发光材料光学性质及其在胆固醇液晶中的激光研究

摘要

激光器是利用受激辐射原理使从被激发的物质中发射出来的光放大和谐振而产生激光的器件。从激光器于1960年的诞生到今天现今，已经成功研究和开发出了各种不同的激光器，包括半导体激光器、固体激光器、气体激光器、脉冲激光器等，这些激光器已经在很多领域被广泛使用。随着集成光学的发展和应用，越来越需要微型激光器，上述的传统激光器都因体积大而不能满足集成光学发展的需要，因此近年来微型激光得到了广泛的研究。到目前为止，微型激光腔主要有两种：分布式反馈激光；基于法布里-珀罗腔的激光。不管哪种，目前都是采用镀膜方式，而镀膜方式的工艺极其复杂，成本也非常高。
　　近年来，研究发现通过在胆固醇液晶中掺杂激光发光材料也可以获得激光输出。由于胆固醇液晶自身具有螺旋结构并形成光子反射带，因此制备非常简单，只需将手型分子材料掺杂于液晶分子中就可以得到胆固醇液晶，且因为液晶非常便宜，因此成本也非常低。因此近年来得到了广泛的研究。在胆固醇液晶中，液晶分子沿螺旋轴螺旋排列，由于液晶是一种高双折射介质，液晶分子在胆固醇液晶中这种周期性的螺旋排列使得其对入射光的折射率也呈周期性变化，因而形成一个布拉格的发射带隙，相当于一维光子晶体。其光子带隙的中心波长λ0和带宽Δλ分别由λ0=p和Δλ=Δn·p决定，其中、Δn和p分别代表平均折射率、液晶的双折射率和螺距。但是胆固醇液晶反射带特殊之处在于100％的反射圆偏振光，即只有与胆固醇液晶的螺距旋转方向相同的圆偏振光在其带隙内被反射，而螺距旋转方向相反的则被透射。基于光子带隙的特点，在胆固醇液晶中掺杂一些发光效率很高的活性介质（如激光染料），在激励光的照射下，染料吸收能量后产生的荧光会在反射带内进行来回反射。由于在光子带边缘的群速度的突变和高的态密度，当反射光达到激光阈值的条件时便会从反射带内输出，产生激光，因此胆固醇液晶可以看做是一个无反射镜的反馈激光腔。与上述的两种微型激光器相比，胆固醇液晶具有制作工艺简单、操作灵活和良好的调节能力等优点。胆固醇液晶可以通过在向列相液晶中掺杂一定浓度的手性分子而得到，而且其反射带的带宽和中心波长容易通过外界因素，如手性分子浓度、温度、电磁场、光照和压力等改变，因而近年来吸引了广泛的研究兴趣。然而到目前为止，胆固醇液晶激光的效率还很低，尤其因为目前发光材料采用的是激光染料，其光化稳定性差，寿命短。这些问题使得胆固醇液晶无法应用到实际应用中。为了能将胆固醇液晶激光最终应用到实际应用中去，我们必须提高胆固醇液晶激光效率，特别要提高胆固醇液晶激光的光化稳定性和寿命。
　　本研究为了提高胆固醇液晶激光效率，光化稳定性及其寿命，本论文首先研究了液晶盒的厚度对染料掺杂的胆固醇液晶的激光效率的影响，同时研究了光化稳定性好的纳米量子点的发光性质，以期最终能用发光效率高的纳米量子点取代目前的激光燃料改善胆固醇液晶激光的光化稳定和寿命。具体研究内容主要包括以下三个方面：⑴研究了液晶盒的厚度对染料掺杂的胆固醇液晶中的激光效率的影响，实验结果表明:当液晶盒的厚度很薄的时候，液晶盒厚度的增加会使得胆固醇液晶激光效率急剧增大，而当液晶盒厚度增大到一定程度以后，虽然激光效率仍然会随着液晶盒厚度的增加而增大，但是增加倍数则会大大降低，比如当液晶盒从5μm增加到10μm时，激光效率增强了63倍左右，而当液晶盒厚度从10μm增加到15μm时，激光效率只增加了3.5倍左右。本文对这一现象的物理机制进行了详细的分析。⑵研究了不同尺寸的量子点CdSe/ZnS的溶液浓度对其荧光的影响。实验测试了不同尺寸的CdSe/ZnS在不同浓度(0.8μmol/L～8μmol/L)下的吸收光谱和荧光光谱。实验结果发现，不同尺寸量子点的荧光性质受其溶液浓度的影响是不一样的。尺寸较小(≤4.0nm)的量子点的荧光强度均随着量子点浓度的增加而增强，而尺寸较大(＞4nm)的量子点荧光强度则是随着量子点浓度的增大先增强后减弱，其发光的最佳浓度1.3μmol/L。本文对其现象和物理机制进行了分析。⑶研究了己基噻吩的掺杂量对量子点CdSe/ZnS的发光性质的影响。实验测试了己基噻吩与不同尺寸量子点配比分别为1∶1、1∶2、1∶4和1∶8的吸收光谱和荧光光谱。实验结果表明，随着己基噻吩掺杂量的增大，不同尺寸量子点的荧光强度在减弱。与相同浓度下的不同尺寸量子点荧光光谱相对比较发现，己基噻吩的掺杂对量子点的荧光特性产生了影响，使得其发光强度降低了。

目录

摘要

1．绪论

1．1 前言

1．2 微型激光腔简介

1．3 胆固醇液晶激光简介

1．4 量子点简介

1．5 本文章节安排

2．胆固醇液晶结构及其光学性质简介

2．1 液晶简介

2．2 胆固醇液晶结构和特性

2．3 胆固醇液晶的特点

2．3．1 电光效应(Electro-Optic Effect)

2．3．2 光学性质

2．4 胆固醇液晶激光原理和特点

2．5 本章小结

3．液晶盒厚度对激光染料掺杂的胆固醇液晶激光效率的影响

3．1 染料掺杂的胆固醇液晶样品制备

3．2 实验装置

3．3 实验结果与讨论

3．4 本章小结

4．量子点浓度对量子点CdSe／ZnS荧光强度的影响

4．1 材料配备和实验测试

4．2 实验结果与讨论

4．3 本章小结

5．己基噻吩对量子点CdSe／ZnS发光性质的影响

5．1 材料配备和实验测试

5．2 实验结果与讨论

5．2．1 己基噻吩的荧光光谱

5．2．2 己基噻吩掺杂的量子点的荧光光谱

5．3 本章小结

6．总结和展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

参与科学研究项目

致谢

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