基于低散射和高增益全息液晶_聚合物光栅的分布反馈式激光器_刁志辉
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,No.3(2013)034202
基于低散射和高增益全息液晶/聚合物光栅
的分布反馈式激光器*
刁志辉1)2)?
黄文彬1)2)
邓舒鹏1)2)
刘永刚1)
彭增辉1)
姚丽双1)
宣丽1)
1)(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春130033)
2)(中国科学院研究生院,北京100049)(2012年4月8日收到;2012年9月4日收到修改稿)
本文利用低官能度的丙烯酸酯单体进行全息液晶/聚合物光栅的制备,获得了具有聚合物支撑形貌的光栅结构.由于这种光栅内部不存在液晶微滴,当作为分布反馈式激光器的谐振腔时,可以有效降低光栅内部的散射损失(<4%),降低激光腔损耗.此外,选用的高折射率单体提升了光栅的折射率调制量,增强了光栅的反馈增益.在以上两种因素的共同作用下,采用染料DCM 为激光工作物质,以532nm 的Nd:Y AG 脉冲激光器作为泵浦光源,最终获得了中心波长为635nm,转化效率为1.2%的高性能激光,在以阈值能量0.8μJ/pulse 泵浦下获得激光线宽0.3nm,较之国内外同类激光器的报道,在阈值、线宽、转化效率三方面均有不同程度提升.
关键词:分布反馈式激光器,液晶/聚合物光栅,低散射,高增益PACS:42.55.Mv,42.40.Pa,https://www.360docs.net/doc/874211759.html,,61.30.Pq
DOI:10.7498/aps/62.034202
1引言
近年来,全息液晶/聚合物光栅(holographic polymer dispersed liquid crystal)凭借其制备工艺简单、造价低廉、易于控制等优点成为国际研究的热门话题,已被广泛应用于平板显示[1]、可调谐棱镜[2]、光通讯[3]等领域.液晶/聚合物光栅具有富液晶层和富聚合物层交替排列的周期结构,介电常数沿光栅矢量方向周期性变化且周期为波长量级,属于一维光子晶体,应用于分布反馈式激光器这一领域.这种激光发射器具有体积小、制作简便、便于集成、可电热调谐等优点,并有可能成为众多领域中现役激光器的替代品,如可应用于光纤通信系统中作光源[4].然而,众多报道中提及的激光特性较差,阈值高(17.3μJ/pulse)[5]、线宽大(1.4nm)[5]、转化效率低(仅在2%左右)[6],远达不到工程应用水平,因此其激光性能需要进一步提升和优化.
作为激光器中的核心部件,光栅的优劣程度直
接影响到激光的出射水平.造成激光特性不佳的原因主要有以下两点:1)传统液晶/聚合物光栅内部存在液晶微滴,其体积约在波长量级(～100nm)[7],当光栅作为激光器的谐振腔时,液晶微滴会对光栅内的激光产生强烈的散射作用,造成严重的散射损失;2)液晶/聚合物光栅早期研制的出发点在于实现电开关这一应用功能,因此在材料体系的选择上着重于液晶和单体材料的匹配
[8],
即液晶的寻常
折射率(n o )近似等于聚合物的折射率(n p ),所以光
栅的折射率调制量?n 很低(?n = n p
?n o 2
,一般
在0.001左右[5]).根据Kogelnik 的耦合波理论[9],光栅的耦合系数和?n 成正比,较低的折射率调制量意味着光栅对光有较差的耦合作用,所以当激光在光栅内振荡反馈时,较弱的光栅增益造成了激光的转化效率低下.因此,想要获得优秀的激光性能,需要同时解决上述两个问题.首先,对于散射问题,2002年Vardanyan 等[10]报道了一种不存在液晶微
*国家自然科学基金(批准号:60736042,11174274,11174279)资助的课题.?通讯作者.E-mail:of memory@https://www.360docs.net/doc/874211759.html, c ?
2013中国物理学会Chinese Physical Society https://www.360docs.net/doc/874211759.html,
网络出版时间：2012-12-29 11:58
网络出版地址：https://www.360docs.net/doc/874211759.html,/kcms/detail/11.1958.O4.20121229.1158.018.html
滴的光栅,这种光栅采用低官能度的丙烯酸酯单体,光栅内相邻的聚合物层之间存在一些交联的聚合物链,液晶分子则以均匀态存在于这些网状结构中,这种光栅被称为聚合物支撑(Polymer scaffolding)形貌光栅.由于该类光栅内部不具有液晶微滴,因此可以有效降低散射损失.其次,为了提升光栅的折射率调制量,需要选择具有较大折射率的单体进行光栅的制备.从上述两点不难看出,单体材料的合理选择是获得优秀激光性能的前提条件.
在本文中,首先选用双官能度单体乙氧基双酚F 二丙烯酸酯进行液晶/聚合物光栅的制备,该材料折射率高,官能度低(官能度是指单体分子在发生聚合反应时参加化学反应的官能团数,用以表征单体的反应能力),能够充分满足前文中提出的要求.然后以组内之前建立的聚合物支撑模型[11]为基础,利用偏振光干涉方法定量计算光栅的折射率调制量.最后向光栅体系中掺杂激光染料DCM,利用532nm 的Nd:YAG 脉冲激光器进行泵浦,从降低光栅内部散射、提高光栅反馈增益两方面入手,最终获得了窄线宽(0.3nm,受限于光谱仪分别率)、低阈值(0.8μJ/pulse)、高转化效率(1.2%)的高性能激光.
2实验
2.1液晶/聚合物光栅制备
光栅的制备光路如图1所示.所用材料体系包括:由石家庄永生华清液晶有限公司提供的向列相液晶TEB30A (n o =1.522,n e =1.692,T N ?I =61.2?C),同为Aldrich 公司生产的双官能度单体乙氧基双酚F 二丙烯酸酯(BPFEDA,n m =1.541)、交联剂N—乙烯基吡咯烷酮(NVP)、光引发剂Rose Bengal(RB)、共引发剂N-苯基甘氨酸(NPG)和激光染料4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃(DCM).各成分的质量分数分别为:29%,58%,9%,0.5%,2%和1.5%.样品在暗室下搅拌12小时至均匀态,而后利用毛细作用灌入到液晶盒中.光栅制备光源为532nm 的Nd:Y AG 连续激光器,利用光强相等的两束s 态偏振光在液晶盒处进行干涉,光强稳定在4mW/cm 2左右.光栅周期由两束光的夹角θ决定:
Λ=λ5322sin
(θ2
),实验中θ选取52?,因此可以获得的光栅周期为606.8nm.为了能够观察光栅的表面形
貌特征,样品制备完毕后将液晶盒打开,令光栅膜在酒精溶液中充分浸泡12h,使液晶全部溶解,而后将浸泡后的聚合物膜用高纯氮吹干,在Bruker 原子力显微镜(AFM)下进行形貌观察.
图1光栅制备与散射实时测量光路图
2.2聚合物折射率的测定
将单体材料BPFEDA 、交联剂NVP 、光引发剂RB 和共引发剂NPG 按2.1节中的质量分数混合并在暗室下搅匀.使混合体系在紫外灯下曝光5min 获得成为固态的纯聚合物,而后利用阿贝折射仪进行测量.经测定,纯聚合物折射率为1.570,和液晶的寻常光折射率1.522相比,差值为0.048.相比于前文提到的折射率匹配条件,该体系有效增大了聚合物和液晶材料的折射率差值,为提升光栅的折射率调制量做好准备.
2.3实时散射测量
为了能够实时监测光栅在制造过程中的散射损失,测试用光路如图1所示.利用波长为633nm 的He-Ne 激光垂直于液晶盒表面照射,并利用探测器进行接收,通过调节偏振片改变探测光的偏振态,从而获得光栅对s,p 偏振光的散射损失.散射损失的计算方法如下:利用制栅前透过液晶盒的光强I r 作为参照标准,与光栅制备过程中实时接收到的光强I d 相比对,最终获得光栅的实时散射损失
L =I r ?I d I r
.
2.4激光泵浦实验
泵浦光路与文献[5]相同,这里不再赘述.大致过程如下:泵浦光源采用工作波长532nm 的倍频Nd:YAG 脉冲激光器(脉冲宽度8ns,重复频率1—10Hz 可调).利用柱面镜使泵浦光聚焦到液晶/聚合
物光栅处,形成面积为0.1mm ×7mm 的条形光斑并进行横向泵浦.激光染料DCM 受到泵浦光激发后产生荧光,后者通过光栅的增益反馈和选频作用从液晶盒的一端出射激光,并分别采用光谱仪(分辨率0.3nm)和能量计进行接收和探测.示意图如图2所示:
图2泵浦光路示意图
3结果与讨论
3.1低散射液晶/聚合物光栅
图3(a)为在原子力显微镜下获得的光栅三维图像,图中光栅结构成类正弦型,曲线中的低谷对应为富液晶层.这是由于光栅在进行原子力测试之前,光栅中的液晶会因为完全溶于酒精而被“洗掉”,因此在进行扫描时显微镜探针探测到的低谷为原始光栅的富液晶层.图中显示光栅周期在600nm 左右,与预定周期606.8nm 相近,测量误差主要是由于光栅因酒精浸泡发生收缩.图3(b)为光栅表面的截面图,图中发现富液晶层和富聚合物层的界面十分光滑.如文献[12]所述,光滑的界面表明在富液晶层中并不存在离散的液晶微滴,而是由连续均匀的液晶分子组成,这与聚合物支撑形貌相同.之所以会出现这样的光栅结构,主要是由于实验中所采用的单体官能度较低.在全息聚合过程中,位于干涉亮场的单体发生聚合反应,伴随着单体的不断消耗,形成了亮、暗场区的单体浓度差,这促使未反应的单体由暗场区向亮场区扩散,并进一步发生聚合反应.与此同时,单体所形成的聚合物由于体积收缩,会将亮场区中的液晶排挤到暗场区,从而形成富聚合物层和富液晶层交替排布的光栅结构.对于实验中所采用的光栅体系,双官能度的单体
BPFEDA 聚合速度慢,形成的聚合物体系较为疏松,体系中会包裹较多的液晶,阻碍了液晶从聚合物层析出,最终抑制了液晶微滴的形成.此外,交联剂NVP 的添加也有助于无液滴光栅形貌的形成[13].
图3
液晶/聚合物光栅的AFM 形貌
(a)立体结构图;(b)截
面图
正是由于该类光栅不存在液晶微滴,因此可以有效降低光栅的散射损失.图4所示为光栅在制备过程中实时散射的测量情况.从图中不难发现,该类光栅散射损失最高不超过4%,远低于其他文献中报道的具有液晶微滴的光栅[14].这说明,利用低官能度单体进行光栅的制备,通过抑制液晶微滴的形成可以有效降低光栅的散射损失.值得注意的是,图中p 光的散射损失要大于s 光,这和液晶在光栅中的自发取向有关(见3.2节).当p 光通过光栅时,液晶层的折射率为1.690而s 光为1.522,相比于聚合物层的折射率1.570,较大的折射率差值导致了光栅对于p 光有较大的散射作用.
在对光栅的散射损失进行测量后,需要对光栅的折射率调制量进行表征.然而,对于现有的液晶/聚合物光栅,由于相分离的不彻底,富聚合物层中会掺杂液晶,同时,也有部分聚合物混合在富液晶层中,此外考虑到液晶的折射率各向异性[15],光栅的折射率调制量?n 不能单纯地利用两层的折射率相减获得.所以,这里将以组内之前建立的聚合物支撑模型为基础,提出一种利用偏振光干涉的方
法对折射率调制量进行测量.
图4散射损失实时测量曲线
3.2折射率调制量的计算
聚合物支撑形貌模型如图5所示.由于液晶和单体的初始体积比大约为1:2,考虑到液晶的相分离不完全,会有部分液晶无法析出,所以富液晶层的体积将小于富聚合物层,这一点利用原子力图像也可证明.由于该类模型在文献[11]中已有详细介绍,这里不再赘述,直接给出如下结论:
1)设富液晶层在单个周期内所占的体积比为
α.
2)富聚合物层由混乱排布的液晶和聚合物组成,其折射率
n rp =
n p ×0.66+n iso ×(0.34?α)
1?α
,
(1)
其中,n iso 为混乱排布状态下液晶的折射率,大小为1.580,n p 为纯净聚合物的折射率,其值为1.570.
3)富液晶层中,液晶分子沿光栅矢量方向排布
[10],
当激光沿光栅矢量方向振荡时(如图2所示),
无论激光的偏振态如何,其通过液晶层的折射率均为液晶的寻常折射率n o ,即对于在光栅内振荡的激光,富液晶层的折射率n LC 为1.522.
4)高、低折射率区面积相同.其中,前者由部分富聚合物层组成,后者由剩余的富聚合物层和富液晶层组成.因此,高、低折射率区的折射率可以表示为:
n H =n rp ,
(2)n L =2α×n LC +(1?2α)×n rp ,
(3)
综上,光栅的折射率调制量?n =
n H ?n L
2
.从上述公式中不难看出,只要获得富液晶层在单个光栅周期内所占的体积比α,就能够准确计算出折射率调制量?n 的大小.
图5聚合物支撑形貌模型
这里将利用偏振光干涉的方法获得α,具体原理详见物理教程[16].测量光路图如图6所示,利用633nm 的He-Ne 激光作为探测光垂直照射到光栅表面,x 轴方向为光栅的矢量方向,同时也是富液晶层中液晶分子的指向方向.由于液晶的双折射特性,当偏振片P1和P2的透光轴分布垂直和平行时,探测器获得的光强为:
I ⊥=I sin 2(2θ)sin 2
(δ2
),(4)I ∥=I (1?sin 2(2θ)sin 2
(δ
2
))
,(5)δ=2πλ
?n oe d ,(6)
其中,?n oe 为光栅的双折射率差值,d 为液晶盒厚,θ为x 轴与P1透光轴夹角.根据(4),(5)和(6)式不难得出,光栅的双折射率差值为:
?n oe =λπd arcsin
√
I ⊥
I ⊥+I ∥.(7)在光栅成型后,只有富液晶层会对光有双折
射作用,因此,利用实际获得的光栅双折射率差值?n oe 与纯液晶的双折射率差值0.17进行对比,就可以有效获知富液晶层在单个光栅周期内所占的体
积比α=
?n oe
0.17
,进而得出光栅的折射率调制量?n 的大小.
这里以制备好的光栅为例:盒厚为8μm,并选取θ为45?,测量获得I ⊥=347,I ∥=345,计算出富
液晶层所占体积比α为11.7%,则光栅的折射率调制量?n 为0.011,相比于文献[5]中所用材料,?n 提升了10倍.这说明,选用高折射率的单体能够有效提升光栅的折射率调制量.
图6偏振光干涉光路图
3.3输出激光特性分析
在对液晶/聚合物光栅的散射损失和折射率调制量参数进行准确表征后,利用已制备好的光栅进行激光泵浦实验.根据分布反馈式激光器原理[17],出射激光波长应满足公式:λ
las =2n eff Λ/m ,其
中n eff 为材料的有效折射率,其计算方法在文献[5]中已给出详细描述,Λ为光栅周期,m 为布拉格反射级次.在本实验体系中,n eff =1.57Λ=606.8nm,m =3.根据公式计算,实验中将获得的中心波长为635.6nm.
图7(a)为光谱仪探测到的激光光谱图,从图中可以看出,激光的中心波长为635nm,与理论的计算波长相差无几,激光线宽为0.3nm,已达到了光谱仪的最大探测精度.图7(b)为泵浦能量与激光输出能量的曲线图,激光的阈值能量约0.8μJ/pulse,转化效率为1.2%.作为分布反馈式激光器最为重要的两个指标,相比于之前国内外报道的最好水平,阈值下降了21倍,转化效率提升了6倍.
之所以能够获得较为优异的激光性能,分析原因在于以下两个方面.第一,液晶/聚合物光栅中不存在液晶微滴,有效降低了激光在光栅内因多次振荡产生的散射损失,进而降低了激光的出射阈值.根据激光原理[18],当激光在光栅内反馈增益时,其单位长度上会同时存在增益与损耗,而激光的阈值条件就是指增益等于损耗的条件,当泵浦光能量超过阈值后,增益大于损耗,从而产生激光.从上述理论中不难得出,阈值会伴随损耗的减少而下降[18].
对于该激光器体系而言,损耗主要来自于光栅对于激光的散射,因此,通过降低光栅的散射损失可以有效降低激光器的工作阈值.第二,高折射率单体的合理选择提升了光栅的折射率调制量?n .为了能够更深入地探究?n 对于激光性能的影响,这里利用不同相分离程度的液晶/聚合物光栅获得了?n 与激光线宽、转化效率之间的关系图,如图8所示.
图7激光特性图(a)光谱图;(b)能量转化曲线图
从图中可以发现,转化效率随?n 的增大而上升,线宽则与?n 成反比.这一现象可以依据分布反馈式激光器的工作原理进行解释,对于无增益调制的分布反馈式激光器,光栅的耦合系数为[17]:
κ=
π?n
λ
,(8)
它是用来表征光栅对于体系内激光增益强度的物理量.当?n 增大时,光栅对于激光的反馈增益升高,提升了激光的出射强度,从而增大了激光器的转化效率.此外,?n 的增大同时有助于阈值的降低
[19],
其原因同样在于增大了激光腔的增益.对于激
光线宽?λ,当激光腔的增益G 超过阈值增益两倍
时,其可以利用下式[6]进行表征
?λλ=(λ
4π?nL
)×ln (G ),(9)
式中,λ为出射激光波长,L 为增益长度.从公式中
不难看出,在其他条件保持恒定时,激光线宽和?n 成反比,与图8中的实验现象相符.其中值得注意的是,当?n 为0.010和0.011时,探测到的线宽均为0.3nm,这是由于光谱仪自身分辨率所致.根据曲线走势及理论分析,我们预测实际获得的激光线宽应小于0.3nm,达到0.1nm 左右.
图8?n 与线宽和转化效率的关系图
从上述分析中可以发现,对于分布反馈式激光器,高折射率调制量对于激光性能有着至关重要的影响,它可以通过提升光栅的反馈增益强度来实现
对激光线宽、转化效率以及阈值的改善.因此,通
过引进高折射率单体提升光栅的增益强度是十分必要且效果显著的.
4结论
本文利用高折射率低官能度的丙烯酸酯单体进行液晶/聚合物光栅的制备.由于单体官能度低,聚合速度慢,析出液晶含量少,有效抑制了液晶微滴的形成,将光栅的散射损失控制在4%以下,并通过原子力显微镜扫描、散射实时测量等实验手段证实了上述结论.而后,以聚合物支撑形貌为物理模型,结合偏振光干涉的方法定量计算出光栅的折射率调制量大小.实验表明,高折射率单体材料的引用成功提升了光栅的折射率调制量.在对光栅参数进行确切表征后,以该类光栅作为激光器的谐振腔,制作了高性能的分布反馈式染料激光器.光栅的低散射特性有效降低了激光损耗,而高折射率调制量则提升了光栅的反馈增益,在两者共同作用下,获得了中心波长为535nm 、阈值0.8μJ/pulse 、线
宽0.3nm(受限于光谱仪精度,预测为0.1nm 左右)、转化效率为1.2%的高性能激光器,为目前国内外同类激光器报道中的最好水平.低阈值、窄线宽、输出波长稳定且可调谐等优点将使这种微型激光器在光通讯、光路集成等领域有着巨大的应用前景.
[1]Date M,Takeuchi Y ,Kato K 1998J.Phys.D:Appl.Phys.312225[2]Fan Y H,Ren H W,Wu S T 2003Opti.Express 113080[3]Du F,Lu Y Q,Wu S T 2004Appl.Phys.Lett.852181
[4]Qian S H,Jennifer C,Liu P,Quan X N 2001Proc.SPIE 427969[5]Deng S P,Li W C,Huang W B,Liu Y G,Lu X H,Xuan L 2011Acta
Phys.Sin.60056102(in Chinese)[邓舒鹏,李文萃,黄文彬,鲁兴海,宣丽2011物理学报60056102]
[6]Hsiao V K S,Lu C,He G S,Pan M,Cartwright A N,Prasad P N,
Jakubiak R,Vaia R A,Bunning T J 2005Opt.Express 133787[7]Sutherland R L 2002J.Opt.Soc.Am.B 192995
[8]Zhang B,Liu Y J,Jia Y ,Xu K S 2003Acta Phys.Sin.5291(in
Chinese)[张斌,刘言军,贾瑜,徐克璹2003物理学报5291][9]Kogelnik H 1969Bell Syst.Tech.J.482909
[10]Vardanyan K K,Qi J,Eakin J N,Sarkar M D,Crawford G P 2002Appl.
Phys.Lett.814736
[11]Huang W B,Deng S P,Liu Y G,Peng Z H,Yao L S,Xuan L 2012
Acta Phys.Sin.61094208(in Chinese)[黄文彬,邓舒鹏,刘永军,彭增辉,姚丽双,宣丽2012物理学报textbf61094208]
[12]Sarkar M D,Gill N L,Whitehead J B,Crawford G P 2003Macro-molecules 36630
[13]White T J,Liechty W B,Natarajan L V ,Tondiglia V P,Bunning T J,
Guymon C A 2006Polymer 472289
[14]Sutherland R L,Natarajan L V ,Tondiglia V P 1993Chem.Mater.5
1533
[15]Butler J J,Malcuit M S,Rodriguez M A 2002J.Opt.Soc.Am.B 19
183
[16]Liang Q T 2008Physical Optics (Beijing:Publishing House of Elec-tronics Industry)p339(in Chinese)[梁铨廷2008物理光学(北京:电子工业出版社)第339页]
[17]Kogelnik H,Shank C V 1972J.Appl.Phys.432327
[18]Chen H M,Zhao X Y 2009Laser Principles and Applications (Bei-jing:Publishing House of Electronics Industry)p141(in Chinese)[陈鹤鸣,赵新彦2009激光原理及应用(北京:电子工业出版社)第141页]
[19]Smirnova T N,Sakhno O V ,Stumpe J,Kzianzou V ,Schrader S 2011
J.Opt.13035709
Distributed-feedback laser based on low-scattering and high-gain holographic polymer dispersed liquid
crystal grating?
Diao Zhi-Hui1)2)?Huang Wen-Bin1)2)Deng Shu-Peng1)2)Liu Yong-Gang1)
Peng Zeng-Hui1)Yao Li-Shuang1)Xuan Li1)
1)(State Key Laboratory of Applied Optics,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun130033,
China)
2)(Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)
(Received8April2012;revised manuscript received4September2012)
Abstract
In this paper,we utilize the acrylate monomer of low functionality to fabricate a holographic polymer dispersed liquid crystal grating with polymer-scaffolding morphology.It is effective to reduce the scattering loss in the grating which acts as a resonator in distributed-feedback laser since there is no droplet of liquid crystal.Moreover,the use of the monomer with high refractive index(RI) ensures the formation of grating with high RI modulation and,correspondingly,high feedback gain.For these two factors mentioned above,an excellent laser property is obtained from the dye-doped laser pumped by Nd:YAG pulse laser at532nm.A spectral linewidth of0.3nm is observed at pump energy threshold0.8μJ/pulse and a conversion ef?ciency of1.2%is achieved at operating wavelength 635nm.The laser performance is improved in some aspects such as threshold energy,linewidth and conversion ef?ciency to some extent Compared with those reportied proeviously.
Keywords:distributed feedback laser,polymer dispersed liquid crystal grating,low-scattering,high-gain PACS:42.55.Mv,42.40.Pa,https://www.360docs.net/doc/874211759.html,,61.30.Pq DOI:10.7498/aps/62.034202
*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.60736042,11174274,11174279).
?Corresponding author.E-mail:of memory@https://www.360docs.net/doc/874211759.html,
半导体分布反馈激光器-DFB
半导体分布反馈激光器 半导体分布反馈激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。GaAs－GaAlAs分布反馈激光器已实现室温连续工作，阈值3.4×103安/厘米2(320K)。282K下得到的最大连续输出功率为40毫瓦。 半导体分布反馈激光器- 简介 采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的 半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些 性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采 用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。 1970年采用双异质结的GaAs－GaAlAs注入式半导体激光 器实现了室温连续工作。与此同时，贝尔实验室H.利戈 尼克等发现在周期结构中可由反向布喇格散射提供反 馈，可以代替解理面。在实验中，最初是把这种结构用 于染料激光器，1973年开始用于半导体激光器，1975年 GaAs分布反馈激光器已实现室温连续工作。 半导体分布反馈激光器- 原理 半导体分布反馈激光器的反馈结构是一种周期结构，反馈靠反向布喇格散射提供（见图）。为了使正向波与反向波之间发生有效的布喇格耦合,要求光栅周期满足布喇格条件:半导体分布反馈激光器，式中λ0是激射波长,Ng是有效折射率，m＝1、2、3、…(相当于耦合级次)。对于GaAs材料,一级耦合:Λ＝0.115微米。在实验中，使用3250埃He－Cd激光和高折射率棱镜(nP=1.539)，已制出Λ＝0.11微米的周期结构（见半导体激光二极管）。 1.结构及工作机理 DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
分布反馈光纤激光器传感阵列关键技术研究
目录 摘要 (i) Abstract ............................................................................................................... i i 第一章绪论 (1) 1.1 分布反馈光纤激光器的研究背景 (1) 1.2 分布反馈光纤激光器及阵列的研究现状 (3) 1.2.1 分布反馈光纤激光器研究概况 (3) 1.2.2 分布反馈光纤激光器阵列研究概况 (6) 1.2.3 光纤光栅高温特性研究概况 (11) 1.3 论文的主要工作 (12) 第二章分布反馈光纤激光器基本特性研究 (15) 2.1 光纤光栅基础理论 (15) 2.1.1 耦合模理论 (15) 2.1.2 光纤布拉格光栅 (16) 2.1.3 长周期光纤光栅 (19) 2.2 分布反馈光纤激光器工作原理 (21) 2.2.1 相移光栅光谱特性 (22) 2.2.2 分布反馈光纤激光器单模运行方案 (24) 2.3 分布反馈光纤激光器制作技术 (25) 2.3.1 常规光纤光栅制作 (26) 2.3.2 分布反馈光纤激光器制作 (27) 2.4 分布反馈光纤激光器性能测试 (28) 2.5 本章小结 (32) 第三章分布反馈光纤激光器阵列相干坍塌特性研究 (33) 3.1 分布反馈光纤激光器的相干坍塌特性 (33) 3.1.1 对称结构分布反馈光纤激光器 (33) 3.1.2 非对称结构分布反馈光纤激光器 (34) 3.1.3 相干坍塌对光纤激光器阵列复用容量的影响 (35) 3.2 光纤激光器阵列腔外反馈元分析 (37) 3.2.1 二基元光纤激光器阵列的腔外反馈机制分析 (37) 3.2.2 相邻光纤激光器对腔外反馈光的影响 (38)
DFB激光器调研报告(在实际工程中的应用)
分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。 关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率 一、分布反馈式半导体激光器简介 1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质 的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高 能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高 能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
光纤激光器 特点 分类
光纤激光器特点分类 光纤激光器分类特点 光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质,或者是利用光纤本身的非线性效应制作成的一类激光器.Nd2o3的光纤激光器是于1963年首先研制成功。 光纤激光器是一种新颖的有源光纤器件。它的主要特点是： （1）光纤的芯径很细（10-15um），光纤内易形成的泵浦光功率密度，且单摸状态下激光与泵浦光可充分耦合，因此光纤激光器的能量转换效率高，激光阀值低； （2）工作物质可以做的很长，因此可获得很高的总增益； （3）腔镜可直接镀在光纤端面，或采用定向耦合起方式构成谐振腔，且由于光纤具有良好的柔绕性，而可以设计成相当紧凑的激光器构型； （4）光纤基质具有很宽的荧光光谱，并且还具有相当多的可调参数和选择性，因此，光纤激光器可以获得相当宽的调谐范围和好积的单色性。 光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型： 一：晶体光纤激光器工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等；二：非线性光学型光纤激光器主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器； 三：稀土类掺杂光纤激光器光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器；四：塑料光纤激光器向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 光纤激光器的迅速发展是基于近年来的光纤技术{拉晶体光纤技术、稀土掺杂光纤技术、单摸低损耗光纤和光纤耦合技术等}和大功率半导体激光技术的突破性进展。特别是采用半导体激光二极管（ld）作为泵浦源，以其小体积和高效率为光纤激光器的实用化奠定了基础。 目前，光纤激光器已进入实用化阶段，已见有连续输出功率几千瓦，峰值功率几万千瓦。 半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出
分布式反馈激光器
DFB分布式反馈激光器 091041A 谢伟超 DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。 DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。 目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称动态单模半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光栅的反馈来实现纵模选择。这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模。 分布反馈半导体激光器（DFB－LD）,在DFB－LD中，光栅分布在整个谐振腔中，所以称为分布反馈。因为采用了内部布拉格光栅选择波长，所以DFB－LD 的谐振腔损耗有明显的波长依存性，这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的F－P腔激光器。 结构及工作机理 DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
图中光栅的周期为A，称为栅距。 当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。 满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。 DFB－LD的光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阈值增益差增大，可以采用如下方法： （1）在光栅中引进一个2/4相移； （2）将解理面之一做成斜面或增透，造成非对称的端面反射率； （3）在有源区中靠近腔面的一小段区域上，没有布拉格光栅，形成无分布反馈的透明区； （4）对光栅周期进行适当啁啾。 引进2/4相移和不对称端面反射率两种方法较可行且有效。虽然1/4相移方法在工艺上有一定难度，但是能获得性能很好的动态单纵模。 DFB激光器的特点 与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。 （1）动态单纵模窄线宽输出 由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好 由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。例如，为了制作光栅， DFB 激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激光器的内量子效率降低。此外， DFB激光器的震荡频率偏离Bragg 频率，故其阈值增益较高。
分布反馈式半导体激光器
分布反馈式半导体激光器 半导体激光器及其应用调研报告课程题目分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用学院光电技术学院班级电科一班姓名李俊锋学号2010031029 任课教师张翔2013年 5 月15 日分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用李俊锋2010031029 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，
人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发
射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性，它
分布反馈式半导体激光器
半导体激光器及其应用调研报告 课程题目分布反馈式半导体激光器 在实际工程系统中的应用 学院光电技术学院 班级电科一班 姓名李俊锋 学号 2010031029 任课教师张翔 2013年 5 月 15 日
分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用 李俊锋2010031029 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。 关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率 一、分布反馈式半导体激光器简介 1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质 的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高 能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高 能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
DFB光纤激光器国内外发展状况
我国国内光纤激光器目前己经得到一定程度的发展，国内的一些单位如上海光机所、清华大学、北京邮电大学、华中科技大学、中国科技大学、天津大学等从八十年代末进入光纤激光器的研究领域，经过努力获得了一定进展。国内开展光纤激光器和放大器方面的研究是从80 年代末和90 年代初开始的，首先在上海硅酸盐研究所、天津46 所、上海光机所、西安光机所、清华大学、北京邮电大学等国内多见科研单位开展了掺饵光纤的研制及光纤激光器的研究，并取得了阶段性的成果[l5] 。南开大学、上海光学精密机械研究所在双包层光纤布拉格(Bragg)光栅激光器方面取得了开创性成果[16],烽火通信科技股份有限公司与上海光 机所于2005 年合作，顺利研制出输出功率高达440W 的掺臆双包层光纤激光器[17]，随后中国兵器装备研究院报道了突破IKW 功率的光纤激光器，清华大学在多波长光纤激光器和锁模脉冲光纤激光器方面做了很多有进展性的工作[ 1 8-20] ，总体来说，由于国内光纤激光器的研究受到基础条件方面的制约，同国际的研究水平还有相当大的差距。国外有多个研究机构人员对DBR 和DFB 光纤激光器开展了全面的研究。其中G.A.Ball 所在的EastHartford 联合科技研究中心最先开展了将光栅直接写在掺杂光纤上形成腔结构，泵浦光源通过WDM 对 其进行泵浦而得到激光输出，从而实现所谓DBR 型光纤激光器[21-23] 。由于作为干涉光源以及传感等应用的背景，对单频操作DBR 的研究广泛的开展起来。利用短腔长高掺杂的DBR 、复合腔结构或DFB 结构等来实现稳定的单频操作一一被提出来。Sigurd 所在的澳大利亚的CRC 光子中心对DFB 光纤激光器进行了动态和多波长操作分析[24-25] ，同时探讨了利用DFB 光纤激光器对声响应的情况，并测试了DFB 光纤激光器对空气中声场的响应;Scott 所在的澳大利亚的国防科学科技组织从理论到实验研究了DFB 光纤激光器的空间模结构和 动态噪声[26-27] ，希望实现基于DFB 光纤激光器的水听器;英国的那安普顿大学的Kuthan 等人从理论上提出了改变DFB 光纤激光器对称结构从而实现提高输出效率降低泵浦域值目的[28] ，同时研究了混合掺杂的DFB 光纤激光器[29]，同样希望将其应用于传感领域。在20 世纪90 年代，世界范围的光纤传感技术呈现出产业化发展的趋势，主要形成了军事和民用两大应用领域，其中包括:国土安全防卫系统、工业安全检测系统以及用于石油化工、生物医学和环境等领域的光纤检测系统。在此同时光纤激光传感技术也开始形成，在1995 年，美国海军实验室的K.P.Koo 等人[30]首次将光纤激光器应用到光纤传感领域，这不仅推动了光纤传感技术的发展，而且标准着光纤激光传感技术的诞生。在此之后许多机构对光纤激光传感技术就开始了深入的研究，并且积极的拓展其应用的领域，如美国海军实验室(NRL) 、英国国防研究局(DERA) 、澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 和美国利通资源勘探仪器公司(Litto n)等。自从19%年起英国国防研究局(DERA)联合Ast on大学和Kent大学开展了光纤激光水听器的研究[31]，并于2005年报道了8 点光纤激光水听器波分复用技术[32];2006 年澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO) 报道的最大规模的单纤16点波分复用光纤激光传感器阵列[33];2007 年美国G.H.Ames 等报道了DFB 光纤激光加速度计[34];2008 年美国海军实验室G.A.Cranch 等报道了DFB 光纤激光磁力计[35] 可以应用于海底微弱磁场的探测。近年来国内光纤传感技术己经进入了工程应用的阶段，并且在光纤激光传感技术方面也取得了一些研究成果。 2011.3.1 DFB 光纤激光器作为本文研究的重点，下面对它的研究进展作一个简要介绍。1972 年美国贝尔实验
基于低散射和高增益全息液晶_聚合物光栅的分布反馈式激光器_刁志辉
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,No.3(2013)034202 基于低散射和高增益全息液晶/聚合物光栅 的分布反馈式激光器* 刁志辉1)2)? 黄文彬1)2) 邓舒鹏1)2) 刘永刚1) 彭增辉1) 姚丽双1) 宣丽1) 1)(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春130033) 2)(中国科学院研究生院,北京100049)(2012年4月8日收到;2012年9月4日收到修改稿) 本文利用低官能度的丙烯酸酯单体进行全息液晶/聚合物光栅的制备,获得了具有聚合物支撑形貌的光栅结构.由于这种光栅内部不存在液晶微滴,当作为分布反馈式激光器的谐振腔时,可以有效降低光栅内部的散射损失(<4%),降低激光腔损耗.此外,选用的高折射率单体提升了光栅的折射率调制量,增强了光栅的反馈增益.在以上两种因素的共同作用下,采用染料DCM 为激光工作物质,以532nm 的Nd:Y AG 脉冲激光器作为泵浦光源,最终获得了中心波长为635nm,转化效率为1.2%的高性能激光,在以阈值能量0.8μJ/pulse 泵浦下获得激光线宽0.3nm,较之国内外同类激光器的报道,在阈值、线宽、转化效率三方面均有不同程度提升. 关键词:分布反馈式激光器,液晶/聚合物光栅,低散射,高增益PACS:42.55.Mv,42.40.Pa,https://www.360docs.net/doc/874211759.html,,61.30.Pq DOI:10.7498/aps/62.034202 1引言 近年来,全息液晶/聚合物光栅(holographic polymer dispersed liquid crystal)凭借其制备工艺简单、造价低廉、易于控制等优点成为国际研究的热门话题,已被广泛应用于平板显示[1]、可调谐棱镜[2]、光通讯[3]等领域.液晶/聚合物光栅具有富液晶层和富聚合物层交替排列的周期结构,介电常数沿光栅矢量方向周期性变化且周期为波长量级,属于一维光子晶体,应用于分布反馈式激光器这一领域.这种激光发射器具有体积小、制作简便、便于集成、可电热调谐等优点,并有可能成为众多领域中现役激光器的替代品,如可应用于光纤通信系统中作光源[4].然而,众多报道中提及的激光特性较差,阈值高(17.3μJ/pulse)[5]、线宽大(1.4nm)[5]、转化效率低(仅在2%左右)[6],远达不到工程应用水平,因此其激光性能需要进一步提升和优化. 作为激光器中的核心部件,光栅的优劣程度直 接影响到激光的出射水平.造成激光特性不佳的原因主要有以下两点:1)传统液晶/聚合物光栅内部存在液晶微滴,其体积约在波长量级(～100nm)[7],当光栅作为激光器的谐振腔时,液晶微滴会对光栅内的激光产生强烈的散射作用,造成严重的散射损失;2)液晶/聚合物光栅早期研制的出发点在于实现电开关这一应用功能,因此在材料体系的选择上着重于液晶和单体材料的匹配 [8], 即液晶的寻常 折射率(n o )近似等于聚合物的折射率(n p ),所以光 栅的折射率调制量?n 很低(?n = n p ?n o 2 ,一般 在0.001左右[5]).根据Kogelnik 的耦合波理论[9],光栅的耦合系数和?n 成正比,较低的折射率调制量意味着光栅对光有较差的耦合作用,所以当激光在光栅内振荡反馈时,较弱的光栅增益造成了激光的转化效率低下.因此,想要获得优秀的激光性能,需要同时解决上述两个问题.首先,对于散射问题,2002年Vardanyan 等[10]报道了一种不存在液晶微 *国家自然科学基金(批准号:60736042,11174274,11174279)资助的课题.?通讯作者.E-mail:of memory@https://www.360docs.net/doc/874211759.html, c ? 2013中国物理学会Chinese Physical Society https://www.360docs.net/doc/874211759.html, 网络出版时间：2012-12-29 11:58 网络出版地址：https://www.360docs.net/doc/874211759.html,/kcms/detail/11.1958.O4.20121229.1158.018.html