置及方法

技术领域

本发明涉及随机激光，具体涉及一种调节液晶随机激光强度的装置和方法。

背景技术

近年来，随机激光已经成为国际激光学界的热门研究领域。随机激光辐射源自激活无序介质，即辐射光在激活无序介质中的多次散射提供光学反馈，从而获得较大的增益，因而无需外加谐振腔。液晶随机激光器就是将激光增益介质掺杂在液晶材料中，以液晶作为无序散射介质的随机激光器。

液晶是一种各向异性的物质，光学上类似单轴晶体。一般情况下光轴与分子长轴方向一致。当对液晶加上外部电场、温度场或磁场时，由于在不同电场、磁场或温度场的作用下，会使得分子的长轴发生一定不同的倾角旋转，液晶分子的排列也就发生改变，这会影响液晶结构整体的光轴，双折射率也会受磁场影响，利用这一性质可以制成光偏转器和光调制器。而液晶分子排列受到影响会改变整体结构的散射常数，影响光在其中的传播。液晶分子在上述场的作用下会发生取向等的变化，在有外边界条件限制情况下， 如取向剂摩擦取向等，当磁场强度不强时，液晶分子取向变化不大，当超过一定阈值，液晶取向则会产生Fredericks转变，会更适合于转向外磁场、电场方向排列。液晶取向受到电场、温度场或磁场的影响，会影响整个系统的散射常数，进而影响随机激光的出射。

目前电控和温控是控制液晶随机激光强度的主要方法，例如在液晶盒结构中，在盒两面加上加热装置可实现温控，液晶盒玻璃使用ITO导电玻璃后盒面通电可以实现电控。温控存在调控速度慢的缺点，而对于管体结构的液晶随机激光，电控存在装置复杂的缺点。

发明内容

发明目的：本发明提出一种通过磁场控制液晶随机激光强度的装置和方法，通过调节磁场强度引起液晶排列方式的改变，从而改变体系中散射能力，快速、方便地实现对随机激光开关的控制。

技术方案：本发明的控制随机激光强度的装置，包括刚性管体，在所述刚性管体内的液晶和激光染料，缠绕于所述刚性管体外表面的两组绕向相同的线圈，以及与所述线圈电连接的电源模组；相邻线圈的间距不小于泵浦光光斑的直径，各组线圈中的电流方向相同。

所述刚性管体的内径为0.01~1毫米。所述激光染料和液晶的重量份数分别为0.2~0.8和99.2~99.8。相邻线圈的间距为泵浦光斑直径的1~2000倍。所述刚性管体为石英管。

本发明进一步提供了一种控制随机激光强度的方法，包括如下步骤：将装有液晶和激光染料的刚性管体置于磁场强度可控的磁场中；当泵浦光照射到所述刚性管体上时，调节磁场强度以改变随机激光的出射强度。

一般地，所述刚性管体外表面缠绕线圈，调节所述线圈中电流的大小进而调节所述磁场强度。具体地，线圈缠绕和电流控制的步骤如下：以同样的绕制方式在所述刚性管体外侧均匀缠绕两组线圈，相邻线圈之间的间距大于泵浦光斑直径；将所述线圈与电源模组连接；调整泵浦光光源的位置，使泵浦光经过聚焦透镜后射入相邻线圈之间的刚性管体上；通过电源模组改变所述线圈中电流的强度，从而调节随机激光的出射强度。

准备刚性管体并洗净其内表面，在所述刚性管体内灌入由液晶与激光染料组成的混合溶液，其中，激光染料在混合溶液中质量浓度为0.2~0.8%。所述刚性管体为内径在0.01~1毫米的石英管。

工作原理：当磁场强度改变时，液晶分子的排列方向发生变化，从而导致液晶的双折射率、散射能力发生变化，进而改变随机激光的强度。

有益效果：本发明通过磁场实现液晶随机激光的开关控制，其结构简单方便，易于实现，比温控随机激光方法实现起来更快速，比电控随机激光方法实现起来更方便。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明刚性管体的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的控制随机激光强度的装置包括石英制作的刚性管体1，其内径为0.01~1毫米。刚性管体1内装有液晶2和激光染料3，外表面缠绕有两组参数相同的线圈4，其中参数包括绕向、匝数和单位长度上的匝数，两组线圈之间的间距至少要大于或等于泵浦光光斑的直径，以便泵浦光入射，且该间距应该在尽量小，不大于泵浦光斑直径的2000倍，以使磁场，特别是相邻线圈之间的磁场分布更加均匀。两组线圈均与电源模组5电连接，连接方式应该使各组线圈中的电流方向相同，例如均为左螺旋或均为右螺旋。在该实施例中，激光染料和液晶组成均匀的混合溶液，激光染料占混合溶液总质量的0.2~0.8%。

在工作时，激光器6发出的泵浦光8经聚焦透镜7聚焦后照射到线圈之间的刚性管体1上，使激光染料产生随机激光9并从一端出射。当电流达到一定值，随机激光会消失，改变电流大小，随机激光出射特性（如偏振）会发生改变。其具体的工作原理如下：液晶分子的排列取向与外磁场有关，通过改变外磁场可以控制液晶分子的排布方式，影响散射常数，进而影响光在其中的传播。当外加磁场增加时，液晶分子的取向由无序逐渐趋向磁场方向排列，导致液晶的双折射率降低，同时散射能力降低（扩散常数增大），当磁场强度达到一定值时，散射能力不足以提供多重反馈，随机激光消失。

需要指出的是，管外螺线管通电后由于有电流热效应，会使得温度有所上升，而温度改变时，液晶会呈现出不同的液晶相，加热时，液晶会经过部分有序相。温度不同，液晶相就改变，散射特性就发生变化，当温度升高达到一定值后，液晶会变为各向同性，散射能力大大减弱，当温度上升时，其随机激光出射强度会降低。在其他实施例中，可以采用超导线圈或温度监控装置，以降低温度对系统灵敏度和稳定性的影响。

在其他实施例中，可以将在线圈外侧设置固定装置，例如胶带等；可以将线圈直接设置在管体中；可以将两线圈之间用一条导线连接（或者用同一条导线绕制成两个有间距的线圈）；两组线圈可以是一组亥姆霍兹线圈。

本发明的控制随机激光强度的方法包括以下步骤：首先，将装有液晶和激光染料的刚性管体置于磁场强度可控的磁场中；其次，当泵浦光照射到所述刚性管体上时，调节磁场强度以改变随机激光的出射强度。

在进一步的实施例中，将装有液晶和激光染料的刚性管体置于与刚性管体同轴线的线圈中，当泵浦光照射到所述刚性管体上时，通过调节线圈中的电流强度进而改变磁场强度，以改变随机激光的出射强度。

在进一步的实施中，该方法具体为：对刚性管体的内壁进行处理、洗净；利用毛细现象将激光染料与液晶的混合溶液灌入圆柱形的管体中，激光染料可以是罗丹明类、PM597、DCM等，其在混合溶液中浓度在0.2—0.8wt.%之间，液晶选择向列型液晶，如E7等；将可导电的线圈以同样绕制方式均匀密集的缠绕在刚性管体外围，线圈的材料、圈数，绕制方向等参数完全一样，二者中间间隔小于1cm或小于泵浦光光斑直径的2000倍，在保证大于泵浦光光斑直径（一般为几十微米）前提下足够小，距离越小两组线圈之间的磁场平行度越好；将线圈用导线并联在电源模组上，连接方式保证两个线圈中电流方向一致；根据所用激光染料选择合适频率的泵浦光源,出射激光经过凸透镜聚焦后垂直于圆柱管轴向打入圆柱管的一端，该端放在透镜焦距处，随机激光由管另一端出射；经过电源控制导电线圈中的电流大小控制线圈内磁场大小，来改变出射随机激光强度等，当达到一定值后，随机激光消失，实现开关。导电线圈通电，当电流达到一定值，随机激光会消失，改变电流大小，随机激光出射特性，如偏振，会改变。其中，所加载电压的数值由液晶材料的类型（如E7、BL001）、管内径（0.01—1mm）、线圈参数(材料、匝数等)共同决定。作为优选，激光器可以使用光纤激光器，利于实现整体结构的小型化，集约化，如双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器等。

本发明通过调节导电线圈中电流大小来改变磁场，实现圆柱管液晶随机激光的开关控制，其结构简单方便，易于实现，比温控实现控制更快速。并且真空中载流长直螺线管内部的磁感应强度为B=μnI（μ是真空磁导率，n是螺线管单位长度上的线圈匝数，I为螺线管导线内的电流），为了达到合适的磁感应强度值，通过选择合适的线圈匝数与材料（电阻等参数就不同），如铜、铝或者合金材料等，可以实现比达到同样效果的电控的耗能低。在管体结构中构建足够的平行电场实现起来不是很方便，而本发明中只需要通过缠绕通电线圈就可以实现足够的平行磁场，实现起来简单。与传统的激光器相比，其体积较小易于集成，结构多样化，而且制作容易、调控速度快。

本装置的结构和方法可用于光纤激光的调节、光通信（偏振的调节，控制通断等）、以及磁场探测等领域。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如改进外控电路使磁场更稳定、改变泵浦光入射方向、采用单线圈、超导线圈或温控装置等等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种控制随机激光强度的装置，其特征在于，包括刚性管体（1），装在所述刚性管体（1）内的液晶（2）和激光染料（3），缠绕于所述刚性管体（1）外表面的两组绕向相同的线圈（4），以及与所述线圈（4）电连接的电源模组（5）；相邻线圈（4）的间距不小于泵浦光光斑的直径，各组线圈中的电流方向相同。

2.如权利要求1所述的控制随机激光强度的装置，其特征在于，所述刚性管体（1）的内径为0.01~1毫米。

3.如权利要求1或2所述的控制随机激光强度的装置，其特征在于，所述激光染料（3）和液晶（2）的重量份数分别为0.2~0.8和99.2~99.8。

4.如权利要求1或2所述的控制随机激光强度的装置，其特征在于，相邻线圈（4）的间距为泵浦光斑直径的1~2000倍。

5.如权利要求1所述的控制随机激光强度的装置，其特征在于，所述刚性管体（1）为石英管。

6.一种控制随机激光强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：将装有液晶和激光染料的刚性管体置于磁场强度可控的磁场中；当泵浦光照射到所述刚性管体上时，调节磁场强度以改变随机激光的出射强度。

7.如权利要求6所述的控制随机激光强度的方法，其特征在于，所述刚性管体外表面缠绕线圈，调节所述线圈中电流的大小进而调节所述磁场强度。

8.如权利要求7所述的控制随机激光强度的方法，其特征在于，线圈缠绕和电流控制的步骤如下：以同样的绕制方式在所述刚性管体外侧均匀缠绕两组线圈，相邻线圈之间的间距大于泵浦光斑直径；将所述线圈与电源模组连接；调整泵浦光光源的位置，使泵浦光经过聚焦透镜后射入相邻线圈之间的刚性管体上；通过电源模组改变所述线圈中电流的强度，从而调节随机激光的出射强度。

9.如权利要求6或8所述的控制随机激光强度的方法，其特征在于，还包括如下步骤：准备刚性管体并洗净其内表面，在所述刚性管体内灌入由液晶与激光染料组成的混合溶液，其中，激光染料在混合溶液中质量浓度为0.2~0.8%。

10.如权利要求6或8所述的控制随机激光强度的方法，其特征在于，所述刚性管体为内径在0.01~1毫米的石英管。

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