Жидкокристаллический лазер - Liquid-crystal laser

А жидкокристаллический лазер это лазер который использует жидкокристаллический как резонаторная полость, позволяющий выбирать длину волны излучения и поляризация от активная лазерная среда. Среда генерации обычно краситель легированный в жидкий кристалл. Жидкокристаллические лазеры сравнимы по размерам с диодные лазеры, но обеспечивают непрерывную настройку широкого спектра лазеры на красителях при сохранении большого область согласованности. Диапазон настройки обычно составляет несколько десятков нанометры.[1] Самоорганизация в масштабе микрометра снижает сложность производства по сравнению с использованием многослойных фотонные метаматериалы. Операция может быть либо в режим непрерывной волны или в импульсный режим.[2]

История

Генерация с распределенной обратной связью с использованием Отражение Брэгга периодической структуры вместо внешней зеркала был впервые предложен в 1971 г.,[3] предсказано теоретически с холестерик жидкие кристаллы в 1978 г.,[4] достигнуто экспериментально в 1980 г.,[5] и объяснил с точки зрения фотонной запрещенная зона в 1998 г.[6][7][8]А Патент США выпущенный в 1973 году, описал жидкокристаллический лазер, в котором используется «жидкая среда с лазерной генерацией, имеющая внутреннюю распределенную обратную связь благодаря молекулярной структуре холестерического жидкокристаллического материала».[9]

Механизм

Начиная с жидкого кристалла в нематической фазе, желаемый шаг спирали (расстояние вдоль спиральной оси для одного полного поворота субъединиц нематической плоскости) может быть достигнут путем легирования жидкого кристалла хиральной молекулой.[8] Для света с круговой поляризацией с одинаковой направленностью эта регулярная модуляция показателя преломления приводит к избирательному отражению длины волны, заданной шагом спирали, что позволяет жидкокристаллическому лазеру служить в качестве собственной резонаторной полости. Фотонные кристаллы поддаются ленточная теория Методы, в которых периодическая диэлектрическая структура играет роль периодического электрического потенциала и фотонной запрещенной зоны (отражательной полосы), соответствующей запрещенным частотам. Меньшая групповая скорость фотона и выше плотность состояний вблизи фотонной запрещенной зоны подавляет спонтанное излучение и усиливает стимулированное излучение, обеспечивающие благоприятные условия для генерации.[7][10] Если край электронной зоны попадает в фотонную запрещенную зону, рекомбинация электронов и дырок строго подавляется.[11] Это позволяет использовать устройства с высокой эффективностью генерации, низкой порог генерации, и стабильная частота, при которой жидкокристаллический лазер действует в собственном волноводе. "Колоссальный" нелинейный изменение показателя преломления достижимо в легированных жидких кристаллах нематической фазы, то есть показатель преломления может изменяться с интенсивностью освещения со скоростью около 103см2/ Вт интенсивности освещения.[12][13][14] В большинстве систем используется полупроводник. накачивающий лазер достигать инверсия населения, хотя возможны лампы-вспышки и электрические накачки.[15]

Регулировка выходной длины волны достигается плавным изменением шага спирали: при изменении обмотки изменяется и масштаб длины кристалла. Это, в свою очередь, смещает край полосы и изменяет длину оптического пути в резонаторе генерации. Приложение статического электрического поля, перпендикулярного дипольному моменту локальной нематической фазы, поворачивает стержневидные субъединицы в гексагональной плоскости и переупорядочивает хиральную фазу, наматывая или раскручивая шаг спирали.[16] Точно так же возможна оптическая настройка выходной длины волны с использованием лазерного света вдали от частоты захвата усиливающей среды, причем степень вращения определяется интенсивностью и углом между поляризацией падающего света и дипольным моментом.[17][18][19] Переориентация стабильная и обратимая. Хиральный шаг холестерической фазы имеет тенденцию раскручиваться с повышением температуры с переход беспорядок-порядок к нематической фазе с более высокой симметрией на верхнем конце.[5][20][21][22] Применяя градиент температуры, перпендикулярный направлению излучения, изменяя местоположение стимуляции, можно выбирать частоту в непрерывном спектре.[23] Точно так же квазинепрерывный градиент легирования дает несколько лазерных линий из разных мест на одном и том же образце.[15] Пространственная настройка также может быть выполнена с использованием клиновой ячейки. Граничные условия более узкой ячейки сжимают шаг спирали, требуя особой ориентации на краю с дискретными скачками, при которых внешние ячейки поворачиваются к следующей стабильной ориентации; изменение частоты между скачками непрерывно.[24]

Если дефект вводится в жидкий кристалл, чтобы нарушить периодичность, одна разрешенная мода может быть создана внутри фотонной запрещенной зоны, уменьшая потребление мощности за счет спонтанного излучения на соседних частотах. Генерация дефектных мод была впервые предсказана в 1987 году и продемонстрирована в 2003 году.[11][25][26]

В то время как большинство таких тонких пленок генерируют генерацию на оси, перпендикулярной поверхности пленки, некоторые из них будут генерировать генерацию на коническом угле вокруг этой оси.[27]

Приложения

  • Биомедицинское зондирование: небольшой размер, низкая стоимость и низкое энергопотребление предлагают множество преимуществ в приложениях биомедицинского зондирования. Потенциально жидкокристаллические лазеры могут стать основой для устройств «лаборатория на кристалле», которые обеспечивают немедленные показания без отправки образца в отдельную лабораторию.[28]
  • Медицина: низкая мощность излучения ограничивает такие медицинские процедуры, как резка во время операции, но жидкокристаллические лазеры потенциально могут использоваться в микроскопия методы и in vivo такие методы, как фотодинамическая терапия.[1]
  • Экраны дисплеев: дисплеи на основе жидкокристаллических лазеров обладают большинством преимуществ стандартных жидкокристаллических дисплеев, но небольшой спектральный разброс дает более точный контроль над цветом. Отдельные элементы достаточно малы, чтобы действовать как отдельные пиксели, сохраняя при этом высокую яркость и четкость цвета. Система, в которой каждый пиксель представляет собой отдельное пространственно настроенное устройство, может избежать иногда длительного времени релаксации динамической настройки и может излучать любой цвет с использованием пространственной адресации и одного и того же источника монохроматической накачки.[28][29][30]
  • Измерение окружающей среды: с использованием материала с шагом спирали, очень чувствительного к температуре, электрическому полю, магнитному полю или механической деформации, изменение цвета выходного лазера обеспечивает простое и прямое измерение условий окружающей среды.[31]

Рекомендации

  1. ^ а б Вольтман 2007, п. 357
  2. ^ Джейкобс; Cerqua; Маршалл; Шмид; Guardalben; Скерретт (1988). «Жидкокристаллическая лазерная оптика: конструкция, изготовление, характеристики». Журнал Оптического общества Америки B. 5 (9): 1962. Bibcode:1988JOSAB ... 5.1962J. Дои:10.1364 / JOSAB.5.001962.
  3. ^ Когельник, Х .; РЕЗЮМЕ. Шэнк (1971). «Вынужденное излучение в периодической структуре». Письма по прикладной физике. 18 (4): 152. Bibcode:1971АпФЛ..18..152К. Дои:10.1063/1.1653605.
  4. ^ Кухтарев Н.В. (1978). «Холестерический жидкокристаллический лазер с распределенной обратной связью». Советский журнал квантовой электроники. 8 (6): 774–776. Bibcode:1978QuEle ... 8..774K. Дои:10.1070 / QE1978v008n06ABEH010397.
  5. ^ а б Ильчишин, И.П .; E.A. Тихонов; В.Г. Тищенко; M.T. Шпак (1980). «Генерация перестраиваемого излучения примесными холестерическими жидкими кристаллами». Журнал экспериментальной и теоретической физики Letters. 32: 24–27. Bibcode:1980JETPL..32 ... 24I.
  6. ^ Вольтман 2007, п. 310
  7. ^ а б Копп В.И .; Б. Вентилятор; Х. К. М. Витана; А.З. Генак (1998). «Низкопороговая генерация на краю фотонной стоп-зоны в холестерических жидких кристаллах». Оптика Экспресс. 23 (21): 1707–1709. Bibcode:1998OptL ... 23,1707K. Дои:10.1364 / OL.23.001707. PMID  18091891.
  8. ^ а б Долгалева Ксения; Саймон К. Вэй; Светлана Григорьевна Лукишова; Шоу Х. Чен; Кэти Шверц; Роберт В. Бойд (2008). «Улучшенные лазерные характеристики холестерических жидких кристаллов, допированных олигофлуореновым красителем». Журнал Оптического общества Америки. 25 (9): 1496–1504. Bibcode:2008JOSAB..25.1496D. Дои:10.1364 / JOSAB.25.001496.
  9. ^ Лоуренс Голдберг и Джоэл Шнур Настраиваемый жидкокристаллический лазер на красителях с внутренней обратной связью Патент США 3771065 Дата выпуска: 1973 г.
  10. ^ Курода, Кейджи; Цутому Савада; Такаши Курода; Кенджи Ватанабэ; Кадзуаки Сакода (2009). «Вдвое усиленное спонтанное излучение из-за увеличения плотности состояний фотонов на частотах края фотонной зоны». Оптика Экспресс. 17 (15): 13168–13177. Bibcode:2009OExpr..1713168K. Дои:10.1364 / OE.17.013168. PMID  19654722.
  11. ^ а б Яблонович, Эли (1987). «Ингибированное спонтанное излучение в физике твердого тела и электронике». Письма с физическими проверками. 58 (20): 2059–2062. Bibcode:1987PhRvL..58.2059Y. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.2059. PMID  10034639.
  12. ^ Lucchetti, L .; М. Ди Фабрицио; О. Франческанжели; Ф. Симони (2004). «Колоссальная оптическая нелинейность в жидких кристаллах, допированных красителями». Оптика Коммуникации. 233 (4–6): 417–424. Bibcode:2004OptCo.233..417L. Дои:10.1016 / j.optcom.2004.01.057.
  13. ^ Khoo, I.C. (1995). «Формирование голографической решетки в нематической жидкокристаллической пленке, легированной красителем и фуллереном C60». Письма об оптике. 20 (20): 2137–2139. Bibcode:1995 ОптL ... 20,2137 тыс.. Дои:10.1364 / OL.20.002137. PMID  19862276.
  14. ^ Ху, Ям-Чу (2007). Жидкие кристаллы. Wiley-Interscience. ISBN  978-0-471-75153-3.
  15. ^ а б Моррис, Стивен М .; Филип Дж. У. Хендс; Соня Финдейсен-Тандель; Роберт Х. Коул; Тимоти Д. Уилкинсон; Гарри Дж. Коулз (2008). «Полихроматические жидкокристаллические лазерные матрицы для дисплеев» (PDF). Оптика Экспресс. 16 (23): 18827–37. Bibcode:2008OExpr..1618827M. Дои:10.1364 / OE.16.018827. PMID  19581971.
  16. ^ Маун, Бретт; Марко Лончар; Джереми Витценс; Майкл Хохберг; Томас Бэр-Джонс; Деметрий Псалтис; Аксель Шерер; Юэмин Цю (2004). «Жидкокристаллическая электрическая настройка фотонно-кристаллического лазера». (PDF). Письма по прикладной физике. 85 (3): 360. Bibcode:2004АпФЛ..85..360М. Дои:10.1063/1.1772869.
  17. ^ Фуруми, Сейичи; Шиёси Ёкояма; Акира Отомо; Шинро Машико (2004). «Фотонастраиваемая фотонная запрещенная зона в хиральном жидкокристаллическом устройстве». Письма по прикладной физике. 84 (14): 2491. Bibcode:2004АпФЛ..84.2491Ф. Дои:10.1063/1.1699445.
  18. ^ Энди, Фух; Цунг-Сянь Линь; Ж.-Х. Лю; F.-C. Ву (2004). «Генерация в хиральных фотонных жидких кристаллах и связанная с этим перестройка частоты». Оптика Экспресс. 12 (9): 1857–1863. Bibcode:2004OExpr..12.1857F. Дои:10.1364 / OPEX.12.001857. PMID  19475016.
  19. ^ Ху, Ям-Чу; Ву, Шин-Цон (1993). Оптика и нелинейная оптика жидких кристаллов.. World Scientific. ISBN  978-981-02-0934-6.
  20. ^ Моррис, S.M .; А. Д. Форд; М. Н. Пивненко; Х. Дж. Коулз (2005). «Усиленное излучение жидкокристаллических лазеров». Журнал прикладной физики. 97 (2): 023103–023103–9. Bibcode:2005JAP .... 97b3103M. Дои:10.1063/1.1829144.
  21. ^ Моррис, С.М.; AD Ford; HJ Coles (июль 2009 г.). «Устранение скачкообразных сдвигов в длине волны излучения хирального нематического жидкокристаллического лазера». Журнал прикладной физики. 106 (2): 023112–023112–4. Bibcode:2009JAP ... 106b3112M. Дои:10.1063/1.3177251.
  22. ^ Ozaki, M .; М. Касано; Д. Ганцке; W. Haase; К. Ёшино (2002). «Беззеркальная генерация в сегнетоэлектрическом жидком кристалле, легированном красителями». Современные материалы. 14 (4): 306–309. Дои:10.1002 / 1521-4095 (20020219) 14: 4 <306 :: AID-ADMA306> 3.0.CO; 2-1.
  23. ^ Хуанг, Юхуа; Ин Чжоу; Шин-Цзон Ву (2006). «Пространственно-перестраиваемое лазерное излучение в фотонных жидких кристаллах, легированных красителями». Письма по прикладной физике. 88 (1): 011107. Bibcode:2006АпФЛ..88а1107Н. Дои:10.1063/1.2161167.
  24. ^ Чон, Ми-Юн; Хёнхи Чой; Дж. У. Ву (2008). «Пространственная перестройка лазерного излучения в клиновой ячейке холестерического жидкого кристалла, легированного красителем». Письма по прикладной физике. 92 (5): 051108. Bibcode:2008ApPhL..92e1108J. Дои:10.1063/1.2841820.
  25. ^ Вольтман 2007, стр. 332–334
  26. ^ Шмидтке, Юрген; Вернер Стилле; Хейно Финкельманн (2003). "Дефектное излучение холестерической полимерной сети, допированной красителем" (PDF). Письма с физическими проверками. 90 (8): 083902. Bibcode:2003ПхРвЛ..90х3902С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.083902. PMID  12633428. Получено 2011-04-29.
  27. ^ Lee, C.-R .; Lin, S.-H .; Yeh, H.-C .; Джи, Т.-Д. (7 декабря 2009 г.). «Перестраиваемая по диапазону генерация цветного конуса на основе холестерических жидких кристаллов, легированных красителями, с различным шагом и градиентом шага» (PDF). Оптика Экспресс. 17 (25): 22616–23. Bibcode:2009OExpr..1722616L. Дои:10.1364 / oe.17.022616. PMID  20052187.
  28. ^ а б «Жидкокристаллические лазеры размером с человеческий волос». Physorg. Декабрь 2005 г.. Получено 2011-04-09.
  29. ^ «Жидкокристаллические лазеры обещают более дешевое лазерное телевидение с высоким разрешением». Physorg. Апрель 2009 г.. Получено 2011-04-09.
  30. ^ «Лазерные дисплеи: жидкокристаллический лазер обещает дешевый дисплей». Laser Focus World. Январь 2009 г.. Получено 2011-04-09.
  31. ^ Палфи-Мухорай, Питер; Веньи Цао; Мишель Морейра; Бахман Тахери; Антонио Муньос (2006). «Фотоника и генерация в жидкокристаллических материалах». Философские труды Королевского общества A. 364 (1847): 2747–2761. Bibcode:2006RSPTA.364.2747P. Дои:10.1098 / rsta.2006.1851. PMID  16973487.

Библиография

  • Woltman, Scott J .; Кроуфорд, Грегори Филип; Джей, Грегори Д. (2007). Жидкие кристаллы: рубежи в биомедицинских приложениях. World Scientific. ISBN  978-981-270-545-7.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка