Жидкокристаллический лазер
Жидкокристаллический лазер — это лазер используется жидкий кристалл , в котором в качестве полости резонатора , что позволяет выбирать длину волны излучения и поляризацию активной лазерной среды . Средой генерации обычно является краситель , легированный в жидкий кристалл. Жидкокристаллические лазеры сравнимы по размеру с диодными лазерами , но обеспечивают непрерывную перестройку широкого спектра лазеров на красителях , сохраняя при этом большую область когерентности . Диапазон настройки обычно составляет несколько десятков нанометров . [1] Самоорганизация на уровне микрометра снижает сложность производства по сравнению с использованием слоистых фотонных метаматериалов . Работа может осуществляться как в непрерывном, так и в импульсном режиме . [2]
История
[ редактировать ]Генерация с распределенной обратной связью с использованием брэгговского отражения периодической структуры вместо внешних зеркал была впервые предложена в 1971 году. [3] предсказан теоретически с помощью холестерических жидких кристаллов в 1978 году, [4] достигнуто экспериментально в 1980 году, [5] и объяснено с точки зрения фотонной запрещенной зоны в 1998 году. [6] [7] [8] В патенте США, выданном в 1973 году, описан жидкокристаллический лазер, в котором используется «жидкая лазерная среда, имеющая внутреннюю распределенную обратную связь в силу молекулярной структуры холестерического жидкокристаллического материала». [9]
Механизм
[ редактировать ]Начиная с жидкого кристалла в нематической фазе, желаемый шаг спирали (расстояние вдоль оси спирали для одного полного оборота субъединиц нематической плоскости) может быть достигнут путем легирования жидкого кристалла хиральной молекулой. [8] Для света, поляризованного по кругу с одинаковой направленностью, эта регулярная модуляция показателя преломления приводит к избирательному отражению длины волны, заданной шагом спирали, что позволяет жидкокристаллическому лазеру служить собственной полостью резонатора. Фотонные кристаллы поддаются методам зонной теории , где периодическая диэлектрическая структура играет роль периодического электрического потенциала, а фотонная запрещенная зона (отражательная полоса) соответствует запрещенным частотам. Более низкая групповая скорость фотонов и более высокая плотность состояний вблизи запрещенной зоны фотонов подавляют спонтанное излучение и усиливают вынужденное излучение , обеспечивая благоприятные условия для генерации. [7] [10] Если край электронной зоны попадает в фотонную запрещенную зону, электронно-дырочная рекомбинация строго подавляется. [11] Это позволяет создавать устройства с высокой эффективностью генерации, низким порогом генерации и стабильной частотой, в которых жидкокристаллический лазер действует как собственный волновод. «Колоссальное» нелинейное изменение показателя преломления достижимо в легированных жидких кристаллах нематической фазы, то есть показатель преломления может изменяться с интенсивностью освещения со скоростью около 10 3 см 2 /Вт интенсивности освещения. [12] [13] [14] используется полупроводниковый лазер накачки В большинстве систем для достижения инверсии населенности , хотя возможны лампы-вспышки и электрические системы накачки. [15]
Настройка выходной длины волны достигается плавным изменением шага спирали: по мере изменения намотки меняется и масштаб длины кристалла. Это, в свою очередь, смещает край зоны и изменяет длину оптического пути в резонаторе генерации. Приложение статического электрического поля, перпендикулярного дипольному моменту локальной нематической фазы, вращает стержнеобразные субъединицы в гексагональной плоскости и переупорядочивает киральную фазу, наматывая или разматывая спиральный шаг. [16] Аналогично, возможна оптическая настройка выходной длины волны с использованием лазерного света вдали от частоты захвата усиливающей среды, при этом степень вращения определяется интенсивностью и углом между поляризацией падающего света и дипольным моментом. [17] [18] [19] Переориентация стабильна и обратима. Хиральный шаг холестерической фазы имеет тенденцию раскручиваться с увеличением температуры с переходом беспорядок-порядок к нематической фазе более высокой симметрии на верхнем конце. [5] [20] [21] [22] Применяя температурный градиент, перпендикулярный направлению излучения, изменяя место стимуляции, можно выбирать частоту в непрерывном спектре. [23] Аналогичным образом, квазинепрерывный градиент легирования дает несколько лазерных линий из разных мест на одном и том же образце. [15] Пространственную настройку можно также выполнить с помощью клиновой ячейки. Граничные условия более узкой ячейки сжимают шаг спирали, требуя определенной ориентации на краю с дискретными скачками, когда внешние ячейки поворачиваются к следующей стабильной ориентации; Изменение частоты между скачками непрерывно. [24]
Если в жидкий кристалл вводится дефект, нарушающий периодичность, внутри фотонной запрещенной зоны может быть создана единственная разрешенная мода, уменьшающая утечку мощности за счет спонтанного излучения на соседних частотах. Генерация на дефектных модах была впервые предсказана в 1987 году и продемонстрирована в 2003 году. [11] [25] [26]
Хотя большинство таких тонких пленок излучают по оси, перпендикулярной поверхности пленки, некоторые из них излучают под коническим углом вокруг этой оси. [27]
Приложения
[ редактировать ]- Биомедицинское зондирование: небольшой размер, низкая стоимость и низкое энергопотребление предлагают множество преимуществ в приложениях биомедицинского зондирования. Потенциально жидкокристаллические лазеры могут стать основой для устройств «лаборатории на чипе», которые обеспечивают немедленные показания без отправки образца в отдельную лабораторию. [28]
- Медицина: низкая мощность излучения ограничивает такие медицинские процедуры, как резка во время операций , но жидкокристаллические лазеры имеют потенциал для использования в микроскопии методах и методах in vivo , таких как фотодинамическая терапия . [1]
- Экраны дисплеев: дисплеи на основе жидкокристаллического лазера обладают большинством преимуществ стандартных жидкокристаллических дисплеев, но низкий спектральный разброс обеспечивает 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 единое пространственно настроенное устройство, могла бы избежать иногда длительного времени релаксации динамической настройки и могла бы излучать любой цвет, используя пространственную адресацию и один и тот же источник монохроматической накачки. [28] [29] [30]
- Измерение окружающей среды: использование материала со спиральным шагом, высокочувствительным к температуре, электрическому полю, магнитному полю или механическому напряжению, цветовой сдвиг выходного лазера обеспечивает простое и прямое измерение условий окружающей среды. [31]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Вольтман 2007 , с. 357
- ^ Джейкобс; Серкуа; Маршалл; Шмид; Гуардальбен; Скерретт (1988). «Жидкокристаллическая лазерная оптика: конструкция, изготовление и характеристики». Журнал Оптического общества Америки Б. 5 (9): 1962. Бибкод : 1988JOSAB...5.1962J . дои : 10.1364/JOSAB.5.001962 .
- ^ Когельник, Х.; К.В. Шанк (1971). «Вынужденное излучение в периодической структуре». Письма по прикладной физике . 18 (4): 152. Бибкод : 1971АпФЛ..18..152К . дои : 10.1063/1.1653605 .
- ^ Кухтарев Н.В. (1978). «Холестерический жидкокристаллический лазер с распределенной обратной связью». Советский журнал квантовой электроники . 8 (6): 774–776. Бибкод : 1978QuEle...8..774K . doi : 10.1070/QE1978v008n06ABEH010397 .
- ^ Jump up to: а б Ильчишин, ИП; Е.А. Тихонов; В.Г. Тищенко; М.Т. Шпак (1980). «Генерация перестраиваемого излучения примесными холестерическими жидкими кристаллами». Журнал экспериментальной и теоретической физики . 32 : 24–27. Бибкод : 1980JETPL..32...24I .
- ^ Вольтман 2007 , с. 310
- ^ Jump up to: а б Копп, В.И.; Б. Фан; ХКМ Витана; АЗ Генак (1998). «Низкопороговая генерация на краю фотонной стоп-зоны в холестерических жидких кристаллах». Оптика Экспресс . 23 (21): 1707–1709. Бибкод : 1998OptL...23.1707K . дои : 10.1364/OL.23.001707 . ПМИД 18091891 . S2CID 17966093 .
- ^ Jump up to: а б Долгалева Ксения; Саймон К. Х. Вэй; Лукишова Светлана Георгиевна; Шоу Х. Чен; Кэти Швертц; Роберт В. Бойд (2008). «Повышение лазерных характеристик холестерических жидких кристаллов, легированных олигофлуореновым красителем». Журнал Оптического общества Америки . 25 (9): 1496–1504. Бибкод : 2008JOSAB..25.1496D . дои : 10.1364/JOSAB.25.001496 .
- ^ Лоуренс Голдберг и Джоэл Шнур. Перестраиваемый жидкокристаллический лазер на красителях с внутренней обратной связью. Патент США № 3 771 065. Дата выдачи: 1973 г.
- ^ Курода, Кейджи; Цутому Савада; Такаси Курода; Кенджи Ватанабэ; Кадзуаки Сакода (2009). «Двукратное усиление спонтанного излучения из-за увеличения плотности состояний фотонов на краевых частотах фотонной зоны» . Оптика Экспресс . 17 (15): 13168–13177. Бибкод : 2009OExpr..1713168K . дои : 10.1364/OE.17.013168 . ПМИД 19654722 .
- ^ Jump up to: а б Яблонович, Эли (1987). «Заторможенное спонтанное излучение в физике твердого тела и электронике» . Письма о физических отзывах . 58 (20): 2059–2062. Бибкод : 1987PhRvL..58.2059Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.2059 . ПМИД 10034639 .
- ^ Луккетти, Л.; М. Ди Фабрицио; О. Франческанджели; Ф. Симони (2004). «Колоссальная оптическая нелинейность в жидких кристаллах, легированных красителями». Оптические коммуникации . 233 (4–6): 417–424. Бибкод : 2004OptCo.233..417L . дои : 10.1016/j.optcom.2004.01.057 .
- ^ Ху, IC (1995). «Формирование голографической решетки в нематической жидкокристаллической пленке, легированной красителем и фуллереном C60». Оптические письма . 20 (20): 2137–2139. Бибкод : 1995OptL...20.2137K . дои : 10.1364/OL.20.002137 . ПМИД 19862276 .
- ^ Ху, Ям-Чу (2007). Жидкие кристаллы . Уайли-Интерсайенс. ISBN 978-0-471-75153-3 .
- ^ Jump up to: а б Моррис, Стивен М.; Филип Дж. В. Хэндс; Соня Финдайзен-Тандел; Роберт Х. Коул; Тимоти Д. Уилкинсон; Гарри Дж. Коулз (2008). «Полихроматические жидкокристаллические лазерные матрицы для применения в дисплеях» (PDF) . Оптика Экспресс . 16 (23): 18827–37. Бибкод : 2008OExpr..1618827M . дои : 10.1364/OE.16.018827 . ПМИД 19581971 .
- ^ Мауне, 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. Бибкод : 2004ApPhL..85..360M . дои : 10.1063/1.1772869 .
- ^ Искупление, Сейичи; Сиёси Ёкояма; Акира Отомо; Синро Масико (2004). «Фотоперестраиваемая фотонная запрещенная зона в хиральном жидкокристаллическом устройстве». Письма по прикладной физике . 84 (14): 2491. Бибкод : 2004ApPhL..84.2491F . дои : 10.1063/1.1699445 .
- ^ Энди, Фух; Цунг-Сянь Линь; Ж.-Х. Лю; Ф.-К. Ву (2004). «Лазировка в киральных фотонных жидких кристаллах и связанная с ней перестройка частоты» . Оптика Экспресс . 12 (9): 1857–1863. Бибкод : 2004OExpr..12.1857F . дои : 10.1364/OPEX.12.001857 . ПМИД 19475016 .
- ^ Ху, Ям-Чу; Ву, Шин-Цон (1993). Оптика и нелинейная оптика жидких кристаллов . Всемирная научная. ISBN 978-981-02-0934-6 .
- ^ Моррис, С.М.; А.Д. Форд; М.Н. Пивненко; Х. Дж. Коулз (2005). «Увеличенное излучение жидкокристаллических лазеров». Журнал прикладной физики . 97 (2): 023103–023103–9. Бибкод : 2005JAP....97b3103M . дои : 10.1063/1.1829144 .
- ^ Моррис, С.М.; А.Д. Форд; HJ Коулз (июль 2009 г.). «Устранение прерывистых сдвигов длины волны излучения хирального нематического жидкокристаллического лазера». Журнал прикладной физики . 106 (2): 023112–023112–4. Бибкод : 2009JAP...106b3112M . дои : 10.1063/1.3177251 .
- ^ Одзаки, М.; М. Касано; Д. Ганцке; В. Хаазе; К. Ёсино (2002). «Беззеркальная генерация в сегнетоэлектрическом жидком кристалле, легированном красителем». Продвинутые материалы . 14 (4): 306–309. doi : 10.1002/1521-4095(20020219)14:4<306::AID-ADMA306>3.0.CO;2-1 .
- ^ Хуан, Юхуа; Ин Чжоу; Шин-Цон Ву (2006). «Пространственно перестраиваемое лазерное излучение в фотонных жидких кристаллах, легированных красителями» . Письма по прикладной физике . 88 (1): 011107. Бибкод : 2006ApPhL..88a1107H . дои : 10.1063/1.2161167 . S2CID 119500768 .
- ^ Чон, Ми-Юн; Хёнхи Чой; Дж. Ву (2008). «Пространственная настройка лазерного излучения в клиновой ячейке из холестерического жидкого кристалла, легированной красителем». Письма по прикладной физике . 92 (5): 051108. Бибкод : 2008ApPhL..92e1108J . дои : 10.1063/1.2841820 .
- ^ Вольтман 2007 , стр. 332–334.
- ^ Шмидтке, Юрген; Вернер Стилле; Хейно Финкельманн (2003). «Излучение в режиме дефекта сети холестерического полимера, допированного красителем» (PDF) . Письма о физических отзывах . 90 (8): 083902. Бибкод : 2003PhRvL..90х3902S . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.083902 . ПМИД 12633428 . Проверено 29 апреля 2011 г.
- ^ Ли, Ч.-Р.; Лин, С.-Х.; Ага, Х.-К.; Джи, Т.-Д. (7 декабря 2009 г.). «Лазерное излучение цветного конуса с перестраиваемой полосой на основе легированных красителями холестерических жидких кристаллов с различным шагом и градиентом шага» (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (25): 22616–23. Бибкод : 2009OExpr..1722616L . дои : 10.1364/oe.17.022616 . ПМИД 20052187 .
- ^ Jump up to: а б «Жидкокристаллические лазеры размером с человеческий волос» . Физорг . Декабрь 2005 года . Проверено 9 апреля 2011 г.
- ^ «Жидкокристаллические лазеры обещают более дешевое лазерное телевидение с высоким цветовым разрешением» . Физорг . Апрель 2009 года . Проверено 9 апреля 2011 г.
- ^ «Лазерные дисплеи: жидкокристаллический лазер обещает низкую стоимость изготовления дисплеев» . Мир лазерного фокуса . Январь 2009 года . Проверено 9 апреля 2011 г.
- ^ Палффи-Уорэй, Питер; Вэньи Цао; Мишель Морейра; Бахман Тахери; Антонио Муньос (2006). «Фотоника и генерация в жидкокристаллических материалах» Философские труды Королевского общества А. 364 (1847): 2747–2761. Бибкод : 2006RSPTA.364.2747P . дои : 10.1098/rsta.2006.1851 . ПМИД 16973487 . S2CID 20644720 .
Библиография
[ редактировать ]- Уолтман, Скотт Дж.; Кроуфорд, Грегори Филип; Джей, Грегори Д. (2007). Жидкие кристаллы: границы биомедицинских приложений . Всемирная научная. ISBN 978-981-270-545-7 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Мысливец, Ярослав, Шукальска, Алина, Шукальски, Адам и Шнитко, Лех. «Жидкокристаллические лазеры: последнее десятилетие и будущее» Нанофотоника, вып. 10, нет. 9 (2021), стр. 2309–2346. https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2021-0096/html https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0096
- Коулз, Гарри; Стивен Моррис (2010). «Жидкокристаллические лазеры». Природная фотоника . 4 (10): 676–685. Бибкод : 2010NaPho...4..676C . дои : 10.1038/nphoton.2010.184 .
- Джоаннопулос, Джон Д.; Джонсон, Стивен Г.; Винн, Джошуа Н.; Мид, Роберт Д. (2008). Фотонные кристаллы: формирование потока света . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-12456-8 . Проверено 10 апреля 2011 г.