CN104076538A - 一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器及其制备方法，包括上、下基板，上、下基板上分别交替镀制有多层二氧化钛与二氧化硅介质膜层，上、下基板上的多层介质膜上分别设有取向膜，且为反向平行摩擦，形成液盒。液晶盒厚4mm，液晶盒内充填有由向列相液晶SLC12V620，手性剂为S8-11和染料DCM制成的染料掺杂手性向列相液晶。以脉冲频率为5Hz，固体Nd：YAG倍频532nm波长激光为泵浦光源，入射角为20°。本发明线宽窄、提高了辐射激光强度，提高了泵浦效率，节约能源，特别是激光器工作稳定，易于调谐。

Description

一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，涉及高辐射强度、温度调谐的染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器。

背景技术

目前正在使用和研究的可调谐激光器主要有半导体可调谐激光器和光纤可调谐激光器。为实现激光波长调谐输出，两者涉及器件较多，结构较复杂。

激光染料可以获得由紫外到近红外的较宽荧光光谱，因此染料型激光器可以得到较宽范围的发射激光。平面排列态的手性向列相液晶被誉为自组装的一维光子晶体，具有光子禁带(即反射带)。并且在外场（温度、电场、压力、磁场等）作用下，光子禁带位置移动。将激光染料和手性向列相液晶有机地结合，可以形成染料掺杂向列相液晶激光器，在外场作用下实现可调谐输出。

作为一种新型的光电器件基于染料掺杂手性向列相液晶激光器的研究较多，器件辐射强度较弱是限制其进一步发展的主要原因。目前报道的提高辐射强度的方法主要有如下：1）提高泵浦光能量密度；2）提高液晶分子和染料的有序度，增强分布反馈；3）添加外加反馈腔，增强反馈等。但是离应用相距较远。

发明内容

本发明的目的在于提供一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器及其制备方法。

本发明的激光器能增强辐射激光、减少漏光，并能提高泵浦效率，节约能源，特别是激光器稳定而易调谐。

采用的技术方案是：

一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器，包括上玻璃基板、下玻璃基板。

上玻璃基板和下玻璃基板厚1.1cm，面积为2×2cm，平整度≥1/10波长。上玻璃基板和下玻璃基板平行设置，其特征在于：

上玻璃基板的内壁上交替镀有二氧化硅与二氧化钛多层介质膜，控制膜厚度和层数，使辐射激光波长（波长调谐范围约610nm-660nm）反射，泵浦激光波长532nm透过，多层介质膜上印刷有上取向膜。

下玻璃基板的内壁上交替镀有二氧化硅与二氧化钛的多层介质膜，控制膜厚度和层数，使泵浦激光波长532nm反射，辐射激光波长（波长调谐范围约610nm-660nm）透过，多层介质膜上印刷有下取向膜。

上下玻璃基板取向膜摩擦方向反平行设置，制作液晶盒，液晶盒厚度为40μm。

利用毛细作用将染料掺杂手性向列相液晶注入液晶盒内，染料掺杂手性向列相液晶由负性液晶、手性剂和激光染料按79.46wt%：19.54wt%：1wt%比例构成。

负性液晶为负性向列相液晶SLC12V620，手性剂为S-811，激光染料为DCM。

上玻璃基板上的二氧化钛介质膜层厚度为55nm，二氧化硅介质膜层厚度为80nm。共8对16层。

下玻璃基板上的二氧化钛介质膜层厚为78nm，二氧化硅介质层厚为118nm。共8对，16层。

泵浦为Nd：YAG倍频脉冲激光器，输出波长为532nm。控制泵浦激光入射角度为20。

采用多通道光纤光谱仪(avantes)测量辐射激光光谱。

采用加热台改变器件温度。

 

一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器的制备方法，包括下述工艺步骤：

1、制备上玻璃基板：

取第一块透明玻璃板，厚度为1.1cm，面积为2×2cm，整体平整度≥1/10波长。在第一块玻璃板的内壁上分别交替镀制上8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层，厚度分别为55nm和80nm。

控制泵浦激光入射角度为20°时，532nm波长泵浦光透过多层介质膜。

产生的辐射激光波长610-660nm（温度调谐时在此范围内变化）在多层介质膜的反射带内，被反射。

该玻璃板为激光器的上基板。

2、制备下玻璃基板：

取第二块透明玻璃板厚度为1.1cm，面积为2cm×2cm的透明玻璃基板，整体平整度≥1/10波长。

在第二块玻璃板的内壁上分别交替镀制8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层，厚度分别为78nm和118nm。

控制泵浦激光入射角度为20°时，泵浦激光波长532nm在多层介质膜的反射带内，被反射。

辐射激光波长610-660nm（温度调谐时在此范围内变化）透过。

该玻璃板为激光器的下基板。

3、制备液晶盒：

上玻璃基板和下玻璃基板的多层介质膜一侧分别施涂聚酰亚胺高分子取向膜，高温固化。固化温度为80℃三十分钟，300℃两个小时。降温到室温后，进行摩擦取向处理。

上玻璃基板和下玻璃基板上的取向膜摩擦方向反平行设置制作液晶盒，液晶盒厚度由隔垫物控制为40μm。

4、配制染料掺杂手性向列相液晶：

在负性向列相液晶SLC12V620中掺杂手性剂S-811，搅拌，形成手性向列相液晶。再添加激光染料DCM。质量分数比为79.46wt%：19.54wt%：1wt%。继续搅拌，使混合均匀。

5、液晶盒内注入染料掺杂手性向列相液晶：

在向列相液晶的清凉点温度102.4℃，利用毛细作用将步骤4制成的染料掺杂手性向列相液晶注入液晶盒中，封口，缓慢降温至室温，降温速率为1℃ /min。

完成器件制作。

本发明采用下述验证方法：

1、利用偏光显微镜观察液晶分子的排列织构。由oily-streak lines织构，判断是否形成平面态排列。

2、将染料掺杂手性向列相液晶，注入没有蒸镀多层介质膜的液晶盒（取向膜摩擦方向反平行、40μm）中，利用加热台改变器件温度，利用紫外分光光度计测量器件透射谱。观察反射带随着温度的变化。温度升高，反射带移动。如图3所示。

3、泵浦光采用波长为532nm输出的Nd:YAG倍频脉冲激光器，脉冲宽度8纳秒，重复频率5Hz。采用多通道光纤光谱仪(avantes)测量辐射激光。泵浦光由器件上基板外侧入射，控制入射角度为20°。光谱仪探测光纤由器件下基板外侧接收。

4、采用热台改变器件温度，控制温度变化范围为19-70oC，温度精度为1 oC，探测调谐输出激光波长。

本发明的有益效果在于：                                               采用负性向列相液晶SLC12V620（△n=0.23），掺杂手性剂S8-11，按照79.5wt%：19.5wt%的比例混合构成手性向列相液晶获得了在可见光波段较宽的反射带约60nm，有利于多种激光染料的混合。设计上、下玻璃基板表面蒸镀的二氧化硅和二氧化钛多层介质膜满足对辐射激光和泵浦激光波长具有不同的透过、反射率，从而提高泵浦效率，增强辐射激光强度，减少漏光。辐射激光为光子禁带末端激光，线宽窄。温度调谐，器件稳定而易调谐。

本发明的优点：

1、激光器的发光机制为光子禁带末端辐射激光，线宽窄；

2、泵浦激光将被下基板再次反射，两次透过液晶层，提高泵浦效率；

3、辐射激光将被上基板反射，获得再次干涉增强，提高辐射光强度；

4、负性液晶折射率各向异性大，反射带宽较宽，有利于多种染料掺杂。

5、温度调谐，器件稳定而易调谐。

附图说明：

图1为一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器结构示意图。

图2是不同入射角度下，上玻璃基板多层介质膜透射谱模拟示意图。

图3是不同入射角度下，下玻璃基板多层介质膜透射谱模拟示意图。

图4是染料掺杂手性向列相液晶反射带随温度变化示意图。

具体实施方式

一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器，包括平行设置的上玻璃基板1和下玻璃基板2，其特征在于：

上玻璃基板1和下玻璃基板2厚度均为1.1毫米，面积为2厘米×2厘米的透明玻璃基板，整体平整度≥1/10波长。

上玻璃基板1的内壁上分别交替镀制8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层3，厚度分别为55nm和80nm。当532nm泵浦激光入射角为20°，泵浦激光波长532nm透过。辐射激光波长610-660nm（温度调谐时在此范围内变化）被反射。

下玻璃基板2的内壁上分别交替镀制8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层4，厚度分别为78nm和118nm。当532nm泵浦激光入射角为20°，泵浦激光波长532nm被反射。辐射激光波长610-660nm（温度调谐时在此范围内变化）透过。

上玻璃基板1和下玻璃基板2的8对介质膜层（3,4）内侧，分别旋涂有聚酰亚胺高分子上取向膜5和下取向膜6，摩擦取向处理后，使摩擦方向反平行设置形成液晶盒7，液晶盒7厚度为40mm。液晶盒内充填有染料掺杂手性向列相液晶8，染料掺杂手性向列相液晶 8由在负性向列相液晶SLC12V620中掺杂手性剂S-811，搅拌，形成手性向列相液晶；再添加激光染料DCM构成，搅拌。质量分数比为79.46wt%：19.54wt%：1wt%。

泵浦光采用波长为532nm输出的Nd:YAG倍频脉冲激光器，脉冲宽度8纳秒，重复频率5Hz。

采用热台改变器件温度，控制温度变化范围为19-70o℃，温度精度为1 ℃，探测调谐输出激光。

Claims (5)

1.一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器，包括平行设置的上玻璃基板（1）和下玻璃基板（2），其特征在于：

上玻璃基板（1）和下玻璃基板（2）厚度均为1.1毫米，面积为2厘米×2厘米的透明玻璃基板，整体平整度≥1/10波长；

上玻璃基板（1）的内壁上分别交替镀制8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层（3），厚度分别为55nm和80nm；控制泵浦激光入射角为20°，泵浦激光波长532nm的透过，辐射激光波长610-660nm被反射，温度调谐时在此范围内变化；

下玻璃基板（2）的内壁上分别交替镀制8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层（4），厚度分别为78nm和118nm，泵浦激光入射角度为20°，泵浦激光波长532nm被反射，辐射激光波长610-660nm透过，温度调谐时在此范围内变化；

上玻璃基板（1）和下玻璃基板（2）的8对介质膜层（3,4）内侧，分别旋涂有聚酰亚胺高分子上取向膜（5）和下取向膜（6），取向膜高温固化，摩擦取向，上下基板取向膜摩擦方向反平行设置，形成液晶盒（7），液晶盒（7）厚度为40微米；液晶盒内充填染料掺杂手性向列相液晶（8），染料掺杂手性向列相液晶（8）由在负性向列相液晶SLC12V620中掺杂手性剂S-811，搅拌均匀，形成手性向列相液晶；再添加激光染料DCM构成；质量分数比为79.46wt%：19.54%：1wt%。

2.根据权利要求1所述的一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器，其特征在于所述的负性向列相液晶SLC12V620、手性剂、激光染料DCM按照质量分数比为79.46wt%：19.54%：1wt%混合均匀形成的染料掺杂手性向列相液晶的平面态排列，反射带宽度较大，19 oC时60nm；有利于多种激光染料的共掺，获得大的调谐范围。

3.根据权利要求1所述的一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器，其特征在于所述的泵浦光采用波长为532nm输出的Nd:YAG倍频脉冲激光器，脉冲宽度8纳秒，重复频率5Hz，控制泵浦光入射角度为20°。

4.根据权利要求1所述的一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器，其特征在于采用热台改变器件温度，控制温度变化范围为19-70oC，温度精度为1 oC，利用多通道光纤光谱仪探测调谐输出激光。

5.一种染料掺杂手性向列相液晶可调谐激光器的制备方法，包括下述工艺步骤：

1）、制备上玻璃基板：

取第一块透明玻璃板，厚度为1.1cm，面积为2×2cm，整体平整度≥1/10波长；

在第一块玻璃板的内壁上分别交替镀制上8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层，厚度分别为55nm和80nm，控制泵浦光入射角度为20℃，泵浦激光波长532nm透过，辐射激光波长610-660nm被反射，温度调谐时在此范围内变化；该玻璃板为激光器的上玻璃基板；

2）、制备下玻璃基板：

取第二块透明玻璃板厚度为1.1cm，面积为2cm×2cm的透明玻璃基板，整体平整度≥1/10波长；

在第二块玻璃板的内壁上分别交替镀制8对二氧化钛和二氧化硅介质膜层，厚度分别为78nm和118nm；

控制入射角度为20°时，泵浦激光波长532nm被反射，辐射激光波长610-660nm透过，温度调谐时在此范围内变化该玻璃板为激光器的下玻璃基板；

3）、制备液晶盒：

上玻璃基板和下玻璃基板的多层介质膜一侧分别施涂聚酰亚胺高分子取向膜，高温固化，固化温度为80℃三十分钟，300℃两个小时，降温到室温后，进行摩擦取向处理；

上玻璃基板和下玻璃基板上的取向膜为反向平行摩擦，形成液晶盒，液晶盒厚度由隔垫物控制为40μm；

4）、配制染料掺杂手性向列相液晶：

在负性向列相液晶SLC12V620中掺杂手性剂S-811，搅拌，形成手性向列相液晶，再添加激光染料DCM，继续搅拌，质量分数比为79.46wt%：19.54wt%：1wt%；

5）、液晶盒内注入染料掺杂手性向列相液晶：

在向列相液晶的清凉点温度102.4℃，利用毛细作用将步骤4制成的染料掺杂手性向列相液晶注入液晶盒中，封口，缓慢降温至室温，降温速率为1℃ /min；获得手性向列相液晶平面态排列器件。