Laser ciekłokrystaliczny - Liquid-crystal laser
Lasera ciekłokrystalicznego jest laserowe , które wykorzystuje się ciekły kryształ jako wgłębienia rezonatora , umożliwiając wybór długości fali emisji i polaryzacji z aktywnego czynnika laserowego . Medium laserowe jest zwykle barwnikiem domieszkowanym w ciekłym krysztale. Lasery ciekłokrystaliczne są porównywalne pod względem wielkości z laserami diodowymi , ale zapewniają ciągłą regulację szerokiego spektrum laserów barwnikowych przy zachowaniu dużego obszaru koherencji . Zakres strojenia wynosi zwykle kilkadziesiąt nanometrów . Samoorganizacja w skali mikrometrycznej zmniejsza złożoność produkcji w porównaniu do stosowania warstwowych metamateriałów fotonicznych . Praca może odbywać się w trybie fali ciągłej lub w trybie pulsacyjnym .
Historia
Rozproszony laser ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystujący odbicie Bragga struktury okresowej zamiast zewnętrznych zwierciadeł został po raz pierwszy zaproponowany w 1971 r., Przewidywany teoretycznie z cholesterycznymi ciekłymi kryształami w 1978 r., Osiągnięty eksperymentalnie w 1980 r. I wyjaśniony w kategoriach fotonicznej przerwy wzbronionej w 1998 r. Patent Stanów Zjednoczonych wydany w 1973 r. opisał laser ciekłokrystaliczny, w którym zastosowano „ciekły środek laserowy mający wewnętrzne rozproszone sprzężenie zwrotne dzięki strukturze molekularnej cholesterycznego materiału ciekłokrystalicznego”.
Mechanizm
Zaczynając od ciekłego kryształu w fazie nematycznej, żądany skok spiralny (odległość wzdłuż osi helikalnej dla jednego pełnego obrotu podjednostek płaszczyzny nematycznej) można osiągnąć przez domieszkowanie ciekłego kryształu cząsteczką chiralną. W przypadku światła spolaryzowanego kołowo z tą samą ręką, ta regularna modulacja współczynnika załamania daje selektywne odbicie długości fali określonej przez skok helikalny, dzięki czemu laser ciekłokrystaliczny może służyć jako własna wnęka rezonatora. Kryształy fotoniczne są podatne na metody teorii pasmowej, przy czym okresowa struktura dielektryczna odgrywa rolę okresowego potencjału elektrycznego i fotonicznej przerwy wzbronionej (karb odbicia) odpowiadającej zabronionym częstotliwościom. Niższa prędkość grup fotonów i większa gęstość stanów w pobliżu pasma wzbronionego fotonicznego tłumią emisję spontaniczną i wzmacniają emisję wymuszoną, zapewniając korzystne warunki do laserowania. Jeśli elektroniczna krawędź pasma wpadnie w pasmo wzbronione fotoniczne, rekombinacja elektron-dziura jest ściśle stłumiona. Pozwala to na urządzenia o wysokiej wydajności lasera, niskim progu laserowania i stabilnej częstotliwości, w których laser ciekłokrystaliczny działa własnym falowodem. „Kolosalną” nieliniową zmianę współczynnika załamania światła można uzyskać w domieszkowanych ciekłych kryształach fazy nematycznej, to znaczy współczynnik załamania może zmieniać się wraz z natężeniem oświetlenia z szybkością około 10 3 cm 2 / W natężenia oświetlenia. Większość systemów wykorzystuje laser do pompowania półprzewodników w celu uzyskania inwersji populacji , chociaż możliwe są lampy błyskowe i elektryczne systemy pompujące.
Dostrojenie wyjściowej długości fali uzyskuje się poprzez płynną zmianę skoku spirali: wraz ze zmianą uzwojenia zmienia się skala długości kryształu. To z kolei przesuwa krawędź pasma i zmienia długość ścieżki optycznej w jamie lasera. Przyłożenie statycznego pola elektrycznego prostopadłego do momentu dipolowego lokalnej fazy nematycznej powoduje obrót podjednostek pręcikowych w płaszczyźnie heksagonalnej i zmianę kolejności fazy chiralnej, zwijając lub rozwijając skok spiralny. Podobnie, optyczne dostrojenie wyjściowej długości fali jest możliwe przy użyciu światła laserowego z dala od częstotliwości odbioru medium wzmacniającego, przy czym stopień rotacji zależy od intensywności i kąta między polaryzacją padającego światła a momentem dipolowym. Reorientacja jest stabilna i odwracalna. Skok chiralny fazy cholesterycznej ma tendencję do odprężania się wraz ze wzrostem temperatury, z przejściem nieporządku do fazy nematycznej o wyższej symetrii na wyższym końcu. Stosując gradient temperatury prostopadły do kierunku emisji zmieniający lokalizację stymulacji, można wybrać częstotliwość w zakresie ciągłego widma. Podobnie, quasi-ciągły gradient domieszkowania daje wiele linii laserowych z różnych miejsc na tej samej próbce. Przestrzenne dostrojenie można również przeprowadzić za pomocą komórki klinowej. Warunki brzegowe węższej komórki ściskają spiralny skok, wymagając określonej orientacji na krawędzi, z dyskretnymi skokami, w których zewnętrzne komórki obracają się do następnej stabilnej orientacji; wahania częstotliwości między skokami są ciągłe.
Jeżeli defekt zostanie wprowadzony do ciekłego kryształu, aby zakłócić okresowość, pojedynczy dozwolony mod może zostać utworzony wewnątrz pasma wzbronionego fotonicznego, zmniejszając wysysanie mocy przez spontaniczną emisję na sąsiednich częstotliwościach. Laserowanie w trybie defektu zostało po raz pierwszy przewidziane w 1987 roku i zademonstrowane w 2003 roku.
Podczas gdy większość takich cienkich warstw lazuruje wzdłuż osi normalnej do powierzchni folii, niektóre będą lazować pod kątem stożkowym wokół tej osi.
Aplikacje
- Detekcja biomedyczna: mały rozmiar, niski koszt i niskie zużycie energii oferują szereg korzyści w zastosowaniach biomedycznych. Potencjalnie lasery ciekłokrystaliczne mogłyby stanowić podstawę dla urządzeń „laboratorium na chipie”, które zapewniają natychmiastowe odczyty bez wysyłania próbki do oddzielnego laboratorium.
- Medycyna: niska emisja ogranicza procedury medyczne, takie jak cięcie podczas operacji , ale lasery ciekłokrystaliczne mają potencjał do wykorzystania w technikach mikroskopowych i technikach in vivo , takich jak terapia fotodynamiczna .
- Ekrany wyświetlaczy: wyświetlacze ciekłokrystaliczne na bazie lasera oferują większość zalet standardowych wyświetlaczy ciekłokrystalicznych, ale niskie rozproszenie widma zapewnia bardziej precyzyjną kontrolę nad kolorem. Poszczególne elementy są na tyle małe, że działają jak pojedyncze piksele, zachowując jednocześnie wysoką jasność i definicję kolorów. System, w którym każdy piksel jest pojedynczym urządzeniem dostrojonym przestrzennie, mógłby uniknąć czasami długich czasów relaksacji strojenia dynamicznego i mógłby emitować dowolny kolor przy użyciu adresowania przestrzennego i tego samego monochromatycznego źródła pompującego.
- Wykrywanie otoczenia: używając materiału o skoku spiralnym, bardzo wrażliwego na temperaturę, pole elektryczne, pole magnetyczne lub naprężenia mechaniczne, przesunięcie koloru lasera wyjściowego zapewnia prosty, bezpośredni pomiar warunków środowiskowych.
Bibliografia
Bibliografia
- Woltman, Scott J .; Crawford, Gregory Philip; Jay, Gregory D. (2007). Ciekłe kryształy: granice w zastosowaniach biomedycznych . World Scientific. ISBN 978-981-270-545-7 .
Dalsza lektura
- Coles, Harry; Stephen Morris (2010). „Lasery ciekłokrystaliczne”. Nature Photonics . 4 (10): 676–685. Bibcode : 2010NaPho ... 4..676C . doi : 10.1038 / nphoton.2010.184 .
- Joannopoulos, John D .; Johnson, Steven G .; Winn, Joshua N .; Meade, Robert D. (2008). Kryształy fotoniczne: formowanie przepływu światła . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12456-8 . Źródło 2011-04-10 . CS1 maint: zniechęcony parametr ( link )