基于液晶的新型可调谐激光器

液晶（Liquid Crystal）是一种介于液态与结晶态之间的一种物质状态的高分子材料，当通电时导通，液晶内部的排列变得有秩序，使光线容易通过；而不通电时排列混乱，就会阻止光线通过，这种特殊的光学特性使其广泛应用于电子电器的终端显示装置上。不仅如此，基于液晶的双折射腔还允许其对受限光子模式的能量和偏振进行广泛的调节，这也使其为光电子学领域带来了大量的新应用。

近日，华沙大学、华沙军事科技学院和南汉普顿大学的研究人员将分子染料分散在液晶微腔中而开发了一种可在40 nm范围内调谐的微型激光器，且该激光器微腔表面上还存在着持续的自旋螺旋，这使激光器具有了同时发射两束不同角度圆偏振光的能力，其相关内容已发表在《Physical Review Applied》。

图 新型可调谐激光器工作示意图

为了完成这一激光器的开发，研究人员放置了两个分布式布拉格反射镜，并将两者的距离固定在2~3 μm的范围内，然后将掺杂由有机激光燃料的液晶填充到两个反射镜之间，以此完成对光学微腔的搭建。研究人员还通过对激光腔内的液晶分子进行精确排列，从而使腔内出现了两种线偏振光模式，随后便可以通过改变外加电压的方式对分子的方向进行控制，进而实现对液晶层有效折射率的调控。

当对放置在液晶分子之间的有机染料进行光激发时，便可获得相干光辐射的激光效应，而液晶分子的旋转则使激光进入了可调模式：其中一种模态的能量不随分子旋转发生改变，而另一种模态的能量则随分子方向的改变而增加，最终导致光的波长可随电压的变化产生高达40 nm的平移。Jacek Szczytko教授还表示：“当我们旋转液晶分子使两种模式的能量发生重叠时（即他们处于共振状态时），从光腔中发射的光会突然有线性偏振转换为圆偏振，且左右圆极化的光还会以不同的方向向前传播。”

然而到目前为止，由于使用的有机染料在强光的影响下会缓慢光降解，激光器只能以脉冲方式工作。未来研究人员希望用更耐用的聚合物或无机材料（如钙钛矿）取代有机燃料来延长其使用寿命。

Barbara Pietka教授补充道：“该可调谐激光器可以应用于物理、化学、医学和通信等众多领域，利用这种非线性的现象还可以创建一个全光学的神经形态网络，而且这种的新的光子结构还能提供一个强大的机器学习工具，用于解决复杂的分类和推理问题，并以更快的速度和更高的速度处理大量信息能源效率。”

来源:

https://www.photonics.com/Articles/Tunable_Microlaser_Achieves_Optical_Gain_Through/a67914