宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件及其制备方法

摘要

本发明公开了一种宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件及其制备方法，利用聚合稳定胆甾相液晶作为主体结构掺杂激光染料，在光泵浦下实现光放大出射激光，并利用聚合稳定胆甾相液晶的直流电场响应实现对出射激光波长的调控。解决了传统固体激光器波长不可调的问题，这而且这种调控具有连续性调控范围宽，制作方法简单，性能稳定，特别是能够实现小型化，薄膜厚度目前是微米级别。

权利要求

1.宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：包括有上下相对的两个ITO玻璃基板，以及位于两个ITO玻璃基板之间的掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层，两个ITO玻璃基板彼此相对的内表面分别设有透明导电层即ITO层，在泵浦源泵浦下，通过激光染料PM597吸收能量并利用聚合物稳定胆甾相液晶层实现光放大，从而出射激光；

所述的掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层由负性向列相液晶HNG715500-

000、手性剂R6N、液晶单体RM257、光引发剂BME、激光染料PM597组成；

所述的掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层中各组分按所述负性向列相液晶HNG715500-000：所述手性剂R6N：所述液晶单体RM257：所述光引发剂BME：所述激光染料PM597=100：3.3-3.7：6-7：1：0.5-1.0的重量比例配置而成。

2.根据权利要求1所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述泵浦源为掺钕钇铝石榴石脉冲激光器。

3.如权利要求1所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、配置激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶混合溶液：

以负性向列相液晶HNG715500-000：手性剂R6N：液晶单体RM257：光引发剂BME：激光染料PM597为100：3.3-3.7：6-7：1：0.5-1.0的比例称取各物质，待其溶解均匀，即得所用的液晶混合溶液；

(2)、制作液晶盒，过程如下：

a)将质量分数分别为1-4mg/ml的取向材料PI充分溶解于氯仿中，制成混合液；

b)在旋涂仪上以800r/6s或3000r/30s的转速将所得混合液旋涂于ITO玻璃基板表面获得一层膜，烘干后用毛刷沿45度方向摩擦形成斜向取向层，制作好两片ITO玻璃基板；

c)再在两ITO玻璃基板边缘涂混有36μm间隔子的紫外固化胶，并在ITO玻璃基板两端留有灌晶口；

d)将两片ITO玻璃基板粘好，置于紫外灯下固化1min，制得液晶盒；

(3)、制作液晶激光器件：

将步骤(1)中配制的激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶混合溶液在常温利用毛细作用灌入步骤(2)制得的液晶盒中，封好灌晶口，形成36μm厚的相对均匀的液晶混合溶液薄膜；将灌好的液晶盒两端施加150V、1KHz的交流电场，在加电的状态下让其暴露于光强为25mw/cm2的紫外光中，使单体发生聚合，形成网络结构，即获得均匀封装好的激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶薄膜；

(4)、搭建光路：

在激光器的激光出射方位，加上格兰泰勒棱镜组来调节激光的强度，后面再加上光衰减器进一步控制激光的强度，再用一个焦距为10cm的凸透镜将激光光束汇聚到步骤(3)所制备的样品上，用光谱仪对出射的激光进行检测。

说明书

宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及液晶激光器件领域，具体是宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件及其制备方法。

背景技术

[0002] 手性剂与向列相液晶相混合，在手性剂的作用下液晶分子会组装成胆甾相，基于胆甾相液晶的特殊结构，可视其为一种光子带隙材料，光子带隙的存在使得胆甾相液晶能够反射特殊波段的光，如果能调控光子带隙的位置即能使其显示不同的颜色。而光子带隙的存在能调制该体系的光子态密度分布，使得态密度会在光子带隙的边缘堆积，从而在带隙边缘容易形成较高的能量堆积，易实现光放大。

[0003] 聚合物稳定胆甾相液晶是在胆甾相液晶体系中掺入活性分子，如RM257这样具有可聚合末端的类似液晶的分子，这类活性分子能溶解于胆甾相液晶中，在光以及引发剂的诱导下会发生聚合反应，形成聚合物网络，而这种聚合物网络结构中由于含有大量的酯基、醚基，它们属于阳离子吸附基团，会给聚合物网络提供大量正性离子吸附位点，吸附正性离子的聚合物网络会对直流电场有响应，使得它在靠近电场正极位置会出现网络的拉伸，而在电场负极位置会出现网络的压缩，而网络的形变会影响到胆甾相液晶的螺距分布，使得靠近正极位置的螺距被拉大，而靠近负极位置的螺距被压缩变小，于是该体系的光子带隙会受到直流电场的调制，从而使体系在不同直流电场下会反射显示不同的颜色。反射不同的颜色正反应了该体系光子带隙的改变，而光子带隙的改变会影响到体系的能量分布，从而可以利用该体系进行激光的调控。

[0004] 将激光染料掺杂于胆甾相液晶中，有机激光染料亦可以溶解于液晶之中，而激光染料依靠胆甾相液晶的特殊结构，在泵浦激光激发下，会在胆甾相液晶光子带隙边缘出射激光，正是由于光子带隙结构的调制作用使得其激光出射位置稳定在带隙边缘。而基于聚合稳定胆甾相液晶的直流电场响应，光子带隙会随着施加的直流电场改变而改变，因而可以利用染料掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶实现带边激光的调控。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件及其制备方法，基于传统固体激光器的波长不可调特性，利用该器件实现对激光波长的宽范围连续调控。

[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

[0007] 宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：包括有上下相对的两个ITO玻璃基板，以及位于两个ITO玻璃基板之间的掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层，两个ITO玻璃基板彼此相对的内表面分别设有透明导电层即ITO层，在泵浦源泵浦下，通过激光染料PM597吸收能量并利用聚合物稳定胆甾相液晶层实现光放大，从而出射激光。

[0008] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述泵浦源为掺钕钇铝石榴石脉冲激光器。

[0009] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述的掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层由负性向列相液晶、手性剂、液晶单体、光引发剂、激光染料PM597组成，其中各组分按负性向列相液晶：手性剂：液晶单体：光引发剂：激光染料=100：3.3-3.7：6-7：1：0.5-1.0的重量比例配置而成。

[0010] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述的液晶为负性向列相液晶HNG715500-000。

[0011] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述的手性剂为手性剂R6N。

[0012] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述的液晶单体为液晶单体RM257。

[0013] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，其特征在于：所述的光引发剂为光引发剂BME。

[0014] 所述的宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0015] （1）、配置激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶混合溶液：

[0016] 以负性向列相液晶HNG715500-000：手性剂R6N：液晶单体RM257：光引发剂BME：激光染料PM597为100：3.3-3.7：6-7：1：0.5-1.0的比例称取各物质，待其溶解均匀，即得所用的液晶混合溶液；

[0017] （2）、制作液晶盒，过程如下：

[0018] a）将质量分数分别为1-4mg/ml的取向材料PI充分溶解于氯仿中，制成混合液；

[0019] b）在旋涂仪上以800r/6s或3000r/30s的转速将所得混合液旋涂于ITO玻璃基板表面获得一层膜，烘干后用毛刷沿45度方向摩擦形成斜向取向层，制作好两片ITO玻璃基板；

[0020] c）再在两ITO玻璃基板边缘涂混有36µm间隔子的紫外固化胶，并在ITO玻璃基板两端留有灌晶口；

[0021] d）将两片ITO玻璃基板粘好，置于紫外灯下固化1min，制得液晶盒；

[0022] （3）、制作液晶激光器件：

[0023] 将步骤（1）中配制的激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶混合溶液在常温下利用毛细作用灌入步骤（2）制得的液晶盒中，封好灌晶口，形成36µm厚的相对均匀的液晶混合溶液薄膜；将灌好的液晶盒两端施加150V、1KHz的交流电场，在加电的状态下让其暴露于光强为25mw/cm2的紫外光中，使单体发生聚合，形成网络结构，即获得均匀封装好的激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶薄膜；

[0024] （4）、搭建光路：

[0025] 在激光器的激光出射方位，加上格兰泰勒棱镜组来调节激光的强度，后面再加上光衰减器进一步控制激光的强度，再用一个焦距为10cm的凸透镜将激光光束汇聚到步骤（3）所制备的样品上，用光谱仪对出射的激光进行检测。

[0026] 本发明的原理是：

[0027] 利用聚合物稳定胆甾相液晶的直流电场响应，实现对该体系的螺距分布调控，从而调控其光子带隙的宽度和位置，而光子带隙能调制体系的能量分布，当体系掺杂的激光染料在泵浦光激发下，在带隙边缘光子态密度被增强，自发辐射被增强，有较高的能量堆积，更易实现光放大，从而激光会从光子带隙的边缘出射，而直流电场对聚合物稳定胆甾相液晶的光子带隙有调制作用，使得光子带隙的边缘发生移动，从而实现对出射激光波长的调控。

[0028] 本发明的优点是：

[0029] 本发明利用聚合物网络的稳定特性以及其直流电场的响应实现利用直流电场对该体系出射的带边液晶激光的调控。由于所需的是直流电场不需要切换频率以及利用很低的驱动电压就可以实现大波长范围的调控，驱动电压低于36V，属于人类安全电压范围内，而调控范围为560nm-670nm覆盖绿黄红等光谱范围。

[0030] 本发明利用聚合物网络的直流电场响应实现调控，这种调控具有连续性，通过施加不同的直流驱动电场可以实现在调控范围内波长的连续变化，而且调控可回复。

[0031] 本发明利用聚合物稳定胆甾相液晶的特殊结构实现光放大，与传统激光相比，该结构不需要额外的谐振腔，因而更加易于实现小型化，利用微米级别的薄层实现了光放大以及激光波长的调制，制备工艺也相对简单，相比传统激光器大大降低了生产成本。

[0032] 本发明利用的是电调控，相比光调控有更好的稳定性以及更快的响应速度，而且电能方便获取，便于维修和更换，节能环保。

附图说明

[0033] 图1为聚合物稳定胆甾相液晶网络形成过程图。

[0034] 图2光路构建图，图中各标号为：图2中：1、YAG泵浦激光器，2、格兰棱镜组，3、光衰减器，4、凸透镜（10cm），5、液晶体系，6、光谱仪探头及固定支架，7、连接光纤，8、光谱仪，9、电脑。

[0035] 图3不同驱动电压下获得的激光光谱对比。

[0036] 图4撤电与加电两个过程中电压与激光峰值对应波长的图谱。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0038] 如图1所示，宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件，包括有上下相对的两个ITO玻璃基板，以及位于两个ITO玻璃基板之间的掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层，两个ITO玻璃基板彼此相对的内表面分别设有透明导电层即ITO层，在泵浦源泵浦下，通过激光染料PM597吸收能量并利用聚合物稳定胆甾相液晶层实现光放大，从而出射激光。

[0039] 泵浦源为掺钕钇铝石榴石脉冲激光器。

[0040] 掺有激光染料PM597的聚合物稳定胆甾相液晶层由负性向列相液晶、手性剂、液晶单体、光引发剂、激光染料PM597组成，其中各组分按负性向列相液晶：手性剂：液晶单体：光引发剂：激光染料=100：3.3-3.7：6-7：1：0.5-1.0的重量比例配置而成。

[0041] 液晶为负性向列相液晶HNG715500-000。

[0042] 手性剂为手性剂R6N。

[0043] 液晶单体为液晶单体RM257。

[0044] 光引发剂为光引发剂BME。

[0045] 一种宽范围连续可调的电控光泵浦液晶激光器件的制备方法，包括以下步骤：

[0046]  （1）、配置激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶混合溶液：

[0047] 以负性向列相液晶HNG715500-000：手性剂R6N：液晶单体RM257：光引发剂BME：激光染料PM597为100：3.3-3.7：6-7：1：0.5-1.0的比例称取各物质，待其溶解均匀，即得所用的液晶混合溶液；

[0048] （2）、制作液晶盒，过程如下：

[0049] a）将质量分数分别为1-4mg/ml的取向材料PI充分溶解于氯仿中，制成混合液；

[0050] b）在旋涂仪上以800r/6s或3000r/30s的转速将所得混合液旋涂于ITO玻璃基板表面获得一层膜，烘干后用毛刷沿45度方向摩擦形成斜向取向层，制作好两片ITO玻璃基板；

[0051] c）再在两ITO玻璃基板边缘涂混有36µm间隔子的紫外固化胶，并在ITO玻璃基板两端留有灌晶口；

[0052] d）将两片ITO玻璃基板粘好，置于紫外灯下固化1min，制得液晶盒；

[0053]  （3）、制作液晶激光器件：

[0054] 将步骤（1）中配制的激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶混合溶液在常温下利用毛细作用灌入步骤（2）制得的液晶盒中，封好灌晶口，形成36µm厚的相对均匀的液晶混合溶液薄膜；将灌好的液晶盒两端施加150V、1KHZ的交流电场，在加电的状态下让其暴露于光强为0.8mw/cm2的紫外光中，使单体发生聚合，形成网络结构，即获得均匀封装好的激光染料PM597掺杂的聚合物稳定胆甾相液晶薄膜；

[0055] （4）、搭建光路：

[0056] 如图2所示，在激光器的激光出射方位，加上格兰泰勒棱镜组2来调节激光的强度，后面再加上光衰减器3进一步控制激光的强度，再用一个焦距为10cm的凸透镜4将激光光束汇聚到步骤（3）所制备的样品上，用光谱仪8对出射的激光进行检测。

[0057] 如图3所示，本发明利用聚合物网络的稳定特性以及其直流电场的响应实现利用直流电场对该体系出射的带边液晶激光的调控。由于所需的是直流电场不需要切换频率以及利用很低的驱动电压就可以实现大波长范围的调控，驱动电压低于36V，属于人类安全电压范围内，而调控范围为560nm-670nm覆盖绿黄红等光谱范围。

[0058] 如图4所示，本发明利用聚合物网络的直流电场响应实现调控，这种调控具有连续性，通过施加不同的直流驱动电场可以实现在调控范围内波长的连续变化，而且调控可回复。