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液晶/聚合物光栅激光器性能的研究

【摘要】:液晶/聚合物光栅是由聚合物层和液晶层构成的一种具有折射率周期性分布的结构,将染料掺杂到预聚物体系中制备光栅即可获得液晶/聚合光栅染料激光器。该类激光器出射激光线宽窄、阈值低,且波长可调谐,因而有巨大的潜力应用在集成光学、光谱分析等领域。但是,在已查到的报道中,该类激光器的最低阈值为5?J/pulse,转化效率不足0.5%,远达不到工程应用的水平。针对这个问题,本论文开展了提高液晶/聚合物光栅激光器性能的研究工作。首先深入研究了液晶/聚合物染料激光器的性能。在低强度(每束光强为3.7mW/cm2)曝光时制备液晶/聚合物光栅,该光栅中相分离出的液晶以均匀层状而不是液晶微滴状出现,光栅散射损失小于6%,可作为激光器优良的谐振腔。通过测量不同染料的放大的自发辐射谱(ASE)强度,可以简单有效的判别染料能量转化效率的高低,为激光器寻求具有高能量转化效率特性的增益介质。但是,单一染料的重吸收往往很严重,这严重影响了染料的发光效率。利用主体发色团和客体发色团之间的荧光共振Forster能量转移原理,可以使增益介质整体的发射谱红移,从而减少重吸收带来的损失。基于此理论,首次将两种染料混合掺杂到液晶/聚合物光栅中,通过优化两种染料的掺杂比例,将激光器性能达到最优。激光器的转化效率从0.3%提高到0.7%,阈值从3.21?J/pulse降低到1.35?J/pulse。对激光器施加电场,可以得到出射波长11.3 nm的连续调谐。然而,染料始终存在浓度淬灭效应,激光染料可使用的浓度通常低于1wt%,因此对泵浦光的利用率低于20%,激光器的转化效率无法大幅度提高。将具有高吸收效率的有机半导体材料MEH-PPV引入到液晶/聚合物光栅激光器中,对泵浦光的利用率提高到70%。由于MEH-PPV与光栅体系不互溶,将激光器的结构设计为外反馈DFB腔,即液晶/聚合物光栅位于MEH-PPV层之上,该激光器MEH-PPV层的最佳厚度为80 nm,出射激光为单模且TE偏振,出射方向与布拉格级次有关。三级模式激光转化效率达到2.3%,阈值降低为0.71?J/pulse。为了增强激光在光栅界面的反馈作用,开展了提高光栅的折射率差值?n的研究。通过改变单体材料,降低了相分离过程中光敏单体由暗区向亮区游离时形成丝状聚合物的几率及其对液晶的锚定作用,同时在玻璃基板上添加定向摩擦取向膜,改变了相分离光栅中液晶层的分子自取向,增大了?n,将激光器转化效率提高到4.6%,阈值降低为0.25?J/pulse。进一步地,探究了光栅周期对液晶分子取向的影响,发现光栅周期约为450 nm时,液晶分子取向由垂直光栅沟槽改变为平行光栅沟槽,光栅?n增大。制备基于周期390 nm光栅的二级激光器,采用s偏振光泵浦,激光器的转化效率达到7.1%,阈值降低至0.14?J/pulse,且激光垂直于基板表面发射。本论文研究了液晶/聚合物光栅染料激光器以及基于MEH-PPV液晶/聚合物光栅激光器的制备及特性,并通过提高光栅?n对液晶/激光器性能进行提升,为该类DFB可调谐激光器的实用化奠定了坚实的基础。

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