بخشی از مقاله
چکیده
گسیل لیزري در آستانهي پایین انرژي در یک بلور مایع کلستریک آلاییده به رنگینهي لیزري، در لبهي با طولموج بلند گاف فوتونیکی با استفاده از یک بلور مایع نماتیک BL009 با دوشکستی بالاي 0/281 و ترکیبی ازدو رنگینهي لیزري DCM وPM597 موردبررسی قرار میگیرد. در اثر ترکیب دو رنگینهي فوق به نسیت %68 و %32، پهناي بیناب فلئورسان رنگینهي حاصل، افزایشی به میزان %25 نسبت به پهناي مربوط به رنگینهي DCM، نشان میدهد. با تغییر ناخالصی کایرال و درنتیجه لبهي با طول موج بلند نوار بازتاب، لیزرهاي بلور مایع کلستریک با آستانهي انرژي پایین و شیب بازدهي بالادر محدودهي طول موجی 577 nm تا 632 nm بهدست میآید.
مقدمه
امروزه انواع بلورهاي مایع بهطور گستردهاي در نمایشگرها ازقبیل تلویزیون، مانیتور، لپتاپ و همچنین در بسیاري از قطعاتفوتونیکی استفاده میشوند. بلورهاي مایع کلستریک - CLC - گونهي خاصی از بلورهاي مایع میباشند که در آن ضریب شکست در یک ساختار مارپیچی متناوب با گام - P - از ne تا no که به-ترتیب ضریب شکست غیرعادي و ضریب شکست عادي بلور مایع کلستریک میباشند، تغییر میکند. رفتار این مواد مانندبلورهاي فوتونیکی چندلایهاي یکچهارم طولموج است با اینتفاوت که ضریب شکست در بلورهاي مایع کلستریک بهصورتپیوسته تغییر میکند. ساختار متناوب موجب میشود که CLCدربیناب عبوري خود یک گاف فوتونیکی معروف به نوار بازتاب یانوار توقف نشان دهد.
درون نوار بازتاب، نور با قطبش دایرهاي کهحالت چرخش آن مشابهي چرخش مارپیچ CLC میباشد، بازتاب میشود درحالیکه نور با حالت چرخش مخالف مارپیچ، بدون هیچ بازتابی عبور میکند. لبههاي گاف فوتونیکی در l ne P وs no P که بهترتیب نشاندهندهي طولموجهاي لبهي بلند و لبهي کوتاه نوار بازتاب میباشند، قرار دارند. راستاي قطبیدگی نور در l موازي با دایرکتور و در s عمود بر آن میباشد. بنابراین احتمال برانگیختگی رنگینهي لیزري در لبهي با طولموج بلند در مقایسه با لبهي با طولموج کوتاه بهمراتب بیشتر خواهد بود.ازطرفدیگر با توجه به اینکه چگالی حالت فوتونی در لبههايگاف فوتونیکی نسبت به درون نوار بازتاب بسیار بزرگتر است، سرعت گروه در این لبهها به سمت صفراحتمالمیلکرده [1] و گسیل لیزري بهشدت افزایش مییابد .[2]
براي ایجاد گسیل لیزريسه عامل مادهي فعال، سازوکار پسخوراند و سامانهي دمش موردنیاز است. در لیزرهاي CLC میزبان بلور مایع بهعنوان کاواك تشدید و رنگینههاي لیزري که بهصورت ناخالصی به بلور مایعکایرال اضافه میشوند بهصورت مادهي فعال عمل میکنند. پارامترنظم جهتگیري بزرگ، در میزبان بلور مایع، به یک دوشکستی - n ne no - بزرگ 3]و[4 و درنتیجه بازدهي انرژي بالا و آستانهي انرژي پایین منجر میشود 5]و.[6 براي نوري که طولموجآن در بلور برابر با گام P - فاصلهاي که در آن دایرکتور 360œ می-چرخد - باشد، CLC مانند یک آینهي براگ گسترشیافته رفتارمیکند. درنتیجه براي ایجاد گسیل لیزري در این حالت استفاده ازآینههاي معمول در سازوکار پسخوراند ضروري نمیباشد.
در این مقاله عملکرد لیزري یک بلور مایع کلستریک با دو-شکستی بالا که با یک رنگینهي دوجزیی شامل رنگینههاي لیزريDCM و PM597 به نسبت وزنی %62 و %38 ترکیب شده است،بررسی میگردد. بهمنظور مطالعهي اثر ترکیب رنگینهي دوجزیی در افزایش پهناي بیناب فلئورسان، تراگسیلندگی هر سه رنگینهي DCM، PM597 و رنگینهي دوجزیی در حلال BL009 اندازه-گیري میشود. همچنین آزمایش برروي پنج نمونه لیزر CLCباغلظتهاي متفاوت عامل کایرال، قابلیت عملکرد لیزري بلور مایعکلستریک آلاییده به رنگینهي دوجزیی را در همهي ناحیهي مربوط به پهناي فلئورسان بهخوبی نشان میدهد.
آمادهسازي نمونه
بلور مایع کلستریک از ترکیب بلور مایع نماتیک BL009و عامل کایرال چپگرد MLC6247 با درصدهاي وزنی مختلفمطابق جدول 1 تهیه و سپس با 1/489 wt% رنگینهي دوجزییشامل دو رنگینهي لیزري DCM وPM597 به نسبت وزنی %62 و %38 ترکیب شد.براي هر نمونه، مخلوط حاصل با استفاده از روش مویینگی، دردماي همسانگردي ماده به داخلس ل همگن پادموازي با ضخامت12 میکرون تزریق و جهت ایجاد یک نقش ساختار یکنواخت، دماي آن با یک کنترلکنندهي آهنگدما - Linkam - ، با 0/3 oC/min تا دماي اتاق کاهش داده شد.
چیدمان آزمایش
شکل - 1 - چیدمان مورداستفاده جهت دریافت گسیل لیزري ازنمونههاي ساختهشده را به صورت طرحوار نشان میدهد.شکل.1 چیدمان لازم براي ایجاد گسیل لیزري از یک CLC آلاییده به رنگینههماهنگ دوم لیزر پالسی Nd:YAG با آهنگجهتتکرار 1Hzدمش مادهي فعال استفاده میشود. عدسی L1 و L2 با فاصلههاي کانونیو 30 cm 7/5 cm نقش یک پهنکنندهي باریکه را ایفا می-کند. قطبیساز P و تیغهي ربعموج QWP جهت تبدیل قطبیدگی نور خطی به یک حالت دایرهاي راستگرد - مخالف حالتچرخش مارپیچ بلور مایع کلستریک - بهکار میروند. اگر راستايقطبیدگی نور ورودي هنگامی که بهسمت ناظر حرکت میکند، در زاویهي 45œ سمت چپ محور تند تیغهي ربعموجگیرد، قرار حالت چرخش نور خروجی نیز چپگرد خواهد بود و در صورتیکه در سمت راست محور تیغه باشد، نور خروجی راستگرد می-شود .[7] عدسی L3 به فاصلهي کانونی 10 cm بهمنظور متمرکز-کردن پرتو دمش بر روي CLC آلاییده به رنگینهي لیزري درنظرگرفته میشود. فاصلهي کانونی و موقعیت عدسی فوق نسبت بهسل، در بازدهي انرژي لیزر بلور مایع و آستانهي برانگیختگیبسیار موثر است .[6]
بحث و نتایج
براي دستیابی به یک لیزر با بازدهي بالا و انرژي آستانهيپایین از یک بلور مایع نماتیک BL009 با دوشکستی بزرگ 0/281استفاده شد. پهناي نوار توقف در یک بلور مایع کلستریک ازمعادلهي nP بهدست میآید که در آن P - گام بلور - ازرابطهي - P 1/ - HTP Cch محاسبه میشود Cch .[8] و HTP بهترتیب غلظت وزنی ناخالصی کایرال - wt% - و توان پیچشمارپیچ CLC را نشان میدهند. براي ایجاد یک گسیل لیزري بابیشینهي بازده میبایست لبهي با طولموج بلند نوار توقف بر قلهيبیناب فلئورسان رنگینهي لیزري منطبق شود. آزمایش نشان میدهدکه ترکیب دو رنگینهي لیزري DCM و PM597 به نسبت %62 و %38 افزایشی به میزان %25 در پهناي بیناب فلئورسان درمقایسه باپهناي بیناب رنگینهي DCM ایجاد مینماید - شکل. - 3
با تغییر غلظت عامل کایرال و درنتیجه گام P و پیرو آن جابجایی l در گسترهي بیناب فلئورسان رنگینهي دوجزیی، پنچ نمونه لیزر CLC، ساخته و طولموجهاي لبهي بلند نوار بازتابنیز - - l و
گسیل لیزري - - Laser آنها با استفاده از یک بینابنگار - Ocean Optics - HR2000+ با قدرت تفکیک 0/22 نانومتراندازهگیري شد - جدول. - 1 شکل - 4 - و - 5 - به ترتیب تراگسیلندگیو نقش پراش میدان دور - در فاصلهي 25 cm از سطح لیزر - CLC مربوط به لیزرهاي فوق را نشان میدهنددمش.قطر لکهي لیزر برروي همهي نمونهها، با تنظیم دقیق محل عدسیL1 در شکل، 1برابر با 95 ʽm تنظیم گردید. در هر پنج مورد برانگیختگی به تراز لیزري با انرژي دمش 15 ʽJ/pulse انجام شد. اندازهگیري انرژيگسیل لیزري مربوط به نمونهي 3 که طولموج آن بر قلهي بینابفلئورسان رنگینهي دوجزیی منطبق است، نشان داد که بازدهي این لیزر %12 است.
همچنین با افزایش انرژي پرتو دمش از صفر تا 2 ʽJ/pulse هیچ گسیل لیزري رخ نمیدهد و عملکرد لیزريدقیقاًاز انرژي دمش 2 ʽJ/pulse که معرف انرژي آستانهي برانگیختگی است، آغاز میگردد. همانطورکه در شکل - 4 - مشاهده میشود، باکاهش غلظت ناخالصی کایرال، لبهي با طول موج بلند نوار توقفبه سوي طولموجهاي بلند جابجا میشود. همچنین گسیل لیزري در طولموجهاي اندکی بزرگتر از طول موجهاي مربوط به لبهي بلند نوار بازتاب رخ میدهد. از نظر فیزیکی چنین رخدادي موردانتظار است، چراکه چگالی حالت فوتونی و درنتیجه احتمال گسیللیزري، در طولموجی کمی بزرگتر از طولموج لبهي بلند نوارتوقف، بیشینه است .[9] در طولموجهاي بین 440 nm تا nm 545 به دلیل جذب نور توسط رنگینهي دوجزیی، تراگسیلندگی نور در نمونههاي CLC تقریبا برابر با صفر است.
گسیل لیزريمستقل از زاویهي فرودي پرتو دمش همواره در راستاي موازي بامارپیچ بلور ایجاد میشود چراکه آینهي براگ گسترشیافته بهدلیل ساختار تناوبی بلور مایع کایرال و درنتیجه کاواك تشدید ناشی از آن در این امتداد تشکیل میشود. همچنین بهسبب تقارن در ساختار بلور، گسیل لیزري در هردو جهت جلو و عقب با انرژي مساويرخ میدهد. چون گسیل لیزري در کاواك تشدیدي به قطر و ارتفاعبسیار کوچک - بهترتیب کمتر از 100 و 10 میکرون - انجام میشود انتشار آن در فواصل دور همراه با اثرات پراش است - شکل . - - 5 - با افزایش آهنگ تکرار دمش به 10Hz ، انرژي گسیل لیزري به-شکلتقریباً نمایی تا %14 انرژي بهدستآمده براي آهنگ تکرار 1Hz کاهش مییابد. رنگپریدگی رنگینهي لیزري، تغییر ضرایبشکست محیط میزبان و دگرریختی آرایش مارپیچ بلور مایع کلستریک بهسبب بازجهتگیري محور دایرکتور موضعی، سه دلیلاصلی کاهش انرژي گسیل لیزري در اثر افزایش آهنگ برانگیختگیاست.
نتیجهگیري
لیزر لبهي باند بلور مایع کلستریک با استفاده از یک بلور مایع نماتیک - BL009 - با دو شکستی بزرگ 0/281 و ترکیب دو
