發(fā)光材料光學(xué)性質(zhì)及其在膽固醇液晶中的激光研究.pdf

1、激光器是利用受激輻射原理使從被激發(fā)的物質(zhì)中發(fā)射出來的光放大和諧振而產(chǎn)生激光的器件。從激光器于1960年的誕生到今天現(xiàn)今，已經(jīng)成功研究和開發(fā)出了各種不同的激光器，包括半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、脈沖激光器等，這些激光器已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛使用。隨著集成光學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越需要微型激光器，上述的傳統(tǒng)激光器都因體積大而不能滿足集成光學(xué)發(fā)展的需要，因此近年來微型激光得到了廣泛的研究。到目前為止，微型激光腔主要有兩種：分布式反饋激光

2、；基于法布里-珀羅腔的激光。不管哪種，目前都是采用鍍膜方式，而鍍膜方式的工藝極其復(fù)雜，成本也非常高。
　　近年來，研究發(fā)現(xiàn)通過在膽固醇液晶中摻雜激光發(fā)光材料也可以獲得激光輸出。由于膽固醇液晶自身具有螺旋結(jié)構(gòu)并形成光子反射帶，因此制備非常簡單，只需將手型分子材料摻雜于液晶分子中就可以得到膽固醇液晶，且因?yàn)橐壕Х浅１阋耍虼顺杀疽卜浅５?。因此近年來得到了廣泛的研究。在膽固醇液晶中，液晶分子沿螺旋軸螺旋排列，由于液晶是一種高雙折射介質(zhì)，

3、液晶分子在膽固醇液晶中這種周期性的螺旋排列使得其對(duì)入射光的折射率也呈周期性變化，因而形成一個(gè)布拉格的發(fā)射帶隙，相當(dāng)于一維光子晶體。其光子帶隙的中心波長λ0和帶寬Δλ分別由λ0=p和Δλ=Δn·p決定，其中、Δn和p分別代表平均折射率、液晶的雙折射率和螺距。但是膽固醇液晶反射帶特殊之處在于100％的反射圓偏振光，即只有與膽固醇液晶的螺距旋轉(zhuǎn)方向相同的圓偏振光在其帶隙內(nèi)被反射，而螺距旋轉(zhuǎn)方向相反的則被透射?；诠庾訋兜奶攸c(diǎn)，在

4、膽固醇液晶中摻雜一些發(fā)光效率很高的活性介質(zhì)（如激光染料），在激勵(lì)光的照射下，染料吸收能量后產(chǎn)生的熒光會(huì)在反射帶內(nèi)進(jìn)行來回反射。由于在光子帶邊緣的群速度的突變和高的態(tài)密度，當(dāng)反射光達(dá)到激光閾值的條件時(shí)便會(huì)從反射帶內(nèi)輸出，產(chǎn)生激光，因此膽固醇液晶可以看做是一個(gè)無反射鏡的反饋激光腔。與上述的兩種微型激光器相比，膽固醇液晶具有制作工藝簡單、操作靈活和良好的調(diào)節(jié)能力等優(yōu)點(diǎn)。膽固醇液晶可以通過在向列相液晶中摻雜一定濃度的手性分子而得到，而且其反射帶

5、的帶寬和中心波長容易通過外界因素，如手性分子濃度、溫度、電磁場、光照和壓力等改變，因而近年來吸引了廣泛的研究興趣。然而到目前為止，膽固醇液晶激光的效率還很低，尤其因?yàn)槟壳鞍l(fā)光材料采用的是激光染料，其光化穩(wěn)定性差，壽命短。這些問題使得膽固醇液晶無法應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中。為了能將膽固醇液晶激光最終應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中去，我們必須提高膽固醇液晶激光效率，特別要提高膽固醇液晶激光的光化穩(wěn)定性和壽命。
　　本研究為了提高膽固醇液晶激光效率，光化穩(wěn)定

6、性及其壽命，本論文首先研究了液晶盒的厚度對(duì)染料摻雜的膽固醇液晶的激光效率的影響，同時(shí)研究了光化穩(wěn)定性好的納米量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)，以期最終能用發(fā)光效率高的納米量子點(diǎn)取代目前的激光燃料改善膽固醇液晶激光的光化穩(wěn)定和壽命。具體研究內(nèi)容主要包括以下三個(gè)方面：⑴研究了液晶盒的厚度對(duì)染料摻雜的膽固醇液晶中的激光效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)液晶盒的厚度很薄的時(shí)候，液晶盒厚度的增加會(huì)使得膽固醇液晶激光效率急劇增大，而當(dāng)液晶盒厚度增大到一定程度以后，雖然激

7、光效率仍然會(huì)隨著液晶盒厚度的增加而增大，但是增加倍數(shù)則會(huì)大大降低，比如當(dāng)液晶盒從5μm增加到10μm時(shí)，激光效率增強(qiáng)了63倍左右，而當(dāng)液晶盒厚度從10μm增加到15μm時(shí)，激光效率只增加了3.5倍左右。本文對(duì)這一現(xiàn)象的物理機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析。⑵研究了不同尺寸的量子點(diǎn)CdSe/ZnS的溶液濃度對(duì)其熒光的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同尺寸的CdSe/ZnS在不同濃度(0.8μmol/L～8μmol/L)下的吸收光譜和熒光光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同尺寸

8、量子點(diǎn)的熒光性質(zhì)受其溶液濃度的影響是不一樣的。尺寸較小(≤4.0nm)的量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度均隨著量子點(diǎn)濃度的增加而增強(qiáng)，而尺寸較大(＞4nm)的量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度則是隨著量子點(diǎn)濃度的增大先增強(qiáng)后減弱，其發(fā)光的最佳濃度1.3μmol/L。本文對(duì)其現(xiàn)象和物理機(jī)制進(jìn)行了分析。⑶研究了己基噻吩的摻雜量對(duì)量子點(diǎn)CdSe/ZnS的發(fā)光性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了己基噻吩與不同尺寸量子點(diǎn)配比分別為1∶1、1∶2、1∶4和1∶8的吸收光譜和熒光光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，