基于多光子吸收的染料掺杂液晶随机激光器及其制备方法

摘要

本发明提供了一种基于多光子吸收的染料掺杂液晶随机激光器，包括玻璃基片以及其上顺序附着的固化层和混合层，所述固化层为光控染料与表面聚合材料的饱和溶液固化形成的薄膜，所述混合层为液晶与激光染料的混合溶液层。本发明基于多光子吸收效应，泵浦光处于长波段在激光器表层的损耗较少，可穿透表层到达介质内部，使多光子吸收发生在激光器较深处，对随机激光器的厚度没有特殊要求，能有效提高泵浦效率。并且，多光子泵浦光源的长波段光子能量较低，可减少对材料的损害，防止发生短波段光子引起的材料变性的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，具体涉及一种随机激光器及其制备方法。

背景技术

随机激光由于不需要外加谐振腔，其制造成本低、尺寸小，且可以通过对其材料参数的调节，实现波长等出射特性的调控，有巨大的研究意义及应用价值。随机激光在产生机理及发光特性上与传统激光器存在许多显著的不同，随机激光辐射源自激活无序介质，通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈，从而获得较大的增益。

液晶随机激光器就是以液晶作为无序散射介质的随机激光器，激光器的反馈来自于光子在液晶分子之间的多重散射。而液晶分子对温度和电场都有不同的响应，因此以液晶作为无序介质的随机激光辐射能够呈现出有效的调控特性，为液晶随机激光器的调控特性及在实际中的应用提供了可能。利用液晶材料的可控特性，将染料掺杂在液晶材料中，通过外在环境参数的变化来改变液晶相，或者调整液晶分子的取向从而控制液晶的各向异性分布（或无序程度）达到控制随机激光辐射特性的目的。

多光子吸收是物质原子或分子在强场作用下同时吸收多个光子直接跃迁至激发态的非线性过程，多光子吸收在频率上转换激光、三维光存储、光限幅、多光子荧光显微成像等诸多领域都有着广泛的应用。有机材料具有非线性光学系数大、弛豫响应时间短、量子产率高、光损伤阈值高等诸多优点，已经成为人们寻找具有多光子吸收材料的首选。激光染料由于具有共轭双键结构，是一类具有大的多光子吸收截面的有机材料。

现有技术中，液晶内掺杂的光控染料与激光染料对光的吸收谱有大部分重叠，光取向过程中泵浦光会漂白激光染料，而在光泵浦受激发射产生随机激光时泵浦光也会影响光控染料的取向，造成互相干扰。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多光子吸收的染料掺杂液晶随机激光器及其制备方法，可以解决光取向与受激发射过程互相干扰的问题。

技术方案：本发明提供了一种基于多光子吸收的染料掺杂液晶随机激光器，包括玻璃基片以及其上顺序附着的固化层和混合层，所述固化层为光控染料与表面聚合材料的饱和溶液固化形成的薄膜，所述混合层为液晶与激光染料的混合溶液层。

进一步，所述光控染料为偶氮类染料。

进一步，所述表面聚合材料为聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。

进一步，所述固化层中光控染料与表面聚合材料的质量比为3~5:50。

进一步，所述激光染料在混合溶液层中的质量分数为0.2wt%～2wt%。

进一步，所述激光染料是荧光发射范围为550～700nm的呫吨类染料或吡咯甲川类染料。

一种基于多光子吸收的染料掺杂液晶随机激光器的制备方法，包括以下步骤：

（1）配置光控染料和表面聚合材料的饱和水溶液，均匀混合，旋涂于干净的玻璃基片表面，干燥后形成薄膜；

（2）用短波段500~550nm激光进行光取向处理，光控染料发生顺反异构完成光取向；

（3）将液晶与激光染料均匀混合后的溶液涂覆在薄膜表面，形成随机激光器；

（4）用长波段800~1300nm激光激发激光染料产生多光子吸收效应，出射随机激光。

发明原理：光控染料与表面聚合材料反应形成聚合物薄膜材料，使染料分子固定在玻璃片表面，不易溶于液晶；液晶多次散射提供光学反馈，激光染料作为增益介质，在强光作用下使其发生多光子吸收。由于液晶材料的可控特性，将光控染料掺杂在液晶随机激光器中可以增强其非线性光学效应，光控染料分子对短波段激光透过率低，因此吸收特定波长的光子后发生可逆的顺反异构，使染料分子重取向。多光子吸收效应是激光染料分子在长波段激光作用下同时吸收多个光子直接跃迁至激发态的非线性过程，是一个长波激发短波发射的过程，与光取向过程的光波段明显区分，并有效降低随机激光的阈值。

有益效果：1、本发明光控染料与表面聚合材料反应形成固化层，用短波段激光对光控染料进行光取向，随后加入液晶与激光染料的混合溶液，用长波段激光使激光染料发生多光子吸收，产生随机激光。使用不同波长的光能避免光取向过程时漂白激光染料，受激发射过程中又影响光取向结果的问题。

2、本发明基于多光子吸收效应，泵浦光处于长波段在激光器表层的损耗较少，可穿透表层到达介质内部，使多光子吸收发生在激光器较深处，对随机激光器的厚度没有特殊要求，能有效提高泵浦效率。并且，多光子泵浦光源的长波段光子能量较低，可减少对材料的损害，防止发生短波段光子引起的材料变性的问题。

附图说明

图1为本发明激光器的层状结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

一种基于多光子吸收效应的染料掺杂液晶随机激光器，该激光器结构包括玻璃基片1、液晶2、光控染料3、激光染料4、表面聚合材料5。其中，如图1所示，光控染料3与表面聚合材料5在玻璃基片1上发生固化反应形成薄膜Ⅱ，液晶2与激光染料4均匀混合后的混合溶液层Ⅰ涂在薄膜Ⅱ上，形成随机激光器。用长波段泵浦光入射到随机激光器表面，在激光器上可观察到随机激光。

实施例1：

1、将切割好的玻璃基片1（20mm*15mm）经过丙酮，乙醇，去离子水超声波清洗20分钟并烘干；

2、在85℃条件下，配置表面聚合材料5（聚乙烯醇PVA）和光控染料3（偶氮染料甲基红）的饱和水溶液，按重量比3:50的均匀混合，旋涂于干净的玻璃基片1表面，干燥24h形成薄膜；

3、用Nd:YAG 脉冲激光器所产生的短波段激光（532nm）照射薄膜固化处理后的玻璃基片1，光控染料3在光照下发生顺反异构，完成光取向；

4、将液晶2与荧光发射范围为620nm的激光染料4（罗丹明6G染料）超声混合形成掺染料液晶2混合溶液，激光染料4在染料掺杂液晶2混合溶液中占比0.2wt%，旋涂于光取向处理后的玻璃基片1表面，形成随机激光器；

5、用Nd:YAG 脉冲激光器所产生的长波段激光（1100nm）照射激光器表面，液晶2作为散射介质，而激光染料4分子发生多光子吸收，通过受激发射产生随机激光。

实施例2：

1、将切割好的玻璃基片（20mm*15mm）经过丙酮，乙醇，去离子水超声波清洗20分钟并烘干；

2、在85℃条件下，配置表面聚合材料（聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）和光控染料（偶氮染料甲基红）的饱和水溶液，按重量比4:50的均匀混合，旋涂于干净的玻璃基片表面，干燥24h形成薄膜；

3、用半导体泵浦固体激光器产生的短波段激光（500nm）照射薄膜固化处理后的玻璃基片，光控染料（偶氮染料甲基红）在光照下发生顺反异构，完成光取向；

4、将液晶与荧光发射范围为550nm的激光染料（DCM染料）超声混合形成掺染料液晶混合溶液，激光染料在染料掺杂液晶混合溶液中占比0.5wt%，旋涂于光取向处理后的玻璃基片表面，形成随机激光器；

5、用半导体泵浦固体激光器产生的长波段激光（800nm）照射激光器表面，DCM染料分子发生多光子吸收，通过受激发射产生随机激光。

实施例3：

1、将切割好的玻璃基片（20mm*15mm）经过丙酮，乙醇，去离子水超声波清洗20分钟并烘干；

2、在85℃条件下，配置表面聚合材料（聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）和光控染料（偶氮染料甲基红）的饱和水溶液，按重量比5:50的均匀混合，旋涂于干净的玻璃基片表面，干燥24h形成薄膜；

3、用半导体泵浦固体激光器产生的短波段激光（550nm）照射薄膜固化处理后的玻璃基片，光控染料（偶氮染料甲基红）在光照下发生顺反异构，完成光取向；

4、将液晶与荧光发射范围为700nm的激光染料（罗丹明6G染料）超声混合形成掺染料液晶混合溶液，激光染料在染料掺杂液晶混合溶液中占比2wt%，旋涂于光取向处理后的玻璃基片表面，形成随机激光器；

5、用半导体泵浦固体激光器产生的长波段激光（1300nm）照射激光器表面，罗丹明6G染料分子发生多光子吸收，通过受激发射产生随机激光。