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1、利用胆甾型反射镜提升CLC激光器的性能Ying Zhou,Yuhua Huang,and Shin-Tson Wu摘要：通过把一个无源胆甾相液晶反射器与有源样品盒相结合，我们从实验上验证了一种高性能的染料掺杂胆甾相液晶（CLC）激光器。保偏CLC反射器有效地增加了分布反馈腔的长度。这又导致了激光发射频率的显著增加和光束发散角的大幅减小。与CLC液晶螺旋方向相同的圆偏振光仍然对激射特性起决定性作用。参考文献：1. V.I.Kopp,Z.Q.Zhang and A. Z. Genack, “Lasing in chiral photonic structures,” Prog.Quantum El
2、ectron.27,369-416(2003).2. S.T.Wu and D. K. Yang,Reflective Liquid Crystal Displays. (Wiley,New York,2001)3. J.P.Dowling,M.Scalora,M.J.Bloemer,and C.M.Bowden,“The photonic band edge laser: A new approach to gain enhancement,” J. Appl. Phys. 75, 1896-1899 (1994).4. V.I.Kopp,B.Fan,H.K.M.Vithana,A.Z.Ge
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5、unamoto,M.Ozaki and K. Yoshino“Flexible mirrorless laser based on a freestanding film of photo polymerized cholesteric liquid crystal,” Appl. Phys.Lett.81,3741-3743 (2002).9. T.Ohta,M.H.Song,Y.Tsunoda,T.Nagata,K.C.Shin,F.Araoka,Y.Takanishi,K.Ishkawa,J.Watanabe,S.Nishimura,T.Toyooka,and H. Takezoe,“M
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8、6-1241(2006).13. S.Furumi,S.Yokoyama,A.Otomo,and S. Mashiko,“Electrical control of the structure and lasing in chiral photonic band-gap liquid crystals,”Appl. Phys.Lett. 82,16-18(2003).14. M.F.Moreira,I.C.S.Carvalho,W.Cao,C.Bailey,B.Taheri,and P.Palffy-Muhoray, “Cholesteric liquidcrystal laser as an
9、 optic fiber-based temperature sensor,”Appl.Phys.Lett.85,2691-2693(2004).15. Y.Huang,Y.Zhou,and S.T.Wu,“Spatially tunable laser emission in dye-doped photonic liquid crystals,”Appl.Phys.Lett.88,011107(2006).16. Chanishvili,G.Chilaya,G.Petriashvili,R.Barberi,R.Bartolino,G.Cipparrone,and A. Mazzulla,
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11、,“Doubling the optical efficiency of a chiral liquid crystal laser using a reflector,”Appl.Phys.Lett.87 231107 (2005).19. Y.Huang,Y.Zhou,Q.Hong,A.Rapaport,M.Bass,and S.T.Wu,“Incident angle and polarization effects on the dye-doped cholesteric liquid crystal laser,”Opt. Commun.261,91-96(2006).1.引言具有光
12、子带隙的材料和器件因其表现出介电常数呈周期性变化的有序结构而引起了理论及应用领域的广泛关注。由于具有光子带隙结构，光子能够被强定域在带隙之中或带隙边缘处，这为获得低阈值激光器，微腔激光器，光二极管和光学放大器提供了一个新的途径1。由于具有自组织的手性结构，胆甾相液晶（CLC）被认为是一种具有研究价值的一维光子晶体。虽然每一种CLC样品盒都具有有限的带宽，但其制作方法却较二维，三维光子晶体简单得多。在胆甾型平面结构（grandjean结构）中，液晶分子被局限在与衬底平行的平面之中，但平面与平面之间则成连续的螺旋结构且螺旋轴与衬底垂直。当线偏振光通过CLC介质时，寻常光与非寻常光的折射率发生交替变
13、化，由于布拉格反射形成了一条偏振依赖反射带。若入射光为圆偏振光，并且旋向与CLC螺旋方向一致，入射光将被反射；而若旋向与CLC螺旋方向相反，则入射光可透射过去2。由于靠近能带边缘处的光子群速度接近于0，这一区域的光子态密度和自发辐射率相应提高，因而理论上已经预测了带隙中的电磁模式将受到抑制，但能带边缘处的电磁模式得到加强3。光子态密度的这一急剧增加为构造低阈值高效率激光器提供了可能性。人们在基于染料掺杂的CLC激光器方面已做了的大量研究工作，其中CLC的螺旋结构对增益介质而言起依赖于偏振的分布式反馈腔的作用。CLC激光器的主要优点为无镜，低阈值，宽波长调谐范围。到现在为止，低阈值激射现象不仅在
14、手性向列相液晶4,5中被证实，并且在铁电液晶6，蓝相液晶7，胆甾型聚合物8,9，胆甾型弹体10以及胆甾型玻璃11中也已经被证实。在以上实验系统中，激射的调谐可以通过对手性剂浓度12、外部电场13、温度14,15、机械应力10及光化学效应16,17的控制来实现。CLC反射带的中心波长和带宽由下式决定：， （1）， （2）式中和表示液晶的平均折射率（）和双折射（），而表示所使用的CLC的固有螺旋长度。在这里，固有螺旋长度定义为液晶指向矢转过的过程中螺旋轴经过的距离。与手性剂的螺旋扭曲力（HTP）和重量百分比c%有如下关系： （3）激射效率和激射光束发散是设计激光器的两个主要关切。它们主要由以下两个
15、因素决定：增益介质和激光腔结构。高的激射效率能够通过使用具有高发射效率的光学增益介质获得。对于同一种光学增益介质，要使激光器效率更高，就需要谐振腔具有更有效的反馈。对CLC激光器而言，液晶层越厚，提供的分布式反馈就越长，并且反馈效率越高。而反馈效率提高，反过来又会提高激光器效率并降低光束发散度。然而，由于液晶样品中大部分区域受到弱锚定力的作用，常规的CLC样品间隙通常被限定在微米级。因此，CLC激光器的激射效率被严格限制，并且腔长如此之短导致激光束的发散度极大。在此，我们将注意力集中在在激光腔的新颖结构，以及如何为光子辐射提供更有效的反馈上。在之前的工作中我们已经成功地证实了在有源（即添加增益
16、介质）CLC样品上并入一个额外的CLC反射镜有助于提高激光的输出功率18。在本文中，我们将一个无源（即不添加增益介质）CLC反射镜与一个掺杂激光染料的CLC样品连接，无源CLC反射镜起偏振保留反射的作用。由于加入这个CLC反射镜，激光器的有效腔长显著增加。总之，加入无源CLC反射镜后激光器的激射效率将会大大提高并且激光束散度明显降低。使用该反射镜的另一优点在于，有源CLC样品厚度越大，加入该无源反射镜后的激射性能越好。由于CLC样品的厚度越小，液晶表面的锚定能越强，因此，厚度较小的CLC样品较厚度较大的CLC样品更易形成无缺陷结构（defect-free morphology）。为证实这一假设，我们对有源CLC样品
