胆甾相液晶微滴谐振器的激光调谐研究

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回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔因其结构简单、易于制造、品质因子高、模式体积小等许多优点而在诸多领域得到了广泛的研究。其中最为突出的是其在传感领域和微激光器领域中的研究应用。液晶作为一种兼具液体流动性和晶体各向异性的独特材料,其在温度、电场、磁场等许多方面的良好响应使得其在光学研究特别是显示方面的研究中占据了相当重要的地位。液晶所具有的流动性使得其在WGM光学微腔方面的应用成为可能,在液体微滴型WGM微腔的基础上使用液晶微滴制作出的WGM谐振腔可以兼具二者的优点,提供了一种实现结构简单、造价低廉、响应灵敏的微传感器或微激光器的潜在方法。本文以胆甾相液晶作为研究对象,尝试以液晶微滴作为WGM谐振腔并对其受激发射特性进行了研究,验证了染料掺杂胆甾相液晶可以同时激发出两种不同机制的激光,对相应的激光特性进行了温度和电场响应测试,证明了温度和电场可以对两种激光产生调谐作用。具体研究内容如下:(1)利用火焰加热拉锥法所制作出的工具,实现了一种具有良好胆甾相结构的液晶微滴谐振器。通过利用532nm脉冲激光对谐振器进行泵浦成功地同时获得了光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)激光和WGM激光发射并对二者的阈值进行了测量。通过是否添加二聚甘油的对比实验验证了二聚甘油层对胆甾相的促进作用。之后研究了WGM光谱的尺寸依赖和光谱谐振模式,实验结果表明,WGM的自由光谱范围(Free spectral space,FSR)与液晶微滴的尺寸成反比,光谱中的WGM谐振为横磁模(TM模)。最后重点对两种激光的温度响应进行了研究,WGM激光和PBG激光的波长对温度均体现出了比较灵敏的线性响应,由此验证了温度对两种激光的波长的调谐作用。此外,对于一些细节上的问题也进行了研究和探讨。(2)基于温度响应实验进一步研究了电场对激光波长的影响。首先调整了胆甾相液晶的手性剂掺杂浓度以改变两种激光模式的初始波长,从而更好地区分两种激光并减少相互之间的干扰。在这一部分的研究中首先对电场响应作出了理论预期,然后通过实验实际测量了PBG激光和WGM激光的电场响应。所观察到的WGM激光的波长随电场强度变化体现出了与理论预期比较相符的非线性响应。而PBG激光的漂移则随着电场强度增加体现出了整体的线性趋势。由于实验中的PBG激光漂移现象与预期现象的差异,进行了重复实验以验证实验结果的准确性;并在此基础上换用了低折射率液晶以抑制WGM激光从而对单纯的PBG激光进行了实验,其结果证实了PBG激光波长的电场响应确实表现出整体上的线性趋势。这部分的实验结果证明了电场对WGM激光和PBG激光的波长调谐作用。实验结果表明,本文中所提出的胆甾相液晶微滴谐振器可以同时产生两种具有不同产生机理的激光,两种激光波长均会对温度和电场变化产生响应,由此可实现波长调谐。因此这种微型谐振器在微传感器和微激光器等领域具有潜在的应用价值。
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