纳米颗粒掺杂的聚合物稳定液晶微管随机激光器性能研究.doc

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1、第卷 年 第期 月 液晶与显示 文章编号 ： （ ） 纳 米 颗 粒 掺 杂 的 聚 合 物 稳定 液 晶 微 管 随 机 激 光 器 性 能 研 究 陈茂洲 ，戴海涛 （ ，罗 丹 ， ，张晓东 ，刘昌龙 ； 天津 大学 理学 院 天津 南 方科 技大 学 电子 与电 气工程 系 ，广 东 深圳 ） 摘要 ：为了优化液晶 类微管激光器的性能，拓展其应用领域，本文研究 了银纳米 颗粒和氧化 锌纳米颗 粒对染 料掺杂 聚合 物稳定液晶微管激光器出射激光的影响。通过掺杂不同浓度的银纳米颗 粒和氧化锌纳 米颗粒在聚合物稳定液晶的 微管 随机激光器中 探 究其对微管激光器出射激光特征的影响， ，并对比

2、两种 纳米颗粒的 影响效果 。实验结 果表明：当在 聚合 的产生，降低了纳米 颗粒的散射作用。实验结果还表明，银纳米 颗粒掺杂对 微管激光 器性能的 提升明显 优于氧 化锌，这 归因于银纳米颗粒所引发的局域表面等离共振效应会增强 其散射作 用。通过掺杂 纳米颗粒，微管随 机激光 器的性 能得 到了提升，为其在通 讯、加密以及液晶显示等领域奠定了基础。 关 键 词 ： 纳米颗 粒 染料激光器 ； ； 液晶 ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ） ： （ ） （ ） ， ， 。 ， ， 。然而，过量纳米颗粒的掺杂均会造成随机激光出射光强 的降低和 激光阈值的 增加，其原因在于 纳米颗粒

3、 团簇 ： ； ： ： ， ， 收稿日期 ： ； 修订日 期 ： ： （ ； ； ）； （ 基金项目 国家 自然科学基金 ） 天津 市自 然科学 基金 重点 项目 （ ； ； ）； （ ） 通信联系人 ， ： 第 期 陈茂 洲，等：纳 米颗 粒掺 杂的 聚合 物稳定 液晶 微管 随机 激光 器性 能研 究 ， ， ， ， （ ） ， 氧化 锌 纳 米 颗 粒 ，实 现 了 对 激 光 器 性 能 的 提 有助 于电 场对 出射 激光 的 调 控，等 人在 随着 液晶 技 术 的发 展 ，基于 液 晶 及 液 晶 聚合 染料 掺杂 向列 相液 晶激 光器 中掺 杂了不 同浓 度的 物材 料的 激

4、光 器 受 到了 广 泛 地 关 注，此 类 激 光器 银离 子，并 利用较 低的 电压 实 现了 对 出射 随 机激 激光 器件 ，如 向 列 相 液 晶 、胆 甾 相 液 晶 、蓝 的液 晶聚 合物 复合 体系 ，其具 有驱 动电 压低 ，响应 相液 晶 、聚合 物分 散液 晶 ，以及 聚合 物稳 定液 速度 快的 优点 ；但是 在 中，液 晶所 占的 比例 晶 。与 此同 时，液 晶激 光器 也 被 尝试 制 作 在了 较高 ，因 而散 射作用 较弱 ，限 制了 随机 激光 性能的 不同 的几 何结 构当 中，如平 板 玻 璃 盒子 、光子 提升 。通 过纳 米 粒 子 掺杂 ，增强 散

5、 射 特 性 以 提升 液晶 激光 器特 点在 于其 出射 激光特 征可 以用 不同 种类 纳米 颗粒 （如金 属纳 米颗 粒，介质 纳米颗 光辐 照 、电场 、温 度 等 多 种 方 法 进行 调 粒等 ）其 散射 特性不 同，因而 对基 于 的 液晶 控。 这源 于外 部 条 件 刺激 影 响 液 晶 分 子的 取 向 ， 随机 激光 器件 的影 响也 需要 深入 的对比 和研 究 。 引起 器件 有效 折 射 率的 变 化 ，进 而 改 变 激 光 器的 一般 情况 下，液 晶 激光 器 件 常 制 备 在 平面 盒 出射 激 光 特 征 。 年 ，等 人 在 染 料 子中 ，这 种平

6、面盒 子 对 研 究液 晶 器 件 的 性 能比 较 等 人 在 染 料 掺 杂 液 晶 体 系 中 研 究 了 随 在微 管中 制备 液 晶 激光 器 件 具 有 工 艺简 单 ，易于 机激 光的 电磁 调控 与热 调控 集成 等 优 点 但 是 微 管 对 液 晶 的 限 制 为 圆 柱 结 在利 用外 部能 量对 液晶 激光 器进行 调控 的同 构，其特 性与 平面结 构有 所区 别，因而 液晶 分子 的 时，科研 人员还 尝 试 在 液 晶激 光 器 中 掺 杂 金属 纳 定向 以及 外加 场对 其定 向的 影响 也与平 面结 构有 人在 染料 掺杂 聚合 物分 散液 晶中 掺杂了 金

7、属 铂纳 杂液 晶激 光 器 和 激 光 器 制 备 在 不 同 尺 寸 米颗 粒 ，减小 了激 光出 射 阈值 。等人 的毛 细微 管中 ，并 探 究 了 温 度对 此 类 激 光 器 性能 ， ， （ ） ： ； ； 升。 而且 ，在 液晶 激 光 器 中 掺杂 金 属 纳 米 颗 粒还 具有 成 本 低、可 调 控 性 强 、易 集 成 等 多 方 面 的 优 光的 调 控 。 聚 合 物 稳 定 液 晶 体 系 （ 势 。目前，已 经开 发了 多种类 型的 液晶 基 随机 ， ）也 是 一 种 重 要 、 。 。 掺杂 液晶 及染 料掺 杂聚 合物 分 散 液晶 体 系（ 方便 ，但

8、在实 际应用 中，不利 于器 件的 小型 化和集 ， ） 。 ， 对随机 激 光 的 全 光 调 控 。 在 年 ， 二维 结 构 的 小 型 器 件 开 始 受 到 广 泛 的 关 注 。 米颗 粒，以此 来提 升 激 光 器 性 能。 等 所区 别。 年， 等 人 将 染 料 掺 率先在染 料掺 杂聚 合物 分散 液晶 激光器 中掺 入了 的影 响 。 年， 等 人 在 微 管 中制 液晶与显示 第 卷 备了 全息 聚合 物分 散液 晶激 光器 。 实 现了此 类激 激 发 。 为 了 改 变 投 射 在 样 品 上 的 泵 浦 能 量 ，在 光器 的小 型化 。 但目前 为 止 ，关 于

9、在 微 管 中制 激 光器 前 依 次 放 置 了 半 波 片 、偏 振 片 。 此 后 ，泵 备 随 机激 光 器 还 没有 相 关 报 道 ，同 时纳 米 浦 激光 被 偏 振 分 光 棱 镜 分 为 两 部 分 ，能 量 较 小 颗粒 的掺 杂对 微管 激光 出射 行为 的影 响也 的 部分 由 能 量 计（ ， ）进 行 监 测， 需要 深入 的研 究。 （ ） （ ） 能 量较 大 的 一 部 分 通 过 狭 缝 和 柱 透 镜 ） ， ， （焦 距 本文 研究 了 银 和 氧 化 锌 纳 米 颗 后 转变 成 长 宽 的 光 束 汇 聚 粒对 染料 掺杂 液晶 微管 随机 激光 器

10、性 能的 在 样品 表 面，为 微 管 激 光 器 激 光 的 出 射 提 供 充 影响 。银 纳米 粒子 是较 为常 见的 金属纳 米粒 子且 ， 足 的 能量 。 最 后，利 用分 辨 率 为 （ ） 的制 冷 具有 表面 等离 子 共 振效 应 而氧 化 锌 则 是 一 般随 光 谱 仪 对 出 射 的 随 机 激 光 谱 进 行 机激 光器 中常 用的 散射 材料 。为 了使 纳米颗 粒掺 杂实 验效 果更 加 显 著，首 先 选取 了 激 光 出 射 阈值 适中 的聚 合 物稳 定 液 晶 系 统。 然 后，在 选 定 好的 微管 激光 器中 掺杂 不同 浓度 的银 和氧化 锌纳 米

11、颗 粒，来探 究其 对 出 射随 机 激 光 特 征 的 影响 。 实验 结果 表明 ，与 氧化锌 纳米 颗粒 相比 ，适 量的银 纳米 颗粒 可以 更好 地提 升随 机激 光出 射特征 。 本文的 研究 将有 助于 提 升 微管 液 晶 随 机 激 光 器的 性 能 ， 探究 相 关 的增 强 机 理，并 为 其更 为 广 泛 的 应 用奠 定实 验基 础。 收 集。 图 测试染料掺 杂聚合 物稳 定液晶 微管 激光器 随 机激光出射特征的装置示意图 实 验 聚 合物稳 定液 晶微 管激 光器 的制 备 ， 、 首 先 将 向 列 相 液 晶 紫 外 固 化 胶 实验结果与分析 、激光 染料

12、 分 别按 质量 分数 ： ： ； ： ： ； ： ： 选 择适合 的聚 合物 稳定 液晶 体系 次标 记为 样品、样 品、样品。通 过测 试 比较 种样 品的 激 光 出 射 特 征，选 出 最 适 合 掺 杂 纳 米 ），以及 ， ， 和的 氧化 锌纳 米颗 粒（直 径）。将制 备好 的 混合 其进 行固 化处 理，制 备 出 聚合 物 稳 定 液 晶 微 管激 光器 。 微 管激光 器的 测试 过程 微 管激 光 器 随 机 激 光 出 射 特 征 的 装 置 示 意 脉 冲 固 体 激 光 器 作 为 泵 浦 源 （脉 宽 ，重 复 频率 为 ），对 微 管 激 光 器 进 行 泵 浦

13、 ， ， ， ， ， （ ， 将其 灌 入 内 径 为 的 毛 细 玻 璃 管 中。 最 为了 选出 适合 研究 纳米 颗粒 掺杂的 聚合 物稳 激光 谱 的 峰 值 强 度 与 半 高 宽 。 当 泵 浦 能 量 较 小 时，从 微 管 激 光 器 中 只 能 出 射 自 发 辐 射 荧 光 谱 主要 是由 于激 光染 料出 射的 荧光 被液晶 分子 随机 定向 所形 成折 射 率 随机 分 布 微 区 所 散射 ，进 而形 成光 子的 局域 化，来 实现 随机 激光 的出 射 。 显 于荧 光淬 灭浓 度），其随 机激 光阈 值较 低。 在 研究 纳 米 颗 粒 掺 杂 对 随 机 激 光

14、 阈 值 和 光 ， ， （） （）所示 。同 时，图 （ ） （）中总 结 了 随机 （ ， ）。 样 品 的 出 射 激 光 阈 值 分 别 是 ， ， 。 ， （ ） （ ， 。 ： 第 期 陈茂 洲，等：纳 米颗 粒掺 杂的 聚合 物稳定 液晶 微管 随机 激光 器性 能研 究 ， 米 颗粒 后 纳 米 颗 粒 对 荧 光 的 吸 收 作 用 反 而 会 。 ， 对 随机 激 光 出 射 造 成 负 面 影 响 ， 对 于 样 品 虽 然其 阈 值 小 于 其 它 样 品 ， 但 掺 杂 纳 米 颗 粒 后 其 阈值 降 低 的 范 围 太 小 掺 杂对 阈 值 的影 响 。 样 品

15、， 不 便 于 研 究 纳 米 颗 粒 的 激 光 出 射 阈 值 为 ， ， 激 光半 高 宽 约 为 与 其它 样 ， 品 相比 样 品 的激 光 可 调 控 范 围 较 适 中 更 适 图 微 管 激光 器 在掺 杂 不 同浓 度 （），（） ； 合 用来 研 究 纳 米颗 粒 对 聚 合 物 稳 定 液 晶 微 管 激 光 器的 影 响 。 掺 杂不同 浓度 的银 纳米 颗粒 对微 管激 光器 出 射激光 特性 的影 响 实验 过程 中，我们在 样 品中 掺入 了 少 量的 银纳 米颗 粒，并观 察 其 对 样 品出 射 激 光 特 性 的影 ， ， ）的银 纳米 颗粒 的聚 合物稳

16、定液 晶微 管激 光器 的随 机激 光光 谱。 （），（） ；（），（） 的 激 光染 料时， 当在 样品 中 掺杂 质量 分数 为 的银纳 随机激光光谱以及相应的峰 强和半高宽 米颗 粒后 ，随 机激 光出 射 阈值 从 减 小至 。 与此 同 时 ，随 机 激 光 峰 数目 。 （），（） ；（），（） ； 也有 所增 多且 变得 更加 分立 ， 在 相同 强度 的泵浦 。 能量 下 整个 光 谱 的 半高 宽 也 变 得 更 窄 ， 当 银纳 米颗 粒掺 杂浓 度 继 续增 大 时 ， 随 机 激 光 峰 会 逐渐 。 消失 激光 出 射 阈值 也 会 开 始增 大 图 总 结了 在不

17、同的 掺杂 浓 度 下，银 纳 米颗 粒 对 微 管 激 光器 激光 出射 阈值 的影 响。 图 溶液 吸 收谱 和荧 光 谱，及掺 杂 银和 氧 化锌纳米颗粒的 溶液的吸收谱 图 掺杂不同浓度（） （） ，（）响。 图 （ ）（ ）展 示 了 掺 杂 不 同 浓 度 （ ， （），（） ， 和 纳 米 颗 粒 后 的 吸 收 和 激 光 染 料 荧 光 ，（） ， 谱 。 从 图 中 可 以 观 察 到 ， 溶 液 中 掺 杂 银 纳米 颗粒 的聚 合物 稳定 液 晶微 管 激光器的出射激光光谱 银 和氧 化 锌 纳 米 颗 粒 后，其 吸 收 光 谱 会 与 激 光 染 料 的 荧 光 谱

18、 在 处 发 生 重 叠 ，说 明 纳米 颗 粒 会 对 荧 光 产 生 部 分 吸 收 。 由 于 在 样 品中 激 光 染料 的 掺 杂浓 度 原 本 较 小 ，当 掺 杂 纳 ，（），（），（） （ ） 液晶与显示 ， 第 卷 时 银纳 米颗 粒可 以 均 匀 地分 布 在 聚 合 物 稳定 液 ， ， 晶当 中 而当 掺杂浓 度较 大时 银 纳米 颗粒 会开始 出现 团簇 （图 中表 现 为 黑 色 小 点 ），特 别 是 在 图 （）中情 况较 为 明 显。 这 些 团簇 会 增 加 吸 收 损失 甚至 破坏 聚合 物 稳 定液 晶 的 结 构，对 光 子 局 域化 产生 负面 影响

19、 ，进而 影响 随机 激光 出射 特征 。 图 掺杂不同浓 度银纳 米颗 粒的微 管激 光器激 光 出射阈值 在聚 合物 稳定 液 晶 微管 激 光 器 中 掺 杂 ， 的银 纳米 颗粒 后 微 管 激 光器 的 随 机 激 光 出 射阈 图 掺杂 不 同 浓 度 （） ，（） ，（） 值减 小，激光 峰 数 目增 加 。 实验 结 果 主 要 由 以下 两方 面原 因 所造 成 。 一方 面 ，银 纳 米 颗 粒 吸 收光 ，（） 银 纳米 颗粒 的微 管 激光 器 后会 产 生 局 域 表 面 等 离 子 共 振 效 应 （ 的偏光显微镜图片 （ ） ， ）。 效 应 会增 强纳 米结 构

20、 的 局域 电 磁 场 ，纳 米 颗 粒 表 面的 （） ，（ ） ， 部分 电子 会传 递 给 附近 的 激 光 染 料 。 ，使 更 多 的激 （），（） 光染 料受 到激 发产 生荧 光 这部 分荧 光又可 以进 掺 杂不同 浓度 的氧 化锌 纳米 颗粒 对微 管激 一步 促 使 效 应的 发 生，从 而 使激 光 染 料与 光器出射 激光 特性 的影 响 银纳 米颗 粒间 形成 相互 耦合 。 。 效 应 可以 增 利用 同样 的 方 法，我 们 在聚 合 物 稳 定 液 晶中 掺 杂了 质量分 数为， ， 的 强银 纳米 颗粒 的散 射效 率 当银 纳米 颗粒的 散射 氧化 锌纳 米

21、颗 粒 ，并 记 录 了 样品 随 机 激 光 光 谱的 谐振 波 长 与染 料 荧 光相 匹 配 时 ，将 会 有 效 地 增强 荧光 散射 。 光子 的 局 域 化 会 因此 得 到 增 强 ， 变化 ，如 图 （） 。 当 掺 入 少 量 氧化 锌 随机 激光 更容 易形 成 ，激 光出 射阈 值会 有所 减小 。 纳米 颗粒 后，随机激 光的 半高 宽会 变窄 ，激 光峰的 数目 也会 增多 。当 掺杂 浓度 达到 时，微管激 荧光 散射 的增 强还 有助 于在 微管 中形成 更多 的周 期性 散射 ，激 光 峰 的数 目 会 随 之 增 多。 荧 光 的局 光器 的 随 机 激 光

22、出 射 阈 值 会 减 小 至 域化 增益 （ ）可由以 下公 式表 达 ： （ ）（ ） ， （） 渐消 失，激 光 出 射 阈 值 也 会 急 剧 地 增 加 ，如 图 所示 。 （） ， 槡 ， 当掺 杂适 量 的 氧 化 锌 纳 米 颗 粒 时 ， 微 由式 可知 局域 化 增 益受 到 去 极 化 系 数 等 管激光器 出射 的 随 机激 光 特 征 会 得 到改 善 ，这主 离子 体频 率 ，弛豫 率 ，谐 振波 长 ，及带 间介 ， （ ） 。当掺 杂浓 度继 续增 大 时，随 机激 光 峰 会逐 电常 数 等 多个 因 素的 影 响 。 而 在 本 实验 中 ，荧 要归 因于

23、氧化 锌纳 米颗 粒对 荧光 的散射 作用 。 早 光 局 域 化 增 益 的 改 变 ，主 要 是 由 于 银 纳 米 颗 粒 在 年 ， 等 人 就 在 染 料 掺 杂 的氧 化 锌 ， 效应 增加 了荧 光散 射效 率 。 粉末 中实 现了 随机 激光 的出 射 并且 证 实 了氧 随着 银纳 米颗 粒 掺 杂 浓 度 的增 加 ，随 机激 光 的出 射阈 值逐 渐增 大，分 立的 激光 峰也 开始 消失 。 微管 激光 器的 偏光 显微 镜图 片。 当掺 杂浓度 较小 化锌 纳米 颗粒 可 以 对荧 光 进 行 周 期 性光 散 射 ，并 实现 光子 的局 域化 。氧 化锌 纳米 颗粒 作为一 种散 射介 质，在掺 入聚合 物稳 定液 晶之 后，同样 可以有 效地 增 强 荧 光