способ получения лазерной генерации и лазерный элемент, управляемый электрическим полем

Формула изобретения

1. Способ получения управляемой лазерной генерации в жидкокристаллическом элементе, включающий возбуждение жидкокристаллического элемента и управление интенсивностью и длиной волны лазерного излучения, отличающийся тем, что в качестве жидкокристаллического элемента используют два или более слоев кирального жидкого кристалла (КЖК), между которыми расположена, по крайней мере, одна фазовая пластинка, а управление интенсивностью и длиной волны лазерного излучения осуществляется электрическим полем, прилагаемым к, по крайней мере, одной фазовой пластинке.

2. Лазерный элемент на основе гомогенно ориентированного слоя люминесцентного кирального жидкого кристалла, спектр люминесценции которого перекрывает зону селективного отражения КЖК, отличающийся тем, что для управления интенсивностью и длиной волны лазерного излучения с помощью электрического поля используются два слоя люминесцентного КЖК, между которыми расположена фазовая пластинка, управляем электрическим полем.

3. Лазерный элемент по п.2, отличающийся тем, что в качестве кирального жидкого кристалла используется низкомолекулярный киральный жидкий кристалл.

4. Лазерный элемент по п.2, отличающийся тем, что в качестве кирального жидкого кристалла используется полимерный киральный жидкий кристалл.

5. Лазерный элемент по п.2, отличающийся тем, что между двумя слоями КЖК расположен гомогенно ориентированный слой нематического жидкого кристалла (НЖК) с положительной диэлектрической анизотропией, управляемый электрическим полем с помощью прозрачных электродов, нанесенных на ограничивающие слой НЖК поверхности.

6. Лазерный элемент по п.2, отличающийся тем, что между двумя слоями КЖК расположен гомеотропно ориентированный слой (НЖК) с отрицательной диэлектрической анизотропией, управляемый электрическим полем с помощью прозрачных электродов, нанесенных на ограничивающие слой НЖК поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к жидкокристаллическим лазерам на красителях. При этом киральные жидкие кристаллы используются в качестве лазерной среды с распределенной обратной связью. Изобретение может быть использовано для создания лазерных элементов, управляемых электрическим полем.

Киральные жидкие кристаллы (КЖК) обладают геликоидальной структурой, шаг которой Р₀ соизмерим с длиной волны света [1]. Под киральными жидкими кристаллами мы подразумеваем собственно жидкие кристаллы, состоящие из производных холестерина, или немато-холестерические смеси, состоящие из смеси нематического жидкого кристалла (НЖК) и холестерического жидкого кристалла (ХЖК), а также киральные нематики, состоящие из НЖК и оптически активных соединений, не обязательно обладающих жидкокристаллической фазой. Благодаря пространственной модуляции направления локальной ориентации молекул (директора или локальной оптической оси) свет, распространяющийся вдоль оси геликоида, дифрагирует на периодической структуре. По закону Брэгга в определенном спектральном интервале P₀n < <P₀n_||, где n и n_|| - главные показатели преломления КЖК, свет одной из круговых поляризаций полностью отражается от структуры, т.е. ее пропускание блокируется. Другими словами, КЖК является одномерным фотонным кристаллом с запрещенной зоной энергий (стоп-полосой) для распространения фотонов определенной поляризации. Это позволяет использовать КЖК в качестве рабочей среды в лазерах с распределенной обратной связью. Длина волны лазерного излучения определяется положением одного из краев стоп-полосы КЖК, которая должна перекрываться со спектром люминесценции красителя.

Благодаря лабильности жидкокристаллической структуры шагом спирали и, следовательно, спектром излучения можно управлять при помощи внешнего воздействия различной природы, как, например, температурой [3], механическим напряжением [4], светом [5]. Это открывает возможность создания целой гаммы новых миниатюрных лазеров, в частности, для интегральной оптики, средств коммуникации, для оптических компьютеров.

Наибольший интерес представляет управление лазерной генерацией с помощью электрического поля. Это связано с тем, что жидкокристаллические устройства управляются невысокими напряжениями и характеризуются небольшими мощностями потребления, что обеспечивает хорошую совместимость с интегральной микроэлектроникой.

Известен способ получения лазерного излучения в беззеркальном элементе на холестерическом жидком кристалле с растворенным в нем люминесцентным красителем с использованием оптической накачки [2]. ХЖК с растворенным красителем помещается между двумя стеклянными пластинами, обработанными для реализации гомогенной ориентации ХЖК. В результате получается бездефектная, не рассеивающая, планарно-ориентированная текстура, с осью геликоида, направленной перпендикулярно поверхностям подложек. Такая текстура селективно отражает одну из циркулярно-поляризованных компонент падающего света в диапазоне волн, перекрывающем спектр люминесценции красителя. Другая компонента света с противоположным знаком циркулярной поляризации проходит через слой без искажения. Накачка производится с помощью импульсного лазера, длина волны которого находится внутри спектрального диапазона поглощения красителя. В результате возникает лазерное излучение на краю зоны селективного отражения ХЖК, направленное перпендикулярно поверхностям ограничивающих стекол в противоположных направлениях. К сожалению, плавное управление шагом холестерической структуры с помощью электрического поля в такой структуре реализовать не удается. Хотя из термодинамического рассмотрения следует, что каждой напряженности поля соответствует определенный шаг спирали [6], топологические ограничения, накладываемые ограничивающими стенками, не позволяют реализовать эту ситуацию [7, 8]. Поэтому в лазерных экспериментах обычно наблюдают лишь погашение генерации из-за нарушения спиральной структуры [9]. При этом восстановление нарушенной структуры после выключения поля происходит в течение длительного времени (нескольких часов).

Целью изобретения является создание способа и устройства, позволяющего плавно управлять генерацией излучения лазера на киральных жидких кристаллах с помощью электрического напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что вместо одного слоя ХЖК используются два слоя КЖК, а между ними вставляется управляемая электрическим полем тонкая фазовая пластинка. В этом случае обратная связь в лазерном элементе управляется электрическим полем, приложенным к фазовой пластинке, за счет изменения фазового сдвига между собственными волнами лазерной генерации. Дело в том, что распределенная обратная связь присутствует в каждом слое КЖК, но генерация может возникнуть только, если фазы между собственными волнами во всей структуре будут согласованы. Наиболее благоприятными условиями для генерации является фазовая задержка, равная нулю или кратная 2 . В этом случае генерация достигает максимального значения. Если же фазовая задержка не равна нулю и не кратна 2 , то интенсивность генерации уменьшается, а при некоторых значениях фазовой задержки генерация не может возникнуть. Например, при фазовой задержке, кратной , фотон, излученный в одном слое КЖК, при попадании в другой слой КЖК меняет свою циркулярную поляризацию на поляризацию противоположного знака. Таким образом, он попадает в запрещенную зону и распространяться не может, соответственно генерация не возникает.

Если же фазовая задержка будет изменяться в районе нулевых значений или кратных 2 , то полное подавление генерации может не быть достигнуто. Однако поскольку условия для генерации будут различны для разных мод генерации на краю запрещенной зоны КЖК, то может происходить перекачка интенсивности от одной моды генерации к другой. Дело в том, что генерация, в данной конфигурации лазерного элемента, возникает только на краю запрещенной зоны, где разрешено движение фотонов определенной поляризации в обоих направлениях. Поэтому на краю запрещенной зоны возникают различные моды генерации, отличающиеся длиной волны и, как правило, порогом накачки. Кроме того, эти моды различаются и поляризацией, то есть имеют не обязательно круговую циркулярную поляризацию. При небольшом изменении фазовой задержки между слоями КЖК условия генерации могут быть более благоприятны сначала для одной моды, потом для другой.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1-6 и иллюстрируется примерами 1-2.

Фиг.1 изображает блок-схему лазерного элемента и способа получения лазерной генерации с управляемой интенсивностью и длиной волны излучения при помощи фазовой пластинки с управляемой электрическим полем фазой. 1, 2 - слои кирального жидкого кристалла, допированные люминесцентным красителем; 3 - управляемая электрическим полем фазовая пластинка.

Фиг.2 изображает блок-схему лазерного элемента на низкомолекулярных КЖК с НЖК в качестве управляемой электрическим полем фазовой пластинки. 1, 1' - слои КЖК с люминесцентным красителем; 2, 2', 3, 3' - стеклянные пластины; 4, 4', 5, 5', - ориентирующие слои; 6, 6', 8, - прокладки для обеспечения требуемой толщины слоев; 7 - слой НЖК; 9, 9' - прозрачные токопроводящие покрытия, например ITO; 10, 10' - ориентирующие слои для планарной или гомеотропной ориентации НЖК.

Фиг.3 изображает спектры поглощения и люминесценции красителей РМ-567 и Оксазин-17, кривую пропускания КЖК для Оксазин-17, а также стоп-полосу КЖК для РМ-567. Верхний рисунок: D - спектр поглощения РМ-567, L - спектр люминесценции РМ-567, NI - спектральная область стоп-полосы. Нижний рисунок: D - спектр поглощения Оксазин-17, L - спектр люминесценции Оксазин-17, Т - кривая пропускания КЖК.

Фиг.4 изображает спектры генерации лазерного элемента на красителе Оксазин-17 для напряжений 0 В и 5.2 В (основной рисунок) и зависимость интенсивности генерации I_E от напряжения (вставка).

Фиг.5 изображает зависимости фазовой задержки от напряжения (на длине волны 633 нм) для двух планарных слоев НЖК толщиной 5 и 10.4 мкм.

Фиг.6 изображает спектры генерации лазерного элемента на красителях РМ-567 при различных напряжениях на слое НЖК (0.2 В, 1.8 В, 8 В).

Суть способа управления интенсивностью и длиной волны лазерного излучения изображена на фиг.1 и состоит в том, что вместо одного слоя берутся два слоя КЖК (1, 2), а между ними устанавливается управляемая электрическим полем фазовая пластинка 3. Таким образом, изменение фазовой задержки приводит к изменению интенсивности и, или длины волны лазерного излучения.

На фиг.2 изображена блок-схема лазерного элемента с двумя низкомолекулярными слоями КЖК и слоем НЖК в качестве управляемой фазовой пластинки. Лазерный элемент состоит из двух слоев КЖК, допированных люминесцентным красителем (1, 1'), ограниченных стеклами 2, 3 и 2' 3', на внутренние поверхности которых нанесены ориентирующие покрытия из полиимида 4, 5 и 4',5', которые натерты в одном направлении для создания однородной планарной текстуры КЖК. Зазор между стеклами 2 и 3, а также 2' и 3' задается прокладками 6 и 6'. Между стеклами 2 и 2' помещается слой НЖК (7). Зазор между стеклами 2 и 2' задается прокладками 8. На внешние поверхности стекол 2 и 2', ограничивающие слой НЖК, нанесены прозрачные, токопроводящие покрытия из In _xSn_1-xO₂ (9, 9'). Поверх токопроводящих слоев 9 и 9' нанесены ориентирующие слои из полиимида, которые натерты для создания гомогенной ориентации НЖК, либо из стеарилхлорид хрома для создания гомеотропной ориентации НЖК (10, 10'). Электрическое напряжение прикладывается к прозрачным электродам 9, 9'.

Пример 1.

В качестве КЖК, обозначенных на фиг.2 (1,1'), использовалась нематическая смесь, состоящая из соединений фенил- и дифенил-циклогексанов, допированная оптически активной добавкой (ОАД) - левовращающим 4, 4'-ди-лейцинкарбоксибифенилом с концентрацией 20% (шаг спирали Р₀=384 нм). Соответственно, брэгговская стоп-полоса занимает область 615 нм> >580 нм, фиг.3 (нижняя часть, кривая T). В качестве красителя, добавленного в КЖК смесь, был взят Оксазин-17 (производства «НИОПИК») с концентрацией 0,15%. Спектры оптической плотности и люминесценции этого красителя для слоя КЖК толщиной 28 мкм показаны на той же фигуре (кривые D и L соответственно). В качестве НЖК выбрана смесь соединений циклогексилкарбоновых кислот и фенилциклогексанов с положительной диэлектрической анизотропией ( _//=4.25, =2.75) и малой оптической анизотропией (n _a=n_||-n ; n_||=1,507 и n =1,451 на =633 нм). Толщина НЖК слоя с точностью ±0,5 мкм составляла 10 мкм.

При возбуждении данного элемента лазерным импульсом на длине волны 532 нм возникает лазерное излучение, направленное перпендикулярно поверхности стекол в обоих направлениях. Характерные спектры интенсивности лазерной эмиссии (I_E ) при двух значениях напряжения, приложенного к НЖК, приведены на основном графике фиг.4, а зависимость максимальных значений I_E от напряжения показана на вставке к фиг.4. Все кривые приведены при одной и той же энергии импульса накачки, Е=52 мкДж/имп. Спектр генерации состоит из одной уширенной линии ( =3 нм на полувысоте) с максимумом на длине волны _max=617 нм, не зависящей ни от накачки, ни от приложенного напряжения. В то же время интенсивность эмиссии зависит от напряжения очень сильно. При напряжениях U<3 В и U>8 В интенсивность генерации максимальна, а внутри интервала 3 В<U<8 В подавлена почти полностью. Эта зависимость строго коррелирует с поведением фазовой задержки НЖК слоя Ф(U), см. кривую для d_N=10,4 мкм на фиг.5. Максимумы генерации соответствуют либо Ф 360°, либо Ф 0°, когда НЖК приобретает практически гомеотропную ориентацию и двулучепреломление исчезает в сильном поле. Напротив, подавление генерации при U 5 V соответствует фазовой задержке Ф 180°, когда НЖК превращается в полуволновую фазовую пластинку (d_Nn_a= /2).

Пример 2.

В качестве КЖК использовалась та же нематическая смесь с той же ОАД, что и в примере 1, но концентрация последней была 20,6% (шаг спирали Р ₀=377 нм). В качестве красителя использовался РМ567 (производства фирмы «Экситон») с концентрацией 0,47%. Спектры оптической плотности (D) и люминесценции (L) этого красителя для толщины слоя КЖК 30 мкм показаны в верхней части фиг.3. Полоса селективного отражения (стоп-полоса) этой смеси находится между вертикальными точечными линиями, как показано на фиг.3. Расположение максимума спектра люминесценции красителя слева от стоп-полосы обеспечивало относительно редкую возможность управления генерацией на коротковолновом крае стоп-полосы. В качестве НЖК для управления фазовой задержкой здесь взята та же смесь, что и в примере 1. Толщина НЖК слоя с точностью до 0.5 мкм составляла 5 мкм. Фазовая задержка его в зависимости от напряжения приведена на фиг.5 (кривая 5).

Лазерная генерация в этой ячейке имеет свои особенности. Во-первых, линии генерации наблюдаются на коротковолновом крае стоп-полосы, где интенсивность люминесценции, которая коррелирует с коэффициентом усиления света, максимальна. Во-вторых, здесь мы наблюдаем перекачку интенсивности эмиссии с изменением напряжения на слое НЖК, фиг.6. До начала переориентации директора НЖК (кривая для U _rms=0,2 V) основная линия генерации находится на =564 нм с сателлитом на 567,5 нм. С повышением напряжения и уменьшением фазовой задержки (см. кривую для d _N=5 мкм на фиг.5) вся интенсивность генерации переходит в полосу с центром на =567,5 нм.

Источники информации

1. В.А.Беляков, А.С.Сонин, Оптика холестерических жидких кристаллов, Москва, Наука (1982).

2. L.S.Goldberg, J.M.Schnur, US Patent 3771065, кл. 331/95.5 L, 06.11.1973.

3. К.Funamoto, M.Ozaki, and K.Yoshino Jpn. J. Appl. Phys. 42, L1523 (2003).

4. H.Finkelmann, S.T.Kim, A.Mucoz, P.Palffy-Muhoray, and B.Taheri, Adv. Mater. 13, 1069 (2001).

5. A.Chanishvili, G.Chilaya, G.Petriashvili, R.Barberi, R.Bartolino, G.Cipparrone, A.Mazzulla, R.Gimenes, L.Oriol, and M.Pinol, Appl. Phys. Lett. 86, 051107 (2005).

6. De Gennes, Sol. State Commun. 6, 163 (1968).

7. С.П.Палто, ЖЭТФ, 121, вып.2, 309-319 (2002).

8. S.P.Palto and L.M.Blinov, J.Soc. Elect. Mat. Eng. 14, 115 (2005).

9. G.Strangi, V.Barna, R.Caputo, A. de Luca, C.Versace, N.Scaramuzza, C.Umeton, R.Bartolino, G.Price, Phys. Rev. Lett. 94. 063903 (2005).