CN104849932A - 一种实现边带激光和随机激光转换的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现边带激光和随机激光转换的装置及方法，所述装置包括激光器、盒结构、以及连接盒结构的加热装置；其中，在所述盒结构内部填充掺杂激光染料的胆甾相液晶混合溶液。所述方法包括：将装有掺杂激光染料的胆甾相液晶盒与加热装置相连接；当泵浦光照射到所述盒结构上时，调节胆甾相液晶盒的温度，实现边带激光和随机激光的转换。本发明的装置及方法具有简单易实现，能耗低，输出激光波长、线宽可调控的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及实现边带激光和随机激光转换的装置及方法。
背景技术
近年来，在胆甾相液晶介质中分别观察到了边带激光和随机激光现象。从胆甾相液晶辐射出的边带激光具有单模、窄线宽的特点，由于光子态密度在胆甾相液晶反射带边沿的增强，边带激光在反射带边沿出射。在胆甾相液晶中，还存在另一种激光机制，通过辐射光在液晶分子中的多次散射提供光学反馈，从而获得较大的增益，无需外加谐振腔，从而产生随机激光。
胆甾相液晶大都是胆甾醇的衍生物，是在向列相液晶中加入手性剂制成，也可以将其称为旋光性的向列相液晶，分子的排列呈周期性螺旋平面状的排列，具有选择性反射入射光和折光率各向异性等性质，可以起到类似半导体的光子带隙对光子的限制作用，可用于制作染料激光器，它具有无腔、结构紧凑、阈值低、易调谐等特点，在未来激光显示和其他应用领域有着重要的作用。近年来，胆甾相液晶引起了广大学者的关注，被用来研究随机激光及边带激光。由于胆甾相液晶分子呈螺旋排列，使其具有一维光子晶体的特性，所以对胆甾相液晶激光的研究主要集中在边带激光出射，而近几年胆甾相液晶随机激光的研究也得到了广大学者的关注。胆甾相液晶边带激光的出射波长与胆甾相液晶反射带的边带位置相关，且线宽较窄。而随机激光的物理机理与边带激光不同，随机激光是由光子在液晶分子间的多重散射提供的反馈形成的，其出射的激光波长与所掺杂染料的荧光峰相关，且相较于边带激光其线宽较宽。
现如今对随机激光与边带激光转换的研究主要涉及两种方法，第一种是通过制备两种不同液晶滴的大小乳胶膜，分别在两个样品中实现了边带激光和随机激光出射，该方法工艺复杂、且不能实现边带激光和随机激光的转换；另一种方法是通过改变胆甾相液晶盒的外加电场频率实现边带激光和随机激光转换，该方法中所使用的外加电场达到13V/um，所使用的液晶盒盒厚为12um，调控所需电压高、能耗大，不利于其实际应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种实现边带激光和随机激光转换的装置及方法，具有工艺简单，能耗低，输出激光波长、线宽可调控的特点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种实现边带激光和随机激光转换的装置，包括激光器、聚焦透镜、盒结构和加热板，所述盒结构紧贴在加热板加热面上，所述激光器发出的泵浦光经聚焦透镜聚焦后照射到盒结构，所述盒结构射出的出射光为边带激光或随机激光。
进一步的，所述盒结构为双面反向摩擦的液晶盒，厚度为5um-50um。
进一步的，所述盒结构包括上玻璃基板、上取向层、胆甾相液晶、激光染料分子、下取向层和下玻璃基板，所述上取向层成膜于上玻璃基板，所述下取向层成膜于下玻璃基板，所述胆甾相液晶填充在上取向层和下取向层之间，所述胆甾相液晶溶液内掺杂有激光染料分子，得到掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液。
进一步的，所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括手性剂、向列相液晶配置成的胆甾相液晶和激光染料分子，配比满足胆甾相液晶反射带和激光染料分子荧光峰交叠。所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括26.6wt％手性剂S811和72.92wt％液晶E7配置成的配置成的胆甾相液晶，和0.48wt％染料PM597的激光染料分子。
另外，配比还可以为：所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括5.5wt％手性剂BDH1305和93.5wt％向列相液晶BL093配置成的胆甾相液晶和1wt％染料PM597的激光染料分子。所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括66wt％向列相液晶BL006和34wt％手性剂ZLI-811配置成的胆甾相液晶和1wt％染料DCM的激光染料分子。需要指出的是，在保证胆甾相液晶反射带和激光染料分子荧光峰交叠的前提下，上述手性剂、向列相液晶和激光染料的配比方式可以不同。所述胆甾相液晶内掺杂激光染料分子配置时，在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得胆甾相液晶溶液。
进一步的，还包括温度传感器、继电器、温度控制器和直流电源，所述直流电源、继电器和加热板串联，所述温度传感器设置在盒结构上，所述温度传感器与温度控制器连接，所述温度控制器与继电器连接。
一种实现边带激光和随机激光转换的装置的方法，包括以下步骤：
第一步：在胆甾相液晶溶液中掺杂激光染料分子，在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得胆甾相液晶溶液；
第二步：将掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液利用毛细管效应注入盒结构内，并用封口胶将盒结构腔体的四周封口；
第三步：将盒结构设置在加热板的加热面上，并在盒结构上设置温度传感器，串联所述直流电源、继电器和加热板，并将温度传感器与温度控制器连接，连接所述温度控制器与继电器，以此控制盒结构内掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液的温度；
第四步：所述激光器发出的泵浦光经聚焦透镜聚焦后照射到盒结构；
所述激光染料分子的荧光峰与胆甾相液晶反射带交叠时，盒结构射出的出射光为边带激光；
随着盒结构内掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液的温度逐渐升高时，所述激光染料分子的荧光峰与胆甾相液晶的反射带由交叠转变为分离，盒结构射出的出射光为随机激光。
有益效果：本发明是一种通过温度实现边带激光和随机激光转换的装置和方法，与改变液晶滴的大小实现边带激光和随机激光出射的方法相比较，具有工艺简单、易实现、连续调控的优势。
现有技术，是在改变外加电场频率实现边带激光和随机激光转换的方法中，需要很高的外加电压(13V/um，液晶盒盒厚为12um)，功耗太大，不利于可调控的胆甾相液晶激光器的实际应用。而本发明的盒结构的调控温度为25℃-33℃，升温速率约为2min/℃，因此，本发明具有能耗低、成本低的优点。
本发明通过温度调控，实现了窄线宽的边带激光和宽线宽的随机激光的转换，同时可以实现出射激光波长的调谐。在需要激光可控线宽的领域具有很大的应用价值，如减少全息显示器散斑。
同时由于其可实现出射激光的波长调谐，在密集型光波分复用系统，高速光通信系统，集成光子学等领域存在广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置盒结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1，一种实现边带激光和随机激光转换的装置，包括激光器1、聚焦透镜3、盒结构9和加热板8，所述盒结构9紧贴在加热板8加热面上，所述激光器1发出的泵浦光2经聚焦透镜3聚焦后照射到盒结构9，所述盒结构9射出的出射光10为边带激光或随机激光。
上述涉及到的盒结构9为双面反向摩擦的液晶盒，厚度为5um-50um。具体的，如图2，所述盒结构9包括上玻璃基板16、上取向层11、胆甾相液晶12、激光染料分子15、下取向层13和下玻璃基板14，所述上取向层11成膜于上玻璃基板16，所述下取向层13成膜于下玻璃基板14，所述胆甾相液晶12设置在上取向层11和下取向层13之间，所述胆甾相液晶12内掺杂有激光染料分子15，得到掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液。
所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括手性剂、向列相液晶配置成的胆甾相液晶和激光染料分子，配比满足胆甾相液晶反射带和激光染料分子荧光峰交叠。具体的本发明优选的是，所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括26.6wt％手性剂S811和72.92wt％液晶E7配置成的胆甾相液晶12，和0.48wt％染料PM597的激光染料分子15。所述胆甾相液晶12内掺杂激光染料分子15配置时，在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得胆甾相液晶溶液，本实施例中，保持70℃搅拌4h。
在其他实施例中，所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括5.5wt％手性剂BDH1305和93.5wt％向列相液晶BL093配置成的胆甾相液晶12和1wt％染料PM597的激光染料分子15。或者，所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括66wt％向列相液晶BL006和34wt％手性剂ZLI-811配置成的胆甾相液晶12和1wt％染料DCM的激光染料分子15。上述手性剂、向列相液晶以及激光染料分子15均以一定比例混合，且均在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液。需要指出的是，在保证胆甾相液晶12反射带和激光染料分子15荧光峰交叠的前提下，手性剂、向列相液晶和激光染料分子15的配比方式可以不同。
如图1，本发明加热板8的具体温度控制关系连接还包括温度传感器4、继电器5、温度控制器6和直流电源7，所述直流电源7、继电器5和加热板8串联，所述温度传感器4设置在盒结构9上，所述温度传感器4与温度控制器6连接，所述温度控制器6与继电器5连接。具体的连接关系如下：将盒结构9紧贴在加热板8上，所述加热板为平板型陶瓷半导体，通过加热板8、温度传感器4组合。所述温度控制器6的‘+’级连接继电器5的iuput的‘+’级，所述温度控制器6‘-’级连接继电器5的input的‘-’级，所述继电器5的output的‘+’级连接直流电源7的‘+’级，所述继电器5的output的‘-’级连接直流电源7的‘-’级，所述温度控制器6引出的温度传感器4贴在加热板的发热面，所述温度控制器6的电源直接插在插座上，加热板8与继电器5和直流电源7之间串联，可以连在‘--’级之间，也可以连在‘++’级之间，不同的连接会影响加热板8不同面发热，所述继电器5的output的‘+’级根据需要也可以连接直流电源7的‘-’级，‘-’级也可连接直流电源7的‘+’级。直流电源7电压不要超过10v，当降低温度时，将电压调到较小值，如30℃对应3v，50℃对应5v(若是电压太大会导致温度变化过快)，当升高温度时，调至高压，如90℃对应9v。温度控制器6控制输出的方式是内置继电器触点开关输出，该输出控制给加热板8供电的直流电源7。
一种实现边带激光和随机激光转换的装置的方法，包括以下步骤：
第一步：在胆甾相液晶12溶液中掺杂激光染料分子15，在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得胆甾相液晶溶液；
第二步：利用毛细管效应，将掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液注入盒结构9内，并用封口胶将盒结构9腔体的四周封口；
第三步：将盒结构9设置在加热板8的加热面上，并在盒结构9上设置温度传感器4，串接所述直流电源7、继电器5和加热板8，并将温度传感器4与温度控制器6连接，连接所述温度控制器6与继电器5，以此控制盒结构9内掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液的温度；
第四步：所述激光器1发出的泵浦光2经聚焦透镜3聚焦后照射到盒结构9；
所述激光染料分子15的荧光峰与胆甾相液晶12的反射带交叠时，盒结构9射出的出射光10为边带激光；
随着盒结构9内掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液的温度逐渐升高时，所述激光染料分子15的荧光峰与胆甾相液晶12的反射带由交叠转变为分离，盒结构9射出的出射光10为随机激光。
在工作时，激光器1发出的泵浦光2经聚焦透镜3聚焦后照射到盒结构9上，通过温度控制器6调节加热板8的温度，改变盒结构9的温度，通过温度传感器4和继电器5保持设定的温度稳定，从而在泵浦光2的同侧实现边带激光和随机激光转换的出射光10。其具体的工作原理如下：胆甾相液晶12是一种自组装的一维光子晶体，在一维光子晶体带边，群速度接近零，这意味在一维光子带隙结构内，光的光程变长，如果在此结构内存在增益介质，光子经过多次反射后被放大，能带内不存在光子，即光子由于全反射而被束缚于带边。光子晶体能带的边沿对应于胆甾相液晶12的反射带的边沿，胆甾相液晶12的反射带的边沿形成谐振腔，为激发光提供足够的反馈并最终得到足够的放大。在胆甾相液晶12中掺入激光染料，如果激光染料分子15的荧光峰与胆甾相液晶12反射带交叠，荧光将被反射带边沿反射形成谐振腔，可以提供足够的反馈并最终得到足够的放大，这时样品的反馈机制来自于反射带边沿，出射的激光为边带激光。此外，掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液中，液晶分子是周期性螺旋排列的，具有选择性反射入射光和折光率各向异性等性质，由于光子在液晶分子间的多重散射，从而提供了产生随机激光的机制。当温度较低时，胆甾相液晶12的反射带与激光染料分子15的荧光峰交叠，反射带边沿对荧光的反射提供反馈并得到足够的放大，这时盒结构9出射的光为边带激光，并且随着温度的升高，边带激光会发生蓝移，实现不同波长的边带激光出射。同时，随着温度的升高胆甾相液晶12的反射带蓝移，使原本交叠的反射带和荧光峰分离，从而改变了样品内部的反馈机制，这时样品内部由液晶分子对光子的多重散射提供反馈，从而实现了随机激光出射。因此，通过温度调控实现了边带激光和随机激光的转换。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：包括激光器(1)、聚焦透镜(3)、盒结构(9)和加热板(8)，所述盒结构(9)紧贴在加热板(8)加热面上，所述激光器(1)发出的泵浦光(2)经聚焦透镜(3)聚焦后照射到盒结构(9)，所述盒结构(9)射出的出射光(10)为边带激光或随机激光。
2.根据权利要求1所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述盒结构(9)为双面反向摩擦的液晶盒，厚度为5um-50um。
3.根据权利要求1所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述盒结构(9)包括上玻璃基板(16)、上取向层(11)、胆甾相液晶(12)、激光染料分子(15)、下取向层(13)和下玻璃基板(14)，所述上取向层(11)成膜于上玻璃基板(16)，所述下取向层(13)成膜于下玻璃基板(14)，所述胆甾相液晶(12)填充在上取向层(11)和下取向层(13)之间，所述胆甾相液晶(12)内掺杂有激光染料分子(15)，得到掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液。
4.根据权利要求3所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括手性剂、向列相液晶配置成的胆甾相液晶(12)和激光染料分子(15)，配比满足胆甾相液晶(12)反射带和激光染料分子(15)荧光峰交叠。
5.根据权利要求4所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括26.6wt％手性剂S811和72.92wt％液晶E7配置成的配置成的胆甾相液晶(12)，和0.48wt％染料PM597的激光染料分子(15)。
6.根据权利要求4所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括5.5wt％手性剂BDH1305和93.5wt％向列相液晶BL093配置成的胆甾相液晶(12)和1wt％染料PM597的激光染料分子(15)。
7.根据权利要求4所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液包括66wt％向列相液晶BL006和34wt％手性剂ZLI-811配置成的胆甾相液晶(12)和1wt％染料DCM的激光染料分子(15)。
8.根据权利要求3、4、5、6或7所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：所述胆甾相液晶(12)内掺杂激光染料分子(15)配置时，在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得胆甾相液晶溶液。
9.根据权利要求1所述一种实现边带激光和随机激光转换的装置，其特征在于：还包括温度传感器(4)、继电器(5)、温度控制器(6)和直流电源(7)，所述直流电源(7)、继电器(5)和加热板(8)串联，所述温度传感器(4)设置在盒结构(9)上，所述温度传感器(4)与温度控制器(6)连接，所述温度控制器(6)与继电器(5)连接。
10.一种实现边带激光和随机激光转换的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在胆甾相液晶(12)溶液中掺杂激光染料分子，在高于液晶清亮点的温度下加热搅拌制得胆甾相液晶溶液；
第二步：将掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液利用毛细管效应注入盒结构(9)内，并用封口胶将盒结构(9)腔体的四周封口；
第三步：将盒结构(9)紧贴在加热板(8)的加热面上，并在盒结构(9)上设置温度传感器(4)；串联所述直流电源(7)、继电器(5)和加热板(8)，并将温度传感器(4)与温度控制器(6)连接，连接所述温度控制器(6)与继电器(5)，以此控制盒结构(9)内掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液的温度；
第四步：所述激光器(1)发出的泵浦光(2)经聚焦透镜(3)聚焦后照射到盒结构(9)；
所述激光染料分子(15)的荧光峰与胆甾相液晶反射带交叠时，盒结构(9)射出的出射光(10)为边带激光；
随着盒结构(9)内掺杂激光染料的胆甾相液晶溶液的温度逐渐升高时，所述激光染料分子(15)的荧光峰与胆甾相液晶(12)反射带由交叠转变为分离，盒结构(9)射出的出射光(10)为随机激光。
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