Sıvı kristal lazer - Liquid-crystal laser

Bir sıvı kristal lazer bir lazer kullanan likit kristal olarak rezonatör boşluğu, emisyon dalgaboyu seçimine izin verir ve polarizasyon -den aktif lazer ortamı. Lasing ortamı genellikle bir boya sıvı kristale katkılı. Sıvı kristal lazerler boyut olarak karşılaştırılabilir diyot lazerler, ancak sürekli geniş spektrumlu ayarlanabilirliği sağlar boya lazerleri büyük bir tutarlılık alanı. Ayar aralığı tipik olarak birkaç on nanometre.[1] Kendi kendine organizasyon mikrometre ölçeklerinde, katmanlı kullanıma kıyasla üretim karmaşıklığını azaltır fotonik metamalzemeler. Operasyon içinde olabilir sürekli dalga modu veya içinde darbeli mod.[2]

Tarih

Kullanılarak dağıtılmış geri bildirim lasing Bragg yansıması harici yerine periyodik bir yapının aynalar ilk olarak 1971'de önerildi,[3] teorik olarak tahmin edildi kolesterik 1978'de sıvı kristaller,[4] 1980'de deneysel olarak elde edildi,[5] ve bir fotonik olarak açıklandı bant aralığı 1998 yılında.[6][7][8]Bir Birleşik Devletler Patenti 1973 yılında yayınlanan bir sıvı kristal lazer "bir kolesterik sıvı kristal malzemenin moleküler yapısı sayesinde dahili dağıtılmış geri beslemeye sahip bir sıvı lazer ortamı" kullanan bir sıvı kristal lazer açıkladı.[9]

Mekanizma

Nematik fazda bir sıvı kristal ile başlayarak, istenen sarmal adım (nematik düzlem alt birimlerinin bir tam dönüşü için sarmal eksen boyunca mesafe) sıvı kristalin kiral bir molekülle katkılanmasıyla elde edilebilir.[8] Aynı elleçleme ile dairesel olarak polarize edilmiş ışık için, kırılma indisinin bu düzenli modülasyonu, sıvı kristal lazerin kendi rezonatör boşluğu olarak hizmet etmesine izin vererek, sarmal adım tarafından verilen dalga boyunun seçici yansımasını sağlar. Fotonik kristaller uygun bant teorisi periyodik elektrik potansiyeli rolünü oynayan periyodik dielektrik yapı ve yasak frekanslara karşılık gelen bir fotonik bant aralığı (yansıma çentiği) ile yöntemler. Daha düşük foton grubu hızı ve daha yüksek durumların yoğunluğu fotonik band aralığı yakınında kendiliğinden emisyon ve geliştirir uyarılmış emisyon, lasing için uygun koşullar sağlama.[7][10] Elektronik bant kenarı fotonik bant aralığına düşerse, elektron deliği rekombinasyonu kesinlikle bastırılır.[11] Bu, yüksek lazer etkinliğine sahip cihazlara izin verir, düşük lasing eşiği ve sıvı kristal lazerin kendi dalga kılavuzunu hareket ettirdiği sabit frekans. "Devasa" doğrusal olmayan kırılma indisinde değişiklik, katkılı nematik fazlı sıvı kristallerde elde edilebilir, yani kırılma indisi aydınlatma yoğunluğuyla yaklaşık 10 oranında değişebilir.3santimetre2/ W aydınlatma yoğunluğu.[12][13][14] Çoğu sistem yarı iletken kullanır lazer pompalama başarmak nüfus dönüşümü yine de flaş lambası ve elektrikli pompalama sistemleri mümkündür.[15]

Çıkış dalga boyunun ayarlanması, sarmal adımın düzgün bir şekilde değiştirilmesiyle elde edilir: sargı değiştikçe, kristalin uzunluk ölçeği de değişir. Bu, sırayla bant kenarını kaydırır ve lazerleme boşluğundaki optik yol uzunluğunu değiştirir. Lokal nematik fazın dipol momentine dik bir statik elektrik alanı uygulamak, altıgen düzlemde çubuk benzeri alt birimleri döndürür ve sarmal adımı sararak veya çözerek kiral fazı yeniden düzenler.[16] Benzer şekilde, çıkış dalga boyunun optik olarak ayarlanması, kazanç ortamının toplama frekansından uzakta lazer ışığı kullanılarak, yoğunluğa ve gelen ışığın polarizasyonu ile dipol momenti arasındaki açıya göre yönetilen dönme derecesiyle mümkündür.[17][18][19] Yeniden yönlendirme sabit ve tersine çevrilebilir. Bir kolesterik fazın kiral perdesi, artan sıcaklıkla gevşeme eğilimindedir. düzensizlik düzeni geçişi yüksek uçtaki daha yüksek simetri nematik fazına.[5][20][21][22] Uyarımın yerini değiştiren emisyon yönüne dik bir sıcaklık gradyanı uygulayarak, frekans sürekli bir spektrumda seçilebilir.[23] Benzer şekilde, yarı sürekli bir doping gradyanı, aynı numune üzerinde farklı konumlardan çok sayıda lazer çizgisi verir.[15] Uzamsal ayarlama, bir kama hücresi kullanılarak da gerçekleştirilebilir. Daha dar hücrenin sınır koşulları, dış hücrelerin bir sonraki kararlı yöne döndüğü ayrı sıçramalarla, kenarda belirli bir yönelim gerektirerek sarmal perdeyi sıkıştırır; atlamalar arasındaki frekans değişimi süreklidir.[24]

Periyodikliği bozmak için sıvı kristale bir kusur sokulursa, fotonik bant aralığının içinde, bitişik frekanslarda kendiliğinden emisyonla güç sızmasını azaltan tek bir izin verilen mod yaratılabilir. Defect mode lasing ilk olarak 1987'de öngörülmüş ve 2003'te gösterilmişti.[11][25][26]

Bu tür ince filmlerin çoğu, eksen üzerinde filmin yüzeyine dik olarak dizilirken, bazıları bu eksen etrafında konik bir açı yapacak.[27]

Başvurular

  • Biyomedikal algılama: küçük boyut, düşük maliyet ve düşük güç tüketimi, biyomedikal algılama uygulamalarında çeşitli avantajlar sunar. Potansiyel olarak, sıvı kristal lazerler, bir numuneyi ayrı bir laboratuvara göndermeden anında okumalar sağlayan "çip üzerinde laboratuar" cihazlarının temelini oluşturabilir.[28]
  • Tıbbi: düşük emisyon gücü, kesme sırasında kesme gibi tıbbi prosedürleri sınırlar. ameliyatlar, ancak sıvı kristal lazerler, mikroskopi teknikler ve in vivo gibi teknikler fotodinamik tedavi.[1]
  • Görüntüleme ekranları: Sıvı kristal lazer tabanlı ekranlar, standart sıvı kristal ekranların avantajlarının çoğunu sunar, ancak düşük spektral yayılma, renk üzerinde daha kesin kontrol sağlar. Tek tek öğeler, yüksek parlaklığı ve renk tanımını korurken tek piksel olarak hareket edecek kadar küçüktür. Her pikselin uzamsal olarak ayarlanmış tek bir cihaz olduğu bir sistem, dinamik ayarın bazen uzun gevşeme sürelerini önleyebilir ve uzamsal adresleme ve aynı monokromatik pompalama kaynağını kullanarak herhangi bir rengi yayabilir.[28][29][30]
  • Çevresel algılama: Sıcaklığa, elektrik alanına, manyetik alana veya mekanik zorlanmaya karşı oldukça hassas bir sarmal aralıklı bir malzeme kullanarak, çıktı lazerinin renk kayması, çevre koşullarının basit ve doğrudan bir ölçümünü sağlar.[31]

Referanslar

  1. ^ a b Woltman 2007, s. 357
  2. ^ Jacobs; Cerqua; Marshall; Schmid; Guardalben; Skerrett (1988). "Sıvı kristal lazer optik: tasarım, imalat ve performans". Journal of the Optical Society of America B. 5 (9): 1962. Bibcode:1988JOSAB ... 5.1962J. doi:10.1364 / JOSAB.5.001962.
  3. ^ Kogelnik, H .; ÖZGEÇMİŞ. Shank (1971). "Periyodik bir yapıda uyarılmış emisyon". Uygulamalı Fizik Mektupları. 18 (4): 152. Bibcode:1971 ApPhL..18..152K. doi:10.1063/1.1653605.
  4. ^ Kukhtarev, NV (1978). "Dağıtılmış geri beslemeli kolesterik sıvı kristal lazer". Sovyet Kuantum Elektroniği Dergisi. 8 (6): 774–776. Bibcode:1978QuEle ... 8..774K. doi:10.1070 / QE1978v008n06ABEH010397.
  5. ^ a b Ilchishin, I.P .; E.A. Tikhonov; V.G. Tishchenko; M.T. Shpak (1980). "Safsızlık kolesterik sıvı kristaller tarafından ayarlanabilir bir radyasyonun oluşturulması". Deneysel ve Teorik Fizik Mektupları Dergisi. 32: 24–27. Bibcode:1980JETPL..32 ... 24I.
  6. ^ Woltman 2007, s. 310
  7. ^ a b Kopp, V.I .; B. Fan; H. K. M. Vithana; A.Z. Genack (1998). "Kolesterik sıvı kristallerde bir fotonik durdurma bandının kenarında düşük eşikli lazerleme". Optik Ekspres. 23 (21): 1707–1709. Bibcode:1998OptL ... 23.1707K. doi:10.1364 / OL.23.001707. PMID  18091891.
  8. ^ a b Dolgaleva, Ksenia; Simon K.H. Wei; Svetlana G. Lukishova; Shaw H. Chen; Katie Schwertz; Robert W. Boyd (2008). "Oligofloren boya katkılı kolesterik sıvı kristallerin gelişmiş lazer performansı". Amerika Optik Derneği Dergisi. 25 (9): 1496–1504. Bibcode:2008JOSAB..25.1496D. doi:10.1364 / JOSAB.25.001496.
  9. ^ Lawrence Goldberg ve Joel Schnur Ayarlanabilir dahili geri beslemeli sıvı kristal boya lazeri ABD Patenti 3,771,065 Yayın tarihi: 1973
  10. ^ Kuroda, Keiji; Tsutomu Sawada; Takashi Kuroda; Kenji Watanabe; Kazuaki Sakoda (2009). "Fotonik bant kenar frekanslarında durumların artan foton yoğunluğu nedeniyle iki kat artırılmış spontane emisyon". Optik Ekspres. 17 (15): 13168–13177. Bibcode:2009 İfade 1713168K. doi:10.1364 / OE.17.013168. PMID  19654722.
  11. ^ a b Yablonovich, Eli (1987). "Katı Hal Fiziği ve Elektroniğinde Engellenen Spontane Emisyon". Fiziksel İnceleme Mektupları. 58 (20): 2059–2062. Bibcode:1987PhRvL..58.2059Y. doi:10.1103 / PhysRevLett.58.2059. PMID  10034639.
  12. ^ Lucchetti, L .; M. Di Fabrizio; O. Francescangeli; F. Simoni (2004). "Boya katkılı sıvı kristallerde muazzam optik doğrusal olmama". Optik İletişim. 233 (4–6): 417–424. Bibcode:2004OptCo.233..417L. doi:10.1016 / j.optcom.2004.01.057.
  13. ^ Khoo, I.C. (1995). "Boya ve fulleren C60 katkılı nematik sıvı kristal filmde holografik ızgara oluşumu". Optik Harfler. 20 (20): 2137–2139. Bibcode:1995OptL ... 20.2137K. doi:10.1364 / OL.20.002137. PMID  19862276.
  14. ^ Khoo, Iam-Choo (2007). Sıvı Kristaller. Wiley-Interscience. ISBN  978-0-471-75153-3.
  15. ^ a b Morris, Stephen M .; Philip JW Hands; Sonja Findeisen-Tandel; Robert H. Cole; Timothy D. Wilkinson; Harry J. Coles (2008). "Ekran uygulamalarına yönelik polikromatik sıvı kristal lazer dizileri" (PDF). Optik Ekspres. 16 (23): 18827–37. Bibcode:2008OExpr. 1618827M. doi:10.1364 / OE.16.018827. PMID  19581971.
  16. ^ Maune, Brett; Marko Lončar; Jeremy Witzens; Michael Hochberg; Thomas Baehr-Jones; Demetri Psaltis; Axel Scherer; Yueming Qiu (2004). "Fotonik kristal lazerin sıvı kristal elektrik ayarı" (PDF). Uygulamalı Fizik Mektupları. 85 (3): 360. Bibcode:2004ApPhL..85..360M. doi:10.1063/1.1772869.
  17. ^ Furumi, Seiichi; Shiyoshi Yokoyama; Akira Otomo; Shinro Mashiko (2004). "Kiral sıvı kristal cihazda ışıkla ayarlanabilen fotonik bant aralığı". Uygulamalı Fizik Mektupları. 84 (14): 2491. Bibcode:2004ApPhL..84.2491F. doi:10.1063/1.1699445.
  18. ^ Andy, Fuh; Tsung-Hsien Lin; J.-H. Liu; F.-C. Wu (2004). "Kiral fotonik sıvı kristallerde lazerleme ve ilgili frekans ayarı". Optik Ekspres. 12 (9): 1857–1863. Bibcode:2004OExpr..12.1857F. doi:10.1364 / OPEX.12.001857. PMID  19475016.
  19. ^ Khoo, Iam-Choo; Wu, Shin-Tson (1993). Sıvı kristallerin optiği ve doğrusal olmayan optiği. World Scientific. ISBN  978-981-02-0934-6.
  20. ^ Morris, S.M .; A. D. Ford; M. N. Pivnenko; H. J. Coles (2005). "Sıvı kristal lazerlerden geliştirilmiş emisyon". Uygulamalı Fizik Dergisi. 97 (2): 023103–023103–9. Bibcode:2005JAP .... 97b3103M. doi:10.1063/1.1829144.
  21. ^ Morris, SM; AD Ford; HJ Coles (Temmuz 2009). "Kiral nematik sıvı kristal lazerin emisyon dalga boyundaki kesintili değişimleri ortadan kaldırmak". Uygulamalı Fizik Dergisi. 106 (2): 023112–023112–4. Bibcode:2009JAP ... 106b3112M. doi:10.1063/1.3177251.
  22. ^ Ozaki, M .; M. Kasano; D. Ganzke; W. Haase; K. Yoshino (2002). "Boya katkılı bir ferroelektrik sıvı kristal içinde aynasız lazerleme". Gelişmiş Malzemeler. 14 (4): 306–309. doi:10.1002 / 1521-4095 (20020219) 14: 4 <306 :: AID-ADMA306> 3.0.CO; 2-1.
  23. ^ Huang, Yuhua; Ying Zhou; Shin-Tson Wu (2006). "Boya katkılı fotonik sıvı kristallerde uzaysal olarak ayarlanabilir lazer emisyonu". Uygulamalı Fizik Mektupları. 88 (1): 011107. Bibcode:2006ApPhL..88a1107H. doi:10.1063/1.2161167.
  24. ^ Jeong, Mi-Yun; Hyunhee Choi; J. W. Wu (2008). "Boya katkılı kolesterik sıvı kristal kama hücresinde lazer emisyonunun mekansal ayarı". Uygulamalı Fizik Mektupları. 92 (5): 051108. Bibcode:2008ApPhL..92e1108J. doi:10.1063/1.2841820.
  25. ^ Woltman 2007, s. 332–334
  26. ^ Schmidtke, Jürgen; Werner Stille; Heino Finkelmann (2003). "Boya Katkılı Kolesterik Polimer Ağının Kusur Modu Emisyonu" (PDF). Fiziksel İnceleme Mektupları. 90 (8): 083902. Bibcode:2003PhRvL..90h3902S. doi:10.1103 / PhysRevLett.90.083902. PMID  12633428. Alındı 2011-04-29.
  27. ^ Lee, C.-R .; Lin, S.-H .; Yeh, H.-C .; Ji, T.-D. (7 Aralık 2009). "Çeşitli aralıklara ve bir zift gradyanına sahip boya katkılı kolesterik sıvı kristallere dayalı bantla ayarlanabilir renk konisi lazer emisyonu" (PDF). Optik Ekspres. 17 (25): 22616–23. Bibcode:2009OExpr. 1722616L. doi:10.1364 / oe.17.022616. PMID  20052187.
  28. ^ a b "Sıvı kristal lazerler insan saçı büyüklüğünde". Physorg. Aralık 2005. Alındı 2011-04-09.
  29. ^ "Sıvı kristal lazerler daha ucuz, yüksek renkli çözünürlüklü lazer televizyon vaat ediyor". Physorg. Nisan 2009. Alındı 2011-04-09.
  30. ^ "Lazer Ekranlar: sıvı kristal lazer, düşük üretim maliyetli ekran vaat ediyor". Lazer Odak Dünyası. Ocak 2009. Alındı 2011-04-09.
  31. ^ Palffy-Muhoray, Peter; Wenyi Cao; Michele Moreira; Bahman Taheri; Antonio Munoz (2006). "Sıvı kristal malzemelerde fotonik ve lazerleme". Kraliyet Derneği'nin Felsefi İşlemleri A. 364 (1847): 2747–2761. Bibcode:2006RSPTA.364.2747P. doi:10.1098 / rsta.2006.1851. PMID  16973487.

Kaynakça

  • Woltman, Scott J .; Crawford, Gregory Philip; Jay Gregory D. (2007). Sıvı kristaller: biyomedikal uygulamalarda sınırlar. World Scientific. ISBN  978-981-270-545-7.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar