SI23567A - Kroglasti tekočekristalni laser - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na eno ali več kapljic kiralnegatekočega kristala ki služijo kot točkasti izvori laserske svetlobe Izvor je v obliki kapljice kiralnega tekočega kristala in aktivnega medija ki je dispergiran v tekočem kristalu Izvor je krogelne oblike in velikosti med nekaj nanometri in mikrometri Kapljica je sestavljena iz kiralnega tekočega kristala ki ima selektivni odboj svetlobe v območju emisije aktivnega medija in je lahko holesterični tekoči kristal mešanica nematskega tekočega kristala in kiralnega dopanta ali kot druga kiralna tekočekristalna faza prednostno modra faza feroelektrična faza ali druga kiralna faze mehke snovi

Description

Kroglasti tekočekristalni laser

Izum se nanaša na kroglasti tekočekristalni laser z izvorom laserske svetlobe z eno ali več kapljic kiralnega tekočega kristala. Vsaka kapljica tekočega kristala je krogelne oblike in je obkrožena s tanko plastjo trdne snovi ali polimera ali druge snovi, ki je neprepustna za molekule tekočega kristala proti zunanjosti. Kapljica tekočega kristala je lahko tudi brez neprepustne plasti na svoji površini, če zunanjost izpolnjuje snov, s katero se tekoči kristal ne meša in tvori ostro mejo. Zunanjost kapljice tekočega kristala je zapolnjena s plinom ali tekočino ali trdno snovjo ali z drugim tekočim kristalom, lahko pa se nahaja tudi v vakuumu. Notranjost kapljice je zapolnjena s kiralnim tekočim kristalom, ki ima primesi laserskega aktivnega medija. Notranja stran lupinaste ovojnice tekočekristalne kapljice ali pa meja med tekočim kristalom in zunanjostjo je obdelana tako, da se na tej površini molekule tekočega kristala uredijo vzporedno s površino. Zaradi kiralnosti in urejenosti molekul tekočega kristala v smeri paralelno s površino zunanje meje kroglice, se tekoči kristal v notranjosti kapljice sam od sebe uredi v obliki vijačne strukture, kot je to splošno znano za kiralne tekoče kristale. Posledica te vijačne urejenosti je periodična variacija smeri glavnih osi dielektričnega tenzorja v radialni smeri, kar povzroči plastovitost optičnih lastnosti kapljice v radialni smeri. V središču kapljice kiralnega tekočega kristala je točkasti defekt, središče kapljice pa je lahko tudi zapolnjeno s kroglastim objektom ali objektom kakšne drugačne oblike, s centrom v središču tekočekristalne kapljice. Kroglasti objekt, ki zapolnjuje sredico, je lahko iz plina, tekočine, ki se ne meša s tekočim kristalom, ali trdnine. Lahko je tudi iz drugega tekočega kristala, ki se ne meša s tekočim kristalom, ki zapolnjuje kapljico. Kapljico z vijačno urejenostjo tekočega kristala v radialni smeri, ki mu je dodana lasersko aktivna snov, za katero je značilno stimulirano sevanje svetlobe, osvetljujemo s svetlobo iz zunanjega svetlobnega vira. Lahko osvetljujemo tudi samo del te kapljice, če je lasersko barvilo neenakomerno razporejeno po notranjosti kapljice, prednostno v središču kapljice. Osvetljevanje je izvedeno tako, da se nad določeno gostoto črpalnega svetlobnega toka dobi presežek stimulirano sevane svetlobe nad izgubami. Radialna modulacija lomnega količnika v notranjosti kapljice povzroča Braggove odboje svetlobe, ki izhaja iz središča kapljice in se zaradi odbojev proti središču tudi vrača. Tekočekristalna vijačna struktura zatorej deluje kot radialni Braggov reflektor, kapljica pa tvori radialni optični resonator, pri katerem so frekvence lastnih resonanc elektromagnetnega polja določene s periodo vijačnice kiralnega tekočega kristala in s hitrostjo širjenja svetlobe v tekočem kristalu. Izsevana svetloba izhaja nad pragom za lasersko sevanje enakomerno v

-2celoten prostorski kot. Izsevano svetlobo lahko tudi ujamemo v optični valovod v obliki cilindričnega dielektričnega objekta, ki prodira v kapljico v radialni smeri proti njenem središču. Valovod lahko tudi v celoti prebada kapljico tekočega kristala. Večje število tekočekristalnih laserjev je lahko urejenih v dvo- ali tridimenzionalno mrežo in tako tvorijo prostorsko ali ploskovno povezan vir laserske svetlobe.

Izum spada na področje laserske tehnologije izdelave laserjev, bolj natančno na področje izdelave barvilnih laserjev.

Izum rešuje problem izdelave mikroskopskega izvora koherentne in enobarvne svetlobe, ki je uporaben za integracijo v optičnih integriranih vezjih za obdelavo in širjenje optičnih signalov, za namene osvetljevanja predmetov, ter za namene mikroskopije in holografije. Izvor svetlobe za te namene mora biti koherenten, torej mora izsevati svetlobo z eno samo valovno dolžino, ta svetloba pa mora biti fazno povezana. Včasih je zaželeno, da laserski izvor seva svetlobo v vse smeri in da mu je mogoče na enostaven način spreminjati valovno dolžino izsevane svetlobe. V drugih primerih je zaželeno, da izvor svetlobo izseva v določenih smereh, svetlobo pa zajamemo v eden ali več svetlobnih vodnikov.

Sodobna tehnologija izdelave mikroelektronskih in optoelektronskih vezij omogoča učinkovito izdelavo mikrolaserjev. Posebej dobro so poznani diodni polprevodniški mikrolaserji, ki so najbolj razširjen tip laserjev. Tanka plast v okolici polprevodniškega p-n stika pod vplivom električnega toka deluje kot aktivni medij in oddaja svetlobo. To lasersko aktivno področje mora biti znotraj resonančne votline, ki je lahko izdelana na več različnih načinov. Glavni tipi polprevodniških laserjev glede na tip resonatorja so Fabry-Perot, DFB in VCSEL.

Fabry-Perot tip laserjev je najenostavnejši in trenutno najbolj razširjen. Resonančno votlino ustvarimo tako, da kristal polprevodnika, ki vsebuje p-n stik, razkoljemo na obeh straneh po kristalni strukturi. Tako ustvarimo dve popolnoma ravni, vzporedni površini, ki delujeta kot zrcali. Svetloba potuje vzdolž p-n stika in se večkrat odbije od vsake od teh površin, preden zapusti diodo kot laserski žarek.

Pri DFB (distributed feedback) laserjih svetloba ravno tako potuje vzdolž stika. Zrcali na obeh konceh diode v tem primeru naredimo tako, da izjedkamo uklonsko mrežico. To je periodična struktura visokega in nizkega lomnega količnika imenovana enodimenzionalno Braggovo zrcalo, ki zaradi interference svetlobe selektivno odbija določeno valovno dolžino. To je valovna dolžina pri kateri seva laser. Na ta način dobimo boljši zrcali, kot v primeru FabryPerot laserjev, kar pomeni, da ima laser bolj ozko spektralno črto.

-3VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) v nasprotju z zgornjima dvema laserjema oddaja lasersko svetlobo pravokotno na p-n stik. V tem primeru mora biti tudi resonančna votlina izdelana tako, da je njen resonančni učinek največji v smeri pravokotno na stik, zrcali sta zato v ravnini stika. Zrcali sta izdelani s postopki izmeničnega nanašanja ravnih plasti iz trdnih snovi, ki imajo izmenično visok in nizek lomni količnik. Fizikalni princip odboja svetlobe je enak kot pri DFB laserjih, le smer in postopek izdelave sta različna.

Vsi zgoraj omenjeni tipi resonančnih votlin spadajo pod optične mikroresonatorje enodimenzionalnega tipa, ki jih lahko imenujemo tudi linearni mikroresonatorji. Takšni mikroresonatorji omejujejo svetlobno valovanje samo v eni smeri, to je v smeri pravokotno na zrcala.

Iz literature so poznani postopki izdelave mikrolaserjev na osnovi »whispering-gallery« mikroresonatorjev. V tem primeru se lahko majhne prozorne kroglice ali kapljice obnašajo kot optični resonatorji. Če je lomni količnik medija znotraj kapljice večji od zunanjega lomnega količnika, se lahko svetloba na meji totalno odbije nazaj v kapljico. Tako dobimo krožne orbite svetlobe, ki se večkrat totalno odbije od površine in pride nazaj na isto točko. Če je dolžina orbite enaka večkratniku valovne dolžine, je izpolnjen resonančni pogoj, kapljica pa je optični mikroresonator. Običajno je vir svetlobe v resonatorju kar fluorescenčno barvilo, ki je dispergirano v kapljici, in ga vzbujamo z zunanjo svetlobo. V spektru svetlobe, ki jo seva kapljica, so prisotni resonančni vrhovi, ki ustrezajo tem krožnim resonančnim orbitam. Če kroglico vzbujamo s pulznim laserjem in je barvilo takšno, da ima učinek stimuliranega sevanja svetlobe, lahko presežemo prag za lasersko delovanje. Pri tem resonator oddaja enorodovno ali večrodovno lasersko svetlobo.

Iz literature so tudi že dalj časa dobro znani postopki izdelave barvilnih laserjev na osnovi holesterinskih (kiralnih nematskih) tekočih kristalov in na osnovi tekočekristalnih modrih fazah. Pregled nad barvilnimi laserji, izdelanimi na osnovi holesterinskih tekočih kristalov, dopiranih z laserskim barvilom, je podan v preglednem članku Harrya Colesa in Stephena Morrisa »Liquid-crystal lasers«, Nature Photonics, Vol. 4, 676-685 (2010). Osnovni princip delovanja barvilnega laserja na osnovi holesterinskih tekočih kristalov temelji na enodimenzionalni vijačni strukturi holesterinske faze, ki se tvori spontano in je značilna lastnost te faze. Zaradi velike optične anizotropije, to je razlike med hitrostjo širjenja svetlobe vzdolž in prečno na holesterinske molekule, predstavlja vijačna urejenost molekul v holesterinski fazi optični medij, katerega lomni količnik se periodično spreminja vzdolž smeri vijačnice. Holesterik torej spontano tvori enodimenzionalno optično modulirano strukturo, katere perioda je v področju od reda 100 nm do 100 pm in ki jo lahko uravnavamo z izbiro snovi ali mešanjem več različnih • ·

-4snovi. Posledica enodimenzionalne modulacije lomnega količnika je pojav prepovedanega pasu v disperzijski relaciji za širjenje svetlobe vzdolž vijačnice, ki ga imenujemo tudi fotonska reža (photonic bandgap). V taki snovi ni dovoljeno širjenje svetlobe, katera frekvenca je v prepovedanem frekvenčnem pasu. Takšna snov ima zato posebno lastnost, da se svetloba, ki vpada na holesterinski tekoči kristal v smeri vijačnice, odbije, če je njena frekvenca (in posredno valovna dolžina) takšna, da pade v prepovedani frekvenčni pas disperzije. Holesterinska faza torej tvori enodimenzionalni (1D) fotonski kristal. Takšne 1D fotonske kristale lahko uporabimo kot Braggova zrcala, ki omejujejo prostor in tvorijo 1D optični laserski resonator. Znane pa so tudi posebne izvedbe Braggovih zrcal na osnovi holesterinske faze, pri katerih uporabimo en par identičnih holesterinskih zrcal, vmes pa postavimo tanko plast dielektrika. Tudi takšna struktura tvori 1D optični laserski resonator, pri katerem lasersko delovanje dosežemo z dopiranjem tekočega kristala ali tanke plasti dielektrika z laserskim barvilom. Vsi tovrstni barvilni laserji na osnovi holesterinskih tekočih kristalov izsevajo koherentno lasersko svetlobo v točno določeni smeri.

Nadalje so iz literature o tekočih kristalih dobro znane raziskave mešanic tekočih kristalov in izotropne tekočine, ki tvorijo posebno vrste snovi imenovane »Polymer Dispersed Liquid Crystals« ali skrajšano PDLC. To so mešanice, pri katerih se tekoči kristal in izotropna tekočina ne mešata, zato se tekoči kristal spontano izloči v obliki majhnih kapljic. V primeru nematskega tekočega kristala so znane različne razporeditve molekul tekočega kristala v takšni kapljici, prav tako so znane strukture kapljic, ki jih tvorijo holesterinski tekoči kristali. Disperzije majhnih kapljic tekočega kristala v polimeru kažejo značilni elektrooptični pojav, če so kapljice tekočega kristala manjše od valovne dolžine vidne svetlobe. Pod vplivom zunanjega električnega polja se namreč ureditev molekul v kapljici spremeni, kar spremeni tudi izgled tanke plasti takšne mešanice, ki postane prozorna nad določeno vrednostjo električne poljske jakosti. Pregled nad tovrstno literaturo najdemo v knjigi Paul S. Drzaic, Liquid Crystal Dispersions (VVorld Scientific Publishing Company, Singapur, 1995). V literaturi ni zaslediti poročanj o uporabi majhnih kapljic holesterinskega tekočega kristala kot optični 3D mikroresonator Braggovega tipa, ki bi ga uporabili kot 3D vir laserske svetlobe.

V literaturi zasledimo dve tehnični rešitvi za izvedbo tridimenzionalnega (3D) sfernega laserja, ki seva koherentno lasersko svetlobo enakomerno v vse smeri v prostoru. V patentni prijavi US 4.829.537 avtor Th. M. Baer opisuje tehnično rešitev sferičnega laserja na osnovi krogelnega resonatorja iz trdne lasersko aktivne snovi. Krogelni laserski resonator je izveden v obliki izotropne krogle, izdelane iz laserskega aktivnega materiala, ki je na površini prevlečena s tanko reflektorsko plastjo. Optična prepustnost te reflektorske plasti je izvedena tako, da v celoti prepušča svetlobo, s katero preko zunanjega vira črpamo lasersko aktivni

-5material v krogelnem resonatorju, istočasno pa močno reflektira valovne dolžine lastnih elektromagnetnih nihajnih načinov, ki nastajajo v notranjosti krogelnega resonatorja. V patentni prijavi so opisani tudi različni načini optične sklopitve z zunanjim črpalnim svetlobnim virom in črpanja aktivnega medija, kot so s pomočjo optičnega vlakna ali prizme. Kot izvedbeni primer avtor navaja tehnično rešitev v obliki majhne kroglice iz Nd:YAG, ki jo optično črpamo z diodnim laserjem. V patentu avtor ne navaja rešitve očitnega problema uskladitve frekvence lastnih EM nihajnih načinov lasersko aktivne krogle, ki so definirani z njenim polmerom in lastne frekvence stimuliranega sevanja, ki jo določa narava aktivnega medija, v tem primeru Nd:YAG materiala. Tehnična slabost predlaganega sferičnega laserja je torej v veliki temperaturni občutljivosti amplitude stimuliranega sevanja krogelnega resonatorja s površinskim reflektorjem, kije posledica temperaturnega raztezka resonatorja.

V patentni prijavi US 2006/0227842 A1, avtorja S. S. Tovvnsend in R. LaComb navajata podobno tehnično izvedbo sferičnega laserja, kot je opisana v patentu US 4.829.537. Avtorja navajata sferično prozorno posodo, katere notranjost je izpolnjena z lasersko aktivnim medijem. Okrogla posoda je po svoji notranji površini opremljena z delno reflektirajočo plastjo, tako da tvori krogelni optični resonator. Avtorja navajata, da z zunanjimi vplivi vzbujamo stimulirano sevanje lasersko aktivnega medija, ki zapolnjuje resonator. Ko stimulirano sevanje premaga izgube v resonatorju, dobimo enakomerno porazdeljeno izsevano lasersko svetlobo. Avtorja navajata tudi tehnično rešitev, ko v sredino krogelne posode-resonatorja postavimo reflektirajočo kroglo, aktivni medij pa izpolnjuje prostor v obliki lupine med zunanjo okroglo posodo in kroglo v središču.

Izum bo opisan v več različnih izvedbah ter s pomočjo slik, ki prikazujejo:

slika 1: osnovni kroglasti tekočekristalni laser po izumu, slika 2: kroglasti tekočekristalni laser, kjer se v centru tekočekristalne kapljice nahaja dodaten objekt, slika 3: kroglasti tekočekristalni laser, kjer je tekočekristalna kapljica ločena s tanko pregrado od zunanjega medija, slika 4: kroglasti tekočekristalni laser, kjer se v centru tekočekristalne kapljice nahaja dodaten objekt, tekočekristalna kapljica je ločena s tanko pregrado od zunanjega medija, slika 5: kroglasti tekočekristalni laser, kjer v notranjost tekočekristalne sega optični valovod,

-6slika 6: kroglasti tekočekristalni laser, kjer v notranjost tekočekristalne sega optični valovod, v centru tekočekristalne kapljice se nahaja dodaten objekt, slika7: kroglasti tekočekristalni laser, kjer v notranjost tekočekristalne kapljice sega optični valovod, tekočekristalna kapljica je ločena s tanko pregrado od zunanjega medija, slika 8: kroglasti tekočekristalni laser, kjer v notranjost tekočekristalne sega optični valovod, tekočekristalna kapljica je ločena s tanko pregrado od zunanjega medija, v centru tekočekristalne kapljice se nahaja dodaten objekt, slika 9: kroglasti tekočekristalni laser pri katerem je svetlobni valovod nameščen tako, da po simetrijski osi prebada kroglasti laser, slika 10: kroglasti tekočekristalni laser pri katerem je svetlobni valovod nameščen tako, da po simetrijski osi prebada kroglasti laser, v valovodu na sredini tekočekristalne kapljice je nameščen dodatni objekt iz lasersko aktivne snovi, slika 11: večje število kroglastih tekočekristalnih laserjev, ki so urejeni v dvodimenzionalno mrežo, slika 12: večje število kroglastih tekočekristalnih laserjev, ki so urejeni v tridimenzionalno mrežo.

Na sliki 1 je predstavljen osnovni kroglasti tekočekristalni laser, ki je skupen vsem kasneje predstavljenim izvedbam. Kroglasti tekočekristalni laser je izveden v obliki kapljice vijačno urejenega tekočega kristala 1, ki je postavljena v prozoren zunanji medij 2, med njima pa poteka optično ostro določena meja 3. Kapljico holesterinskega tekočega kristala se v tekočem zunanjem mediju oblikuje v popolnoma kroglasto kapljico zaradi površinske napetosti. Velikosti kapljic so v območju med nekaj 100 nanometri in 100 mikrometri. Kapljice lahko nastanejo pri mehanskem mešanju tekočega kristala z zunanjim tekočim medijem, ali pa nastanejo po dobro znanih postopkih fazne separacije med polimerizacijo ali fotopolimerizacijo nosilnega optično izotropnega medija, v katerem so razporejene kapljice tekočega kristala.

Meja med zunanjo snovjo in notranjostjo kapljice je izvedena tako, da se molekule tekočega kristala na meji 3 same od sebe uredijo v smeri paralelno s površino meje med kapljico in zunanjostjo. Tekoči kristal v notranjosti kapljice se zato sam od sebe uredi v obliki vijačne strukture 1, kot je to splošno znano za holesterinske tekoče kristale. Ta struktura se zaključi v centru kapljice 4, tako da vijačna urejenost tekočega kristala poteka v radialni smeri od površine kapljice proti njenemu centru. Holesterinski tekoči kristal je lahko čisti holesterinski

-7tekoči kristal, ali mešanica nematskega tekočega kristala in kiralnega dopanta ali katera druga kiralna, to je vijačna tekočekristalna faza, kot na primer modra faza, feroelektrična smektična faza in podobne kiralne faze mehke snovi. Holesterinski tekoči kristal je lahko tudi takšna snov, ki jo je mogoče polimerizirati, kar pomeni da po polimerizaciji kapljica postane trdna kroglica. V holesterinskem tekočem kristalu je dispergiran aktivni medij, ki v kroglastem tekočekristalnem laserju prispeva optično ojačevanje. Aktivni medij je lahko organsko fluorescentno barvilo, lahko so ioni redkih zemelj ali drugi ioni, kvantne pike, ali drugi fluorescentni medij.

Kiralnost tekočega kristala povzroči spontano sukanje molekul tekočega kristala v radialni smeri, kar določa optične lastnosti takšne strukture tekočega kristala v kapljici. Posledica radialne vijačne urejenosti je periodična variacija smeri glavnih osi dielektričnega tenzorja v radialni smeri, kar povzroči efektivno plastovitost optičnih lastnosti kapljice v radialni smeri. V preprosti fizikalni sliki si lahko predstavljamo, da je vijačna urejenost dielektričnega tenzorja podobna zaporedju plasti z izmenično visokim in nizkim lomnim količnikom, ki se vrstijo, ko se iz centra kapljice pomikamo proti njeni meji z zunanjostjo. Tekoči kristal se torej v kapljici samouredi tako, da nastane čebulna optična struktura, pri kateri se lomni količnik periodično spreminja iz centra kapljice navzven. Svetloba v določenem intervalu valovnih dolžin se pri potovanju v radialni smeri zaradi interference na optično periodični strukturi odbija nazaj proti centru kapljice. Takšna struktura tekočega kristala v kapljici zato deluje kot optični resonator v obliki radialnega in krogelno simetričnega 3D Braggovega reflektorja. Optične lastnosti 3D Braggovega reflektorja določa perioda vijačnice holesterinske faze in jo določimo z izbiro tekočega kristala oziroma mešanice tekočega kristala z drugimi snovmi. Periodo holesterinske vijačnice izberemo tako, da je prvi ali drugi rob njegove fotonske reže v območju maksimalne emisije uporabljenega aktivnega medija.

Ker je kapljica tekočega kristala izvedena tako, da vsebuje snov, ki prispeva lasersko ojačevanje, istočasno pa je njena optična struktura takšna, da tvori radialni Braggov mikroresonator, se dobi lasersko izsevano svetlobo, če se lasersko aktivni medij osvetljuje in črpa s svetlobo 5 iz zunanjega svetlobnega vira 6, katere valovna dolžina mora biti v področju absorpcije aktivnega medija. Vir je lahko pulzni laser ali bliskavica. Ko vršna moč zunanjega optičnega vzbujanja preseže mejno vrednost, tako da lasersko stimulirano sevanje preseže izgube, začne kapljica oddajati lasersko svetlobo. Laser oddaja svetlobo v vse smeri. Izsevano svetlobo tvori ena ali več ostrih laserskih črt, katerih valovna dolžina je določena s periodo vijačnice tekočega kristala. S spreminjanjem temperature se lahko spreminja dolžino vijačnice, kar neposredno vpliva tudi na valovno dolžino svetlobe, ki jo oddaja laser. Podoben učinek spreminjanja valovne dolžine izsevane laserske svetlobe se dobi z delovanjem

-8zunanjega električnega ali magnetnega polja, s katerim se vpliva na strukturo tekočega kristala v kapljici.

V nadaljevanju so opisani različni izvedbeni primeri kroglastega tekočekristalnega laserja.

Slika 2 prikazuje izvedbeni primer št. 2 kroglastega tekočekristalnega laserja, kjer se v centru tekočekristalne kapljice nahaja dodaten objekt 7. Ta objekt je lahko kroglaste oblike ali kakšne druge pravilne geometrijske oblike, lahko pa je tudi objekt brez kakršne koli simetrije. Ta objekt je lahko iz trdne snovi, lahko je tudi iz drugega tekočega kristala, kot je preostali del kapljice in se z njim ne meša; lahko je tudi iz izotropne tekočine, ki se s preostalim tekočim kristalom ne meša, lahko je tudi v obliki plinastega mehurčka. Že iz tega opisa je jasno, da je ta objekt lahko iz različnih snovi, ki na različne načine interagirajo s svetlobo. Lahko je narejen iz snovi, ki je lasersko aktivna, ali iz snovi za nelinearno pomnoževanje frekvence svetlobe, ali iz feroelektrične ali feromagnetne snovi. Ta objekt zapolnjuje majhno področje centra tekočekristalne kapljice, kjer se v izvedbenem primeru na sliki 1 sicer nahaja strukturni defekt v orientaciji tekočega kristala. Pri tem izvedbenemu primeru je sicer struktura tekočega kristala drugod v kapljici, razen v njenem centru, enaka kot v izvedbenem primeru na sliki 1.

Slika 3 prikazuje izvedbeni primer št. 3 kroglastega tekočekristalnega laserja, kjer je tekočekristalna kapljica ločena s tanko pregrado 8 od zunanjega medija 2. Pregrada 8 ima funkcijo ločevanja zunanjega medija od tekočega kristala v notranjosti pregrade. Izvedena je po kemijskih postopkih oblačenja tekočekristalnih kapljic, ki so dobro poznani iz PDLC tehnologije. Pregrada 8 mora biti optično prozorna in neprepustna za molekule tekočega kristala 1, oziroma zunanjega medija 2.

Slika 4 prikazuje izvedbeni primer št 4, ki združuje izvedbena primera št. 2 in 3. Tekoči kristal je ujet v pregradi 8, ki ločuje zunanji medij 2 od holesterinskega kristala 1. V centru kapljice je postavljen objekt 7. Lasersko aktivni medij je razporejen v tekočem kristalu in/ali v objektu, ki je v centru kapljice. Laserski aktivni medij osvetljujemo z zunanjo svetlobo 5 iz svetlobnega vira 6.

Slika 5. prikazuje izvedbeni primer št. 5, ki je zasnovan na izvedbenem primeru št. 1, s tem, da v notranjost kapljice iz holesterinskega tekočega kristala 1 sega optični valovod 9. Pri tej izvedbi kroglastega laserja na osnovi tekočih kristalov je lasersko aktivni medij razporejen po tekočem kristalu 1, osvetljujemo ga s črpalno svetlobo 5, ki izhaja iz svetlobnega vira 6. Svetlobo, ki izhaja iz centra kroglastega laserja, zajamemo in vodimo po valovodu 9.

Slika 6 prikazuje izvedbeni primer št. 6, ki združuje izvedbeni primer št. 2 in 5. V notranjost kapljice sega valovod 9 za zajem in dovajanje ali odvajanje svetlobe. V centru kapljice je

-9dielektrični objekt 7, ki vsebuje lasersko aktivno snov in/ali snov, ki kako drugače sodeluje z elektromagnetnim poljem v resonatorju. Lasersko aktivna snov je lahko razporejena tudi po tekočem kristalu v notranjosti kapljice 1. Lasersko aktivno snov črpamo z zunanjo svetlobo 5 iz svetlobnega vira 6, lasersko generirano svetlobo pa zajamemo v centru kapljice, to je resonatorja in jo vodimo iz laserja po valovodu 9.

Slika 7 prikazuje izvedbeni primer kroglastega tekočekristalnega laserja št. 7, ki združuje izvedbena primera št. 3 in 5. Tekočekristalna kapljica je ločena s tanko pregrado 8 od zunanjega medija 2. Pregrada 8 ima funkcijo ločevanja zunanjega medija od tekočega kristala v notranjosti lupine. V notranjost kapljice iz holesterinskega tekočega kristala 1 sega optični valovod 9.

Slika 8 prikazuje izvedbeni primer tekočekristalnega kroglastega laserja št. 8, ki združuje izvedbena primera št. 6 in 7. Tekočekristalna kapljica je ločena s tanko pregrado 8 od zunanjega medija 2. Pregrada 8 ima funkcijo ločevanja zunanjega medija od tekočega kristala v notranjosti lupine. V notranjost kapljice iz holesterinskega tekočega kristala 1 sega optični valovod 9. V centru kapljice je dielektrični objekt 7, ki vsebuje lasersko aktivno snov in/ali snov, ki kako drugače sodeluje z elektromagnetnim poljem v resonatorju. Lasersko aktivna snov je lahko razporejena tudi po tekočem kristalu v notranjosti kapljice 1.

Slika 9 prikazuje izvedbeni primer kroglastega tekočekristalnega laserja št. 9, pri katerem je svetlobni valovod nameščen tako, da po simetrijski osi prebada kroglasti laser. Lasersko aktivna snov je porazdeljena po tekočem kristalu 1. Svetlobno črpanje se izvaja tako, da črpalno svetlobo 8 pošiljamo iz svetlobnega vira 7. Lasersko svetlobo iz kroglastega laserja zajemamo tako, da se zaradi resonančnega odboja na krogelnemu Braggovemu reflektorju ujame v valovodu in po njem izhaja iz laserja.

Slika 10 prikazuje izvedbeni primer kroglastega tekočekristalnega laserja št. 10, pri katerem je svetlobni valovod nameščen tako, da po simetrijski osi prebada kroglasti laser. Lasersko aktivna snov se nahaja v majhnem objektu, ki je postavljen v središče kapljice. Ta objekt ima lahko pravilno geometrijsko obliko, prednostno v obliki majhne krogle ali valja z osjo vzdolž osi valovoda. Ta objekt je lahko tudi brez posebne simetrije. Snov, iz katere je izdelan ta objekt, ima poleg lasersko aktivnih lastnosti še lastnost nelinearnega pomnoževanja frekvence elektromegnetnega valovanja, lahko je feroelektričen ali feromagneten; lahko je superparamagneten. Svetlobno črpanje se izvaja tako, da črpalno svetlobo 5 pošiljamo iz svetlobnega vira 6 po valovodu 9 do lasersko aktivne snovi 7. Lasersko svetlobo iz kroglestega laserja zajemamo tako, da se zaradi resonančnega odboja na krogelnemu Braggovemu reflektorju ujame v valovod in po njem izhaja iz laserja.

• ·

-10Slika 11 prikazuje večje število kroglastih tekočekristalnih laserjev, ki so urejeni v dvodimenzionalno mrežo. Tekočekristalni laserji so lahko v zunanjem mediju razporejeni v ravnino, pri čemer njihova geometrijska težišča lahko tvorijo pravilno dvodimenzionalno mrežo, ki lahko izkazuje simetrije ali kvazisimetrije. Posamezni tekočekristalni laserji so lahko katerikoli izmed izvedbenih primerov od št. 1 do št. 10. Tak sestav laserjev deluje kot večji, ploskovno povezan vir laserske svetlobe. Izkušenemu bralcu je razumljivo, da ploskovna povezanost kroglastih laserjev ni nujno potrebna v nekaterih primerih. Takrat so kroglasti laserji naključno porazdeljeni v ravnini.

Slika 12 prikazuje večje število kroglastih tekočekristalnih laserjev, ki so urejeni v tridimenzionalno mrežo. Tekočekristalni laserji so lahko v zunanjem mediju razporejeni po prostoru, pri čemer so lahko sestavljeni v pravilno tridimenzionalno mrežo, ki lahko izkazuje simetrije ali kvazisimetrije. Posamezni tekočekristalni laserji so lahko katerikoli izmed izvedbenih primerov od št. 1 do št. 10. Tak sestav laserjev deluje kot večji vir laserske svetlobe, ki je prostorsko povezan. Izkušenemu bralcu je razumljivo, da v nekaterih primerih prostorska povezanost kroglastih laserjev ni nujno potrebna. Takrat so kroglasti laserji naključno porazdeljeni v prostoru.

Kroglasti tekočekristalni laser po izumu je torej značilen po tem, da je laser v obliki kapljice tekočega kristala, katerega lomni količnik je krajevno odvisen v radialni smeri in tvori optično različne koncentrične plasti 1, aktiven medij dispergiran v tekočem kristalu in pod vplivom vzbujanja z zunanjo svetlobo oddaja lasersko svetlobo. Laser je krogelne oblike in velikosti med nekaj nanometri in 100 mikrometri. Kapljica je sestavljena iz kiralnega tekočega kristala 1, ki ima selektivni odboj svetlobe v območju emisije aktivnega medija in je lahko holesterični tekoči kristal, mešanica nematskega tekočega kristala in kiralnega dopanta ali kot druga kiralna tekočekristalna faza, prednostno modra faza, feroelektrična faza ali druga kiralna faze mehke snovi. V kiralnem tekočem kristalu je dispergiran lasersko aktivni medij, ki je lahko organsko fluorescentno barvilo, ioni redke zemlje ali drugi ioni, kvantne pike ali drug fluorescentni medij. Vijačna urejenost tekočega kristala poteka v radialni smeri od površine kapljice 3 proti njenemu centru 4. Kapljica tekočega kristala ima koncertnične holesterične plasti 1, ki delujejo kot selektivno zrcalo za svetlobo, ki potuje v radialni smeri in tvorijo sferični Braggov resonator. Kapljica tekočega kristala se nahaja v zunanjem prozornem mediju 2, kije lahko plin ali tekočina ali trdna snov ali drug tekoči kristal ali vakuum, in zunanji medij na meji med notranjostjo in zunanjostjo kapljice 3 ureja molekule tekočega kristala vzporedno površini kapljice. Kapljica tekočega kristala je narejena s pomočjo mehanskega mešanja tekočega kristala in zunanjega medija ali s postopki fazne separacije pri spreminjanju temperature ali polimerizaciji ali fotopolomerizaciji nosilnega optično izotropnega medija 2, v katerem so

-11razporejene kapljice tekočega kristala. V centru kapljice tekočega kristala je kroglast objekt 7 ali objekt kakšne drugačne oblike, ki je lahko iz plina, tekočine ali tekočega kristala, ki se ne meša s tekočim kristalom, ali trdnine. Svetloba, ki izhaja iz laserja se širi v vse smeri enakomerno. Izsevana svetloba je lahko ujeta v optični valovod 9 v obliki cilindričnega dielektričnega objekta, ki prodira v kapljico v radialni smeri proti njenem središču. Valovod 9 lahko tudi v celoti prebada kapljico tekočega kristala in lahko vsebuje objekt 7 iz lasersko aktivne snovi. Laser je vzbujan z močno zunanjo svetlobo 5, ki je v območju absorpcije fluorescentnega barvila in prihaja do kapljice iz ene ali več smeri skozi prozorni zunanji medij 2 ali skozi valovod 9. S spreminjanjem temperature, zunanjega električnega ali magnetnega polja je mogoče spreminjati dolžino vijačnice, kar spreminja tudi valovno dolžino svetlobe, ki jo oddaja laser. Večje število laserjev je lahko postavljenih v enodimenzionalne, dvodimenzionalne ali tridimenzionalne mreže, za katere je značilna translacijska in/ali rotacijska simetrija, ali kvazisimetrije (angleško »tilling«, tlakovanje), ali ne izkazujejo nikakršne translacijske ali rotacijske simetrije.

Postopek izdelave kroglastega tekočekristalnega laserja je značilen po tem, da je kapljica tekočega kristala narejena s pomočjo mehanskega mešanja tekočega kristala in zunanjega medija ali s postopki fazne separacije pri spreminjanju temperature ali polimerizaciji ali fotopolomerizaciji nosilnega optično izotropnega medija 2, v katerem so razporejene kapljice tekočega kristala.

Claims (16)

1. Kroglasti tekočekristalni laser, označen s tem, da je laser v obliki kapljice tekočega kristala, katerega lomni količnik je krajevno odvisen v radialni smeri in tvori optično različne koncentrične plasti (1), aktiven medij, dispergiran v tekočem kristalu in pod vplivom vzbujanja z zunanjo svetlobo oddaja lasersko svetlobo.

2. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da je laser krogelne oblike in velikosti med nekaj nanometri in 100 mikrometri.

3. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da je kapljica sestavljena iz kiralnega tekočega kristala (1), ki ima selektivni odboj svetlobe v območju emisije aktivnega medija in je lahko holesterični tekoči kristal, mešanica nematskega tekočega kristala in kiralnega dopanta ali kot druga kiralna tekočekristalna faza, prednostno modra faza, feroelektrična faza ali druga kiralna faze mehke snovi.

4. Laser po zahtevku 3, označen s tem, da je v kiralnem tekočem kristalu dispergiran lasersko aktivni medij, ki je lahko organsko fluorescentno barvilo, ioni redke zemlje ali drugi ioni, kvantne pike ali drug fluorescentni medij.

5. Laser po zahtevku 3, označen s tem, da vijačna urejenost tekočega kristala poteka v radialni smeri od površine kapljice (3) proti njenemu centru (4).

6. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da ima kapljica tekočega kristala koncertnične holesterične plasti (1), ki delujejo kot selektivno zrcalo za svetlobo, ki potuje v radialni smeri in tvorijo sferični Braggov resonator.

7. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da se kapljica tekočega kristala nahaja v zunanjem prozornem mediju (2), ki je lahko plin ali tekočina ali trdna snov ali drug tekoči kristal ali vakuum, in da, zunanji medij na meji med notranjostjo in zunanjostjo kapljice (3) ureja molekule tekočega kristala vzporedno površini kapljice.

8. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da je kapljica tekočega kristala narejena s pomočjo mehanskega mešanja tekočega kristala in zunanjega medija ali s postopki fazne separacije pri spreminjanju temperature ali polimerizaciji ali fotopolomerizaciji nosilnega optično izotropnega medija (2), v katerem so razporejene kapljice tekočega kristala.

9. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da je lahko v centru kapljice tekočega kristala kroglast objekt (7) ali objekt kakšne drugačne oblike, ki je lahko iz plina, tekočine ali tekočega kristala, ki se ne meša s tekočim kristalom, ali trdnine.

-1310. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da se svetloba, ki izhaja iz laserja, širi v vse smeri enakomerno.

11. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da se lahko izsevano svetlobo tudi ujame v optični valovod (9) v obliki cilindričnega dielektričnega objekta, ki prodira v kapljico v radialni smeri proti njenem središču.

12. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da lahko valovod (9) tudi v celoti prebada kapljico tekočega kristala.

13. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da lahko valovod (9), celoti prebada kapljico tekočega kristala, vsebuje objekt (7) iz lasersko aktivne snovi.

14. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da je laser vzbujan z močno zunanjo svetlobo (5), ki je v območju absorpcije fluorescentnega barvila in prihaja do kapljice iz ene ali več smeri skozi prozorni zunanji medij (2) ali skozi valovod (9).

15. Laser po zahtevku 1, označen s tem, da se lahko s spreminjanjem temperature, zunanjega električnega ali magnetnega polja spreminja dolžina vijačnice, kar spreminja tudi valovno dolžino svetlobe, ki jo oddaja laser.

16. Laserski sestav iz večih laserjev po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da je lahko večje število laserjev postavljenih v enodimenzionalne, dvodimenzionalne ali tridimenzionalne mreže, za katere je značilna translacijska in/ali rotacijska simetrija, ali kvazisimetrije (angleško »tilling«, tlakovanje), ali ne izkazujejo nikakršne translacijske ali rotacijske simetrije.

17. Postopek izdelave kroglastega tekočekristalnega laserja po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da je kapljica tekočega kristala narejena s pomočjo mehanskega mešanja tekočega kristala in zunanjega medija ali s postopki fazne separacije pri spreminjanju temperature ali polimerizaciji ali fotopolomerizaciji nosilnega optično izotropnega medija (2), v katerem so razporejene kapljice tekočega kristala.