對染料摻液晶隨機激光電控特性的研究*

杜錦華，陳懷昊，吳 凱，趙 翀，王 雁，葉莉華，崔一平

(東南大學電子科學與工程學院，先進光子學中心，南京210096)

對染料摻液晶隨機激光電控特性的研究*

杜錦華，陳懷昊，吳 凱，趙 翀，王 雁，葉莉華*，崔一平

(東南大學電子科學與工程學院，先進光子學中心，南京210096)

實驗研究了液晶盒盒厚及摩擦方式對隨機激光電控特性的影響，并分析了其物理機制。實驗制備了3種盒厚的液晶盒，每種盒厚的盒都采取了3種摩擦取向方式(雙面平行、雙面反向、雙面垂直)。不同盒厚的樣品隨機激光消失的關斷電壓Vdis分別在2.4 V(100 μm)、2.8 V(188 μm)、3.3 V(300 μm)左右，基本不受摩擦方式影響。該實驗通過減小盒厚降低了隨機激光的關斷電壓，為電控隨機激光低功耗應用提供了一種可行的方法。

DDLC隨機激光;電控特性;Fréedericksz轉換;閾值電壓;關斷電壓

近年來，隨機激光已經成為國際激光學界的熱門研究領域。隨機激光，即隨機介質內的受激輻射現象，是一種新型的激光發射機制，通過無序誘導的多重散射提供光學反饋，無需外加諧振腔。與傳統激光相比，隨機激光輻射也同樣具有閾值特性，并且發射的光譜很窄，在時間、空間、頻域上的隨機性很大。由于其制造成本低廉、工作波長特定、尺寸小［1］、形狀靈活等優點，隨機激光在溫度傳感［2］、文檔編碼和材料標記、高密度光存儲［3］、腫瘤診斷［4、5］、集成光學［1］、液體流向監控等領域具有非常可觀的應用前景［6］。

液晶隨機激光器就是以液晶作為無序散射介質的隨機激光器，通過外在環境(如溫度、電場等)參數的變化，改變液晶相或者調整液晶分子的取向或排列，從而控制液晶的各向異性分布或無序程度，來達到控制隨機激光輻射特性的目的。2013年，北京理工大學的Li Longwu等人第1次研究了有摩擦與無摩擦摻染料液晶盒出射隨機激光特性的不同［7］，而在近年的隨機激光研究中，薄盒厚(如幾μm)的液晶盒隨機激光出射已經實現。但是，通過改變樣品參數(盒厚、摩擦方式)來調控隨機激光電控特性還需要進一步的系統的研究。

實驗中選用向列型液晶E7，研究了不同參數(盒厚、摩擦方式)的染料摻液晶盒樣品的電控隨機激光特性。這些研究在需要考慮哪些參數及如何選擇這些參數來降低電控隨機激光電壓大小方面有一定的參考價值。

1 實驗裝置

制備液晶盒時，用Mylar片墊在兩片ITO玻璃間，玻璃交錯放置，Mylar片厚度決定盒厚。玻璃導電面相對并且旋涂有PI取向劑，根據需要可以進行不同的摩擦取向。將激光染料PM597與向列型液晶E7的混合溶液經過毛細作用灌入盒中，盒的四周用AB膠封住，如圖1。

圖1 DDLC樣品

實驗前要將制備的液晶盒兩端預留的玻璃上的PI取向劑的薄膜刮去，這是因為取向劑的薄膜對實驗有影響，會導致后面的實驗出現加電壓無效的問題。

實驗光路圖如圖2，利用三棱鏡分出的Nd: YAG(Continuum公司的Powerlite PrecisionⅡ8010激光器，重復頻率10 Hz，脈寬5 ns～7 ns)倍頻光作為泵浦光源，輸出波長532 nm。調節格蘭棱鏡組可以控制泵浦光的偏振與強度。通過信號發生器產生頻率1 kHz的方波信號加在液晶盒兩面，通過示波器顯示信號波形參數，如圖3所示。采用Acton Research Corporation公司的光學多通道分析儀OMA (Optical Multichannel Analyzer)采集發射的隨機激光信號，分辨率可達0.1 nm。

圖2 實驗光路圖

圖3 電控裝置圖

2 實驗結果及理論分析

2.1 Vdis關斷特性及Vth閾值特性

實驗先用盒厚188μm、雙面同向摩擦、染料濃度為0.3wt%的樣品觀察DDLC隨機激光對于電壓控制的響應，如圖4所示。

圖4 188μm盒厚，雙面同向摩擦情況下電壓變化對于隨機激光的影響

從圖4可以看出，電壓在0 V到2 V之間變化的時候，隨機激光的強度基本不會變化;當電壓增大到2.3 V之后，隨機激光的強度會出現明顯的衰減。此時的電壓值就為閾值電壓Vth。繼續增大電壓，當達到2.7 V的時候隨機激光現象完全消失，這個電壓我們稱為關斷電壓Vdis。

出現以上現象是由于通過外加電場改變液晶分子的排列從而改變其散射常數，影響隨機激光的輻射特性。液晶指向矢的取向可以由邊界條件加以控制，也可以用外加磁場或電場的辦法使它發生改變。作用在液晶上電磁場、溫度、壓力等變化時，液晶分子的取向容易隨之改變［8］。在液晶盒中，如果玻璃表面是經過摩擦取向處理的，沿玻璃表面液晶的指向矢就會有確定的排列取向，越向內，液晶受到表面錨定作用影響越小。如果對液晶施加一個與指向矢取向相垂直的電場，那么液晶內部將受到兩個轉矩的影響:一個是外電場對液晶分子施加的轉矩，另一個是由于受到邊界條件限制而引起的形變轉矩。在平衡狀態下，兩個轉矩的作用相互抵消。一旦電場強度超過一定的閾值Vth，那么從能量上來看，液晶內部的分子將更適合于轉向外電場方向的排列。這就是所謂的Fréedericksz轉換［9］。而當電壓足夠大后，液晶的排列取向主要受到電場影響，電壓越大，液晶指向矢的排列越趨向于一致性，這將導致內部散射平均自由程變大，散射能力變弱，出射的隨機激光強度變小，直至電壓增大到某一個值Vdis后，隨機激光消失。

2.2 樣品參數(盒厚、摩擦方向)對Vdis的影響

實驗選擇染料濃度為0.3wt%的PM597和液晶E7的混合溶液，取 3種盒厚:100μm、188μm、300μm，以及3種摩擦方式:雙面同向摩擦、雙面反向摩擦，雙面垂直摩擦。實驗過程中保持泵浦光能量不變，樣片和OMA探頭的位置不變。圖5～圖7是這些情況下得到的隨機激光發射譜，其中電壓大小是方波信號的幅值。

圖6 188μm盒厚，同向摩擦(a)，反向摩擦(b)，垂直摩擦(c)情況下電壓變化對于隨機激光的影響

將以上結果匯集成表1，可以更直觀地顯示出不同情況下Vdis的變化情況。

關斷電壓盒厚m 3.3V 3.3V 3.4V摩擦方式同向摩擦 反向摩擦 垂直摩擦100μm 2.5V 2.5V 2.4V 188μm 2.7V 3.0V 2.8V 300μ

圖7 300μm盒厚，同向摩擦(a)，反向摩擦(b)，垂直摩擦(c)情況下電壓變化對于隨機激光的影響

從表1可以看出，對于同一種盒厚，盒兩面取3種不同的摩擦方式時，Vdis在誤差允許范圍內基本保持不變，這說明盒兩面摩擦方式的不同對Vdis基本沒有影響。這是因為，電場或磁場引起指向矢改變液晶分子的取向大多發生在液晶盒內部，越接近盒表面變化就越被削弱［10］。而摩擦方式卻主要影響了表面分子的排列方式，對內部分子影響較小。所以，對于同一種盒厚，盒兩面的摩擦方式對Vdis基本沒有影響，只要電壓增加到Vdis，液晶內部分子的指向矢的排列會趨向于一致性，隨機激光就會消失。

對于同一種摩擦方向的樣品而言，隨著盒厚的增加，關斷電壓Vdis也隨著增大。這是因為盒越厚，盒內部的液晶分子越多，要改變指向矢的方向需要的電壓就會越大。

而在對不同的盒厚和不同摩擦方式的樣片測量的時候我們發現，閾值電壓Vth基本上沒有變化，均在2 V～2.3 V之間。這與薄液晶樣品Fréedericksz轉變電壓公式給出的結論相符，即閾值電壓Vth與液晶盒的厚度無關。

3 總結

實驗研究了向列相液晶中摻雜熒光染料客體的溶液(DDLC)在液晶盒結構樣品中隨機增益系統的電控特性，不同樣品參數，包括摩擦取向方式、盒厚對于電控特性的影響。外加電壓上升到閾值電壓Vth時，隨機激光的強度會出現明顯的衰減，繼續增大電壓到Vdis后隨機激光會消失。實驗結果發現，樣品參數影響Vdis的大小，盒越厚，Vdis越大。但盒兩面摩擦方式的不同對Vdis不產生影響。之所以會出現這些現象，就是利用了液晶的電控特性，液晶的排列分布會受到電壓的影響，當電壓達到一定值后，向列型液晶分子的排列會趨于一致，導致系統內部的無序性大大減弱，散射能力減弱。對于同一種摩擦方向的樣品而言，隨著盒厚的增加，盒內部的液晶分子越多，要改變指向矢的方向需要的電壓就會越大，關斷電壓 Vdis也就越大。電壓調控的液晶隨機激光比傳統的溫度控制更加快速，實驗所研究的內容為電控隨機激光低功耗應用提供了一種新方法。

［1］ Diederik Wiersma.The Smallest Random Laser［J］.NATURE，2000，406:132-133.

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［3］ Shunsuke Murai，Koji Fujita，Takayuki Hirao，et al.Scattering-Based Hole Burning Through Volume Speckles in a Random Medium with Tunable Diffusion Constant［J］.Applied Physics Letters，2008，93(15):151912:1-3.

［4］ Randal C Polson，Valy Vardeny Z.Random Lasing in Human Tissues［J］.Applied Physics Letters，2004，85(7):1289-1291.

［5］ Song Qinghai，Xiao Shumin，Xu Zhengbin.Random Lasing in Bone Tissue［J］.Optics Letters，2010，35(9):1425-1427.

［6］ Cao Hui.Lasing in Random Media［J］.Waves in Random Media，2003，13:R1-R39.

［7］ Li Longwu，Deng Luogen.Random Lasing from Dye-Doped Chiral Nematic Liquid Crystals in Oriented and Non-Oriented Cells［J］. European Physical Journal B，2013，86(3):112.

［8］ 錢忠祥，溫度補償型電調諧液晶光學濾波器的設計［J］.傳感技術學報，2005，18(3):570-572.

［9］ 黃子強.液晶顯示原理［M］.北京:國防工業出版社，2008: 120-124.

［10］彼得J柯林斯.液晶［M］.阮麗真，譯.上海:上海科技教育出版社，2002:56.

杜錦華(1991- )，女，漢族，山東招遠人，東南大學電子科學與工程學院本科生，471260529@qq.com;

葉莉華(1974- )，女，漢族，江蘇泰州人，東南大學電子科學與工程學院副教授，研究方向為微納光電功能材料與應用技術，光電集成與探測技術，ylh @seu.edu.cn。

Electrically Controllable Behavior of Random Laser in Dye Doped Liquid Crystals*

DU Jinhua，CHEN Huaihao，WU Kai，ZHAO Chong，WANG Yan，YE Lihua*，CUI Yiping
(Advanced Photonics Center，Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

This experiment studied effects of thickness and rubbing direction of the cells on the electrically controllable behavior of random laser in dye doped liquid crystals.The physical mechanisms have been analyzed.We prepared different kinds of DDLC cells with three different thickness，each has three different rubbing direction(double parallel rubbing，double reverse rubbing and double vertical rubbing).The cut off voltage Vdisof different thickness samples are respectively around 2.4 V(100 μm)，2.8 V(188 μm)，3.3V(300 μm)，and are not affected by rubbing direction.This process allows us to reduce the cut off voltage Vdisof random laser by reducing thickness of cells，and provides an available method for the applications of electrically controllable liquid crystal random laser with lovo-power.

Dye-Doped Liquid Crystals(DDLC)random laser;electrically controllable behavior;Fréedericksz conversion;threshold voltage;cut off voltage

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.005

O432.1;TN241

A

1005－9490(2014)02－0190－05

項目來源:國家大學生創新訓練計劃項目(1210286030)

2013-07-07修改日期:2013-08-27

EEACC:4320E