染料液晶基随机激光的偏振态研究

摘要

相比于传统激光器，随机激光器不需要外加谐振腔，其反馈由光子的多重散射提供。多重散射增大了光子在增益介质中的光程。当散射强度较弱，光的传播路径未形成闭合回路时，光在介质中得到的是非相干反馈，表现为出射谱线窄化、强度增强，产生的是非相干随机激光；当散射强度增强后，光子经过多重散射之后有一定概率回到原来的位置，形成类似传统激光器的谐振腔，光在其中得到相干反馈，出射谱线出现分立的激光尖峰，产生的是相干随机激光。目前基于相干随机激光的半经典理论，研究者已经开始讨论随机激光模式的理论计算方法。随机激光器制作成本低、尺寸小、结构简单，在显示、偏振成像技术、环境光源、传感等领域具有广阔的应用前景。液晶基随机激光器就是以液晶作为无序散射介质的随机激光器。 本文在液晶基随机激光器中，利用光控的方法对液晶分子进行取向，并研究了光控取向对随机激光的阈值、偏振态等特性的影响；研究了剪切应力对染料掺杂聚合物分散液晶（DDPDLC）随机激光强度及偏振度的影响。 对液晶基随机激光器进行光控取向，研究了光控取向对随机激光的影响。首先，对比了取向样品与非取向样品所出射随机激光的特性。50μm无取向样品所出射随机激光的阈值为1.1mW/pulse,低于取向样品所出射的随机激光阈值（1.3mW/pulse），这主要是因为在泵浦过程中，取向样品中的甲基红(MR)与PM597形成了竞争吸收。无取向样品所出射随机激光的偏振度为0.1,明显低于取向样品所出射的随机激光偏振度，这是因为无取向样品中液晶分子随机分布、且PM597的吸收具有各向异性性。本论文还研究了样品厚度对取向样品所出射的随机激光性质的影响，发现随着样品厚度从12.5μm增加到50μm，所出射的随机激光阈值从2mW/pulse降低到1.3mW/pulse；随着样品厚度从50μm增加到100μm，所出射的随机激光阈值从1.3mW/pulse增大到3.1mW/pulse。这是因为随着厚度继续增加，泵浦效率达到饱和，但是损耗增加了。随着样品厚度从12.5μm增加到50μm，偏振度从0.76升高到0.98；随着样品厚度从50μm继续增加到100μm，偏振度从0.98降低到0.75。这主要是因为随着厚度的增加，泵浦渗透深度和取向深度的共同作用区域逐渐减小，从而使取向层的影响越来越小。光控取向使DDPDLC所出射的随机激光具有很高的偏振度，可以为染料液晶随机激光器在显示、偏振成像、传感器等领域的应用提供重要的参考。不仅如此，光控取向技术在随机激光领域的成功实现，为随机激光器的多域取向提供了重要的参考，对矢量随机激光的实现有重大意义。 在DDPDLC中，通过施加剪切力，可以调节所出射随机激光的阈值及偏振度。随着剪切距离由0mm增加到4mm，样品所出射随机激光的强度降低，阈值从2.0mJ/pulse升高到4.0mJ/pulse，偏振度从0.1增加到0.78。这是因为在剪切过程中，由于聚合物网格的形变及液晶分子的棒状分子结构，液晶微滴逐渐沿着剪切方向取向。DDPDLC随机激光器的散射由聚合物与液晶分子的折射率差提供。将施加剪切力的方向定义为平行方向。由于液晶分子的光学各向异性，随着液晶分子沿着剪切方向取向，在垂直方向上，折射率差逐渐减小到0.03(no-np），在平行方向上，折射率差逐渐增大到0.26（ne-np）。即随着剪切距离的增加，垂直方向上散射强度逐渐减小，平行方向上散射强度增强。通过对DDPDLC施加剪切力，可以控制所出射的随机激光的强度及偏振度。该方法成本低，结构简单，实现方便，在光传感、液晶显示领域都具有巨大的应用价值。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1背景介绍

1.2染料液晶基随机激光及其偏振态的研究意义和应用前景

1.3 染料液晶基随机激光偏振态的研究进展

1.3.1 染料液晶基随机激光

1.3.2 随机激光的偏振态

1.4光控及应力对液晶分子取向的影响及研究现状

1.4.1光控取向在液晶器件中的应用

1.4.2应力对液晶器件性能的影响

1.5本文工作

第二章液晶基随机激光的物理机制

2.1 随机激光的基本理论

2.2 随机激光的主要理论模型

2.2.1 非相干反馈随机激光的理论基础

2.2.2 相干反馈随机激光的理论基础

2.3液晶的效应

2.3.1 向列相液晶的散射分析[75]

2.3.2 聚合物分散液晶的散射分析

2.4 小结

第三章 光控取向对液晶基随机激光的影响

3.1 样品制备与表征

3.1.3 样品的吸收及荧光特性

3.2光控取向对随机激光的影响

3.2.1 光控取向对DDNLC随机激光的影响

3.2.2 光控取向对DDPDLC随机激光的影响

3.3 一种液晶基随机激光器及对其进行光控取向的方法

3.4 小结

第四章 染料掺杂向列相液晶随机激光的剪切效应

4.1一种控制聚合物分散液晶随机激光强度的方法

4.2 样品制备

4.3 剪切对DDPDLC随机激光的调控作用

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学期间取得的学术成果