Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Жидкокристаллический лазер является лазерным , который использует жидкий кристалл в качестве резонатора , что позволяет выбор длины волны излучения и поляризации от активной лазерной среды . Среда генерации обычно представляет собой краситель, легированный в жидкий кристалл. Жидкокристаллические лазеры сравнимы по размеру с диодными лазерами , но обеспечивают непрерывную широкополосную перестройку лазеров на красителях при сохранении большой области когерентности . Диапазон настройки обычно составляет несколько десятков нанометров . [1] Самоорганизацияв микрометровом масштабе снижает сложность производства по сравнению с использованием слоистых фотонных метаматериалов . Работа может быть как в непрерывном, так и в импульсном режиме . [2]

История [ править ]

Генерация с распределенной обратной связью, использующая брэгговское отражение периодической структуры вместо внешних зеркал, была впервые предложена в 1971 г. [3] теоретически предсказана с холестерическими жидкими кристаллами в 1978 г. [4] достигнута экспериментально в 1980 г. [5] и объяснена в терминах фотонной ширина запрещенной зоны в 1998 году [6] [7] [8] патент США выдан в 1973 г. описано жидкокристаллической лазер , который использует «жидкий носитель , имеющий генерации внутренней распределенной обратной связи на основании молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла- материал ". [9]

Механизм [ править ]

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 дает селективное отражение длины волны, заданной шагом спирали, что позволяет жидкокристаллическому лазеру служить в качестве собственной резонаторной полости. Фотонные кристаллы поддаются методам зонной теории , в которых периодическая диэлектрическая структура играет роль периодического электрического потенциала, а фотонная запрещенная зона (отражательная выемка) соответствует запрещенным частотам. Меньшая групповая скорость фотона и вышеплотность состояний вблизи фотонной запрещенной зоны подавляет спонтанное излучение и усиливает вынужденное излучение , создавая благоприятные условия для генерации. [7] [10] Если край электронной зоны попадает в фотонную запрещенную зону, рекомбинация электронов и дырок строго подавляется. [11] Это позволяет создавать устройства с высокой эффективностью генерации, низким порогом генерации и стабильной частотой, когда жидкокристаллический лазер действует в своем собственном волноводе. «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] В большинстве систем для достижения инверсии населенностей используется полупроводниковый лазер накачки , хотя возможны системы импульсной лампы и электрической 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 стержневые субъединицы в гексагональной плоскости и переупорядочивает хиральную фазу, наматывая или раскручивая шаг спирали. [16] Аналогичным образом возможна оптическая настройка выходной длины волны с использованием лазерного излучения 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 стабильная и обратимая. Хиральный шаг холестерической фазы имеет тенденцию раскручиваться с повышением температуры с переходом беспорядок-порядок в нематическую фазу более высокой симметрии на верхнем конце. [5] [20] [21] [22] Применяя градиент температуры, перпендикулярный направлению излучения, изменяя местоположение стимуляции, частота может быть выбрана 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, когда внешние ячейки поворачиваются к следующей стабильной ориентации; изменение частоты между скачками непрерывно. [24]

Если дефект вводится в жидкий кристалл, чтобы нарушить периодичность, внутри фотонной запрещенной зоны может быть создана единственная разрешенная мода, уменьшая потребление мощности спонтанным излучением 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 [ править ]

  • Биомедицинское зондирование: малый 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, не отправляя образец в отдельную лабораторию. [28]
  • Медицина: низкая мощность излучения ограничивает такие медицинские процедуры, как резка во время операций , но жидкокристаллические лазеры потенциально могут использоваться в методах микроскопии и in vivo , таких как фотодинамическая терапия . [1]
  • Экраны дисплея: дисплеи на основе жидкокристаллических лазеров обладают большинством преимуществ стандартных жидкокристаллических дисплеев, но низкий 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]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б Woltman 2007 , стр. 357
  2. ^ Джейкобс; Cerqua; Маршалл; Шмид; Гуардальбен; Скерретт (1988). «Жидкокристаллическая лазерная оптика: конструкция, изготовление, характеристики». Журнал Оптического общества Америки B . 5 (9): 1962. Bibcode : 1988JOSAB ... 5.1962J . DOI : 10.1364 / JOSAB.5.001962 .
  3. ^ Когельник, H .; CV Хвостовик (1971). «Вынужденное излучение в периодической структуре». Письма по прикладной физике . 18 (4): 152. Bibcode : 1971ApPhL..18..152K . DOI : 10.1063 / 1.1653605 .
  4. ^ Kukhtarev, NV (1978). «Холестерический жидкокристаллический лазер с распределенной обратной связью». Советский журнал квантовой электроники . 8 (6): 774–776. Bibcode : 1978QuEle ... 8..774K . DOI : 10.1070 / QE1978v008n06ABEH010397 .
  5. ^ а б Ильчишин И.П .; Е.А. Тихонов; В.Г. Тищенко; Шпак М.Т. (1980). «Генерация перестраиваемого излучения примесными холестерическими жидкими кристаллами». Журнал экспериментальной и теоретической физики Letters . 32 : 24–27. Bibcode : 1980JETPL..32 ... 24I .
  6. ^ Woltman 2007 , стр. 310
  7. ^ а б Копп В.И.; Б. Вентилятор; HKM Vithana; 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 . DOI : 10.1364 / OL.23.001707 . PMID 18091891 . 
  8. ^ a b Долгалева Ксения; Саймон К. Х. 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 . DOI : 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
  10. ↑ Курода, Кейджи; Цутому Савада; Такаши Курода; Кенджи Ватанабэ; Кадзуаки Сакода (2009). «Двойное усиление спонтанного излучения из-за увеличения плотности состояний фотонов на частотах границ фотонной зоны» . Оптика Экспресс . 17 (15): 13168–13177. Bibcode : 2009OExpr..1713168K . DOI : 10,1364 / OE.17.013168 . PMID 19654722 . 
  11. ^ a b Яблонович, Эли (1987). «Ингибированное спонтанное излучение в физике твердого тела и электронике» . Письма с физическим обзором . 58 (20): 2059–2062. Bibcode : 1987PhRvL..58.2059Y . DOI : 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 . DOI : 10.1016 / j.optcom.2004.01.057 .
  13. ^ Khoo, IC (1995). «Формирование голографической решетки в нематической жидкокристаллической пленке, легированной красителем и фуллереном C60». Письма об оптике . 20 (20): 2137–2139. Bibcode : 1995OptL ... 20,2137K . DOI : 10.1364 / OL.20.002137 . PMID 19862276 . 
  14. ^ Khoo, И-Choo (2007). Жидкие кристаллы . Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-75153-3.
  15. ^ a b 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 демонстрационных приложений» (PDF) . Оптика Экспресс . 16 (23): 18827–37. Bibcode : 2008OExpr..1618827M . DOI : 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 : 2004ApPhL..85..360M . DOI : 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 : 2004ApPhL..84.2491F . DOI : 10.1063 / 1.1699445 .
  18. ^ Энди, Фух; Цун-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 . DOI : 10.1364 / OPEX.12.001857 . PMID 19475016 . 
  19. ^ Кху, Ям-Чу; Ву, Шин-Цон (1993). Оптика и нелинейная оптика жидких кристаллов . World Scientific. ISBN 978-981-02-0934-6.
  20. ^ Моррис, SM; AD Ford; М.Н. Пивненко; HJ Coles (2005). «Усиленное излучение жидкокристаллических лазеров». Журнал прикладной физики . 97 (2): 023103–023103–9. Bibcode : 2005JAP .... 97b3103M . DOI : 10.1063 / 1.1829144 .
  21. ^ Моррис, SM; 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 . DOI : 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. DOI : 10.1002 / 1521-4095 (20020219) 14: 4 <306 :: АИД-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 : 2006ApPhL..88a1107H . DOI : 10.1063 / 1.2161167 .
  24. ^ Чжон, Ми-Юн; Хёнхи Чой; Дж. В. Ву (2008). «Пространственная перестройка лазерного излучения в клиновой ячейке холестерического жидкого кристалла, легированного красителем». Письма по прикладной физике . 92 (5): 051108. Bibcode : 2008ApPhL..92e1108J . DOI : 10.1063 / 1.2841820 .
  25. ^ Woltman 2007 , стр. 332-334
  26. ^ Шмидтке, Юрген; Вернер Стилле; Хейно Финкельманн (2003). "Дефектная эмиссия холестерической полимерной сети, допированной красителем" (PDF) . Письма с физическим обзором . 90 (8): 083902. Bibcode : 2003PhRvL..90h3902S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.083902 . PMID 12633428 . Проверено 29 апреля 2011 .  
  27. ^ Ли, C.-R .; Lin, S.-H .; Yeh, H.-C .; Джи, Т.-Д. (7 декабря 2009 г.). "Перестраиваемая по диапазону цветовая коническая генерация на основе холестерических жидких кристаллов, легированных красителями, с различным шагом и градиентом шага" (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (25): 22616–23. Bibcode : 2009OExpr..1722616L . DOI : 10.1364 / oe.17.022616 . PMID 20052187 .  
  28. ^ a b «Жидкокристаллические лазеры размером с человеческий волос» . Physorg . Декабрь 2005 . Проверено 9 апреля 2011 .
  29. ^ «Жидкокристаллические лазеры обещают более дешевое лазерное телевидение с высоким разрешением» . Physorg . Апрель 2009 . Проверено 9 апреля 2011 .
  30. ^ «Лазерные дисплеи: жидкокристаллический лазер обещает низкую стоимость изготовления» . Laser Focus World . Январь 2009 . Проверено 9 апреля 2011 .
  31. ^ Palffy-Muhoray, Питер; Веньи Цао; Мишель Морейра; Бахман Тахери; Антонио Муньос (2006). «Фотоника и генерация в жидкокристаллических материалах». Философские труды Королевского общества А . 364 (1847): 2747–2761. Bibcode : 2006RSPTA.364.2747P . DOI : 10,1098 / rsta.2006.1851 . PMID 16973487 . 

Библиография [ править ]

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

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Коулз, Гарри; Стивен Моррис (2010). «Жидкокристаллические лазеры». Природа Фотоника . 4 (10): 676–685. Bibcode : 2010NaPho ... 4..676C . DOI : 10.1038 / nphoton.2010.184 .
  • Joannopoulos, John D .; Джонсон, Стивен Дж .; Winn, Joshua N .; Мид, Роберт Д. (2008). Фотонные кристаллы: формирование потока света . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-12456-8. Проверено 10 апреля 2011 .

Внешние ссылки [ править ]

  • список статей, связанных с фотонными свойствами хиральных жидких кристаллов