CN107017549B - 液晶光子晶体光纤随机激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学激光器技术领域，具体涉及一种具有控制随机激光发射方向的液晶光子晶体光纤随机激光器及其制作方法。本发明提供一种具有控制随机激光发射方向功能的液晶光纤激光器。提出了将掺杂激光染料的胆甾相液晶混合聚乙烯醇的水溶液注入光子晶体光纤中，利用其传光特性，构造可以控制随机激光发射方向的液晶激光器。使得原本随机方向激光发射变为可控的，这样在很大程度上提高了液晶光纤激光器的激光强度。

Description

液晶光子晶体光纤随机激光器及其制作方法
技术领域
本发明属于光学激光器技术领域，涉及的是一种具有控制随机激光发射方向的液晶光子晶体光纤随机激光器，还涉及一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法。
技术背景
近十几年以来，在随机介质的研究领域，人们多次发现了高强度的受激辐射，受激辐射是处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差，受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同，因此受激辐射是产生激光的必要条件。近年来，随机激光已经成为国际激光学界的热门研究领域。随机激光在产生机理及发光特性上与传统激光器存在许多显著的不同，随机激光辐射源自激活无序介质，通过辐射光在介质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。在各个方向都能观察到随机激光辐射，且观察角度不同时，谱线结构和发射强度也会发生变化，发光特性在时间、空间、光谱上随机波动。随机激光由于其特殊的反馈机制而具有工作波长特定、制造方便、成本低廉等优点，并因其在文档编码、敌我鉴别、平板显示、集成光学、远程温度传感等领域的潜在应用而引起广泛关注。美国西北大学的Cao等人在半导体随机介质中观察到受激辐射现象，利用环形腔理论较好地解释了随机介质的发光特性，这种在高度无序介质中受激辐射与传统激光器中受激辐射有着显著的不同，人们把利用这种受激辐射所构成的激光器称为随机激光器。随机激光器具有的物理机制，并在光子集成、纳米光电子器件、光学传感、特殊波段激光产生、激光防伪、医学成像等诸多领域具有广阔的应用前景。
早在2002年，D.S.Wiersma利用液晶的散色特性以及液晶相随温度发生变化的原理，制作了样品厚度为0.1和5.0mm的染料掺杂液晶样品，研究其随机发射特性。2011年P.J.W.Hands等研究了乳胶状态胆甾相液晶盒的随机发射，较详细的分析了发射机制。2013年L.W.Li等研究了取向与非取向条件下胆甾相液晶的随机发射。2016年C.H.Chang等利用偶氮顺反异构材料紫外光控的特性，在具有纳米颗粒的染料掺杂取向液晶盒中实现了随机激光。通过检索，所有的这些研究都是基于液晶盒结构的研究，存在着随机激光的发射方向不确定的特点，光强弱是其主要问题。
本专利基于光子晶体光纤的传光原理和胆甾相液晶激光器原理而设计，是能够实现方向性好、激光强度强的液晶光纤随机激光器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有控制随机激光发射方向功能的液晶光子晶体光纤随机激光器及其制作方法，本发明的目的还在于提供一种将提出了将掺杂激光染料的胆甾相液晶与聚乙烯醇混合的水溶液注入光子晶体光纤以实现控制随机激光发射方向的液晶激光器的制作方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种液晶光子晶体光纤随机激光器，包括空心光子晶体光纤1、掺杂染料的胆甾相液晶微球和聚乙烯醇的水溶液2，所述掺杂染料的胆甾相液晶微球是包括大尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球3和小尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球4；将掺杂染料的胆甾相液晶微球与聚乙烯醇的水溶液2经搅拌后注入到空心光子晶体光纤1纤芯中间。
所述的空心光子晶体光纤1纤芯尺寸在50-200微米，纤芯周围呈三角形排布五层至七层的空气孔。
所述的掺杂染料的胆甾相液晶微球是掺杂激光染料的胆甾相液晶微球。
所述的掺杂染料胆甾相液晶微球的直径在0.5-10微米。
一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法：
(1)选取空心光子晶体光纤1，测出其光学禁带波长位置；
(2)使用手性剂配置胆甾相液晶，调整手性剂的质量分数浓度使其光子带隙位置与空心光子晶体光纤1自身禁带位置一致，选取荧光光谱在禁带区间内的激光染料，掺杂进入配置好的胆甾相液晶中进行充分振荡；
(3)配制聚乙烯醇的水溶液2，与掺杂染料的胆甾相液晶微球两者混合搅拌，利用搅拌的方式形成大小各异的液晶微球；
(4)将聚乙烯醇的水溶液2与掺杂染料的胆甾相液晶微球的混合物注入到空心光子晶体光纤1的纤芯内部；
(5)利用脉冲激光器对光纤进行泵浦，在光线出射端对光谱进行接收。
所述的充分振荡是利用超声震荡设备进行充分的、均匀的混合振荡。
所述的聚乙烯醇的水溶液2，质量浓度范围在5％-15％；聚乙烯醇的水溶液2与掺杂染料的胆甾相液晶微球两者混合搅拌，两者体积比在1:1至1:2之间。
所述的将配制的聚乙烯醇水溶液与掺杂染料的胆甾相液晶两者混合物注入到空心光子晶体光纤1的纤芯中的注入深度为1-2厘米。
本发明的有益效果在于：
本发明液晶光纤激光器与现有液晶激光器的主要差别在于：本发明的液晶光纤激光器采用光子晶体光纤作为液晶的载体，使得原本随机的发射方向变为可控的，这样在很大程度上提高了液晶激光器的激光强度。
附图说明
图1是本发明液晶光纤随机激光器的结构示意图；
图2为图1的A-A截面图。
图中的附图标记1为空心光子晶体光纤载体，2为聚乙烯醇水溶液混合液，3为大尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球，4为小尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球。
实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1
液晶光子晶体光纤随机激光器，包括空心光子晶体光纤1、掺杂染料的胆甾相液晶微球和聚乙烯醇的水溶液2，所述掺杂染料的胆甾相液晶微球是包括大尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球3和小尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球4；将掺杂染料的胆甾相液晶微球与聚乙烯醇的水溶液2经搅拌后注入到空心光子晶体光纤1纤芯中间。
所述的空心光子晶体光纤1纤芯尺寸在50-200微米，纤芯周围呈三角形排布五层至七层的空气孔。
所述的掺杂染料的胆甾相液晶微球是掺杂激光染料的胆甾相液晶微球。
所述的掺杂染料胆甾相液晶微球的直径在0.5-10微米。
一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法：
(1)选取空心光子晶体光纤1，测出其光学禁带波长位置；
(2)使用手性剂配置胆甾相液晶，调整手性剂的质量分数浓度使其光子带隙位置与空心光子晶体光纤1自身禁带位置一致，选取荧光光谱在禁带区间内的激光染料，掺杂进入配置好的胆甾相液晶中进行充分振荡；
(3)配制聚乙烯醇的水溶液2，与掺杂染料的胆甾相液晶微球两者混合搅拌，利用搅拌的方式形成大小各异的液晶微球；
(4)将聚乙烯醇的水溶液2与掺杂染料的胆甾相液晶微球的混合物注入到空心光子晶体光纤(1)的纤芯内部；
(5)利用脉冲激光器对光纤进行泵浦，在光线出射端对光谱进行接收。
所述的充分振荡是利用超声震荡设备进行充分的、均匀的混合振荡。
所述的聚乙烯醇的水溶液2，质量浓度范围在5％-15％；聚乙烯醇的水溶液2与掺杂染料的胆甾相液晶微球两者混合搅拌，两者体积比在1:1至1:2之间。
所述的将配制的聚乙烯醇水溶液与掺杂染料的胆甾相液晶两者混合物注入到空心光子晶体光纤1的纤芯中的注入深度为1-2厘米。
实施例2
掺杂染料的胆甾相液晶与聚乙烯醇的水溶液经搅拌后，液晶微滴以不同大小微球结构悬浮于聚乙烯醇的水溶液中，微球中较大尺寸的微滴具有好的螺旋结构，而小尺寸的微滴由于螺距长度的原因没有规整的螺旋结构。这样较大的液晶微滴起到增益的作用，小的微滴起到散色的作用，聚乙烯醇的水溶液可以使液晶微滴以完好球体的形式存在。由于小微滴的散色作用，使得随机发射的方向不可控制。而光子晶体光纤的微结构对发射光起到反射作用，从而控制发射光沿着光纤传输的方向，因而能够提高激光的发射效率。
其制作方法包括以下步骤：
(1)选取空心光子晶体光纤，测出其光学禁带波长位置；
(2)使用手性剂配置胆甾相液晶，为使其光子带隙位置与光子晶体光纤自身禁带位置一致，需要调整手性剂的质量分数浓度。选取荧光光谱在禁带区间内的激光染料，掺杂进入配置好的胆甾相液晶中进行充分振荡；
(3)配制聚乙烯醇水溶液，与掺杂染料的胆甾相液晶两者混合搅拌，利用搅拌的方式形成大小各异的液晶微球；
(4)将其注入到空心光子晶体光纤纤芯内部；
(5)利用脉冲激光器对光纤进行泵浦，在光线出射端对光谱进行接收。
实施例3
与实施例2相同，其区别主要在于：
选取纤芯为空心光子晶体光纤纤芯直径在50-200微米，纤芯周围呈三角形排布五层至七层的空气孔；
使用手性剂配置胆甾相液晶，调整手性剂的质量百分比浓度，获得光子带隙位置与光子晶体光纤自身禁带位置一致。选取荧光光谱在禁带区间内的激光染料，掺杂进入配置好的胆甾相液晶中，利用超声震荡设备进行充分的、均匀的混合；
配制聚乙烯醇质量百分比为5％-15％的水溶液，与掺杂染料的胆甾相液晶两者混合搅拌，两者体积在1:1至1:2之间。通过搅拌形成大小各异的液晶微球，其尺寸参数为：微球直径0.5-10微米；
利用胶在显微镜下把除纤芯以外的包层空气孔堵住，以保证将上述混合液其注入到光纤纤芯内部，填充深度控制在1-2厘米；
搭建光路，利用波长为532纳米脉冲激光激光器，通过透镜汇聚光束用进行泵浦，出射光线在光纤的另一端，利用微型光谱仪对光谱进行接收。

Claims (8)

1.一种液晶光子晶体光纤随机激光器，包括空心光子晶体光纤(1)、掺杂染料的胆甾相液晶微球和聚乙烯醇的水溶液(2)，其特征在于：所述掺杂染料的胆甾相液晶微球是包括大尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球(3)和小尺寸掺杂染料胆甾相液晶微球(4)；将掺杂染料的胆甾相液晶微球与聚乙烯醇的水溶液(2)经搅拌后注入到空心光子晶体光纤(1)纤芯中间。
2.根据权利要求1所述的一种液晶光子晶体光纤随机激光器，其特征在于：所述的空心光子晶体光纤(1)纤芯尺寸在50-200微米，纤芯周围呈三角形排布五层至七层的空气孔。
3.根据权利要求1所述的一种液晶光子晶体光纤随机激光器，其特征在于:所述的掺杂染料的胆甾相液晶微球是掺杂激光染料的胆甾相液晶微球。
4.根据权利要求1所述的一种液晶光子晶体光纤随机激光器，其特征在于：所述的掺杂染料胆甾相液晶微球的直径在0.5-10微米。
5.一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法，其特征在于：
(1)选取空心光子晶体光纤(1)，测出其光学禁带波长位置；
(2)使用手性剂配置胆甾相液晶，调整手性剂的质量分数浓度使其光子带隙位置与空心光子晶体光纤(1)自身禁带位置一致，选取荧光光谱在禁带区间内的激光染料，掺杂进入配置好的胆甾相液晶中进行充分振荡；
(3)配制聚乙烯醇的水溶液(2)，与掺杂激光染料的胆甾相液晶两者混合搅拌，利用搅拌的方式形成大小各异的液晶微球；
(4)将聚乙烯醇的水溶液(2)与掺杂染料的胆甾相液晶微球的混合物注入到空心光子晶体光纤(1)的纤芯内部；
(5)利用脉冲激光器对光纤进行泵浦，在光纤出射端对光谱进行接收。
6.根据权利要求5所述的一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法，其特征是：所述的充分振荡是利用超声震荡设备进行充分的、均匀的混合振荡。
7.根据权利要求5所述的一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法，其特征是：所述的聚乙烯醇的水溶液(2)，质量浓度范围在5％-15％；聚乙烯醇的水溶液(2)与掺杂染料的胆甾相液晶微球两者混合搅拌，两者体积比在1:1至1:2之间。
8.根据权利要求5所述的一种液晶光子晶体光纤随机激光器的制作方法，其特征是：将配制的聚乙烯醇的水溶液与掺杂染料的胆甾相液晶两者混合物注入到空心光子晶体光纤(1)的纤芯中的注入深度为1-2厘米。
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