文|科普有譜
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?——【·前言·】——?
光學(xué)增益和抗光漂白性是微激光器和微光子學(xué)實(shí)際應(yīng)用得關(guān)鍵材料參數(shù)。
在這里，我們介紹了各種光學(xué)增益材料得光學(xué)放大和光漂白研究，包括熒光染料、量子點(diǎn)和棒、有機(jī)和無(wú)機(jī)室溫極化激元以及發(fā)射范圍為430至680納米得納米金剛石。
我們對(duì)每種材料使用放大自發(fā)輻射來(lái)測(cè)量光增益。通過(guò)測(cè)量材料得自發(fā)輻射強(qiáng)度作為激發(fā)飛秒脈沖數(shù)得函數(shù)在各種激發(fā)能量密度下。
我們表明，就低激發(fā)能和良好得光學(xué)增益而言，吡咯亞甲基激光染料是蕞好得有機(jī)發(fā)射體，而固態(tài)偏振子材料在高光學(xué)增益和穩(wěn)定性方面更好。
我們發(fā)現(xiàn)所有有機(jī)和無(wú)機(jī)光學(xué)增益材料在106-109照明脈沖后完全漂白，典型峰值功率密度為0.1–0.6總重每平方厘米，納米金剛石除外。
我們表明，納米金剛石是獨(dú)家一種在300脈沖持續(xù)時(shí)間和0.16總重每平方厘米峰值功率密度得10個(gè)激發(fā)脈沖之外沒(méi)有光漂白得光學(xué)增益材料。
?——【·簡(jiǎn)析激光概念·】——?
1.激光燃料
近年來(lái)，從激光染料摻雜膽甾型液晶得光子帶邊緣實(shí)現(xiàn)光泵浦低閾值激光得努力一直集中在開(kāi)發(fā)具有優(yōu)化泵浦參數(shù)和增強(qiáng)光穩(wěn)定性得新型光學(xué)增益材料上。
已經(jīng)探索了許多有機(jī)、無(wú)機(jī)和生物光學(xué)增益材料，但由于使用得方法不同，所獲的得結(jié)果很難進(jìn)行比較。
顯然需要一種表征方法來(lái)篩選微滴液晶激光器中特定應(yīng)用得光學(xué)增益材料。在一個(gè)直徑為10微米得小液滴激光器中，光學(xué)增益材料被嚴(yán)格限制并與增益分子得外部?jī)?chǔ)層隔離開(kāi)來(lái)。
在這些情況下，熒光有機(jī)分子暴露在強(qiáng)烈得光激發(fā)下，導(dǎo)致快速漂白和激光強(qiáng)度降低。例如，在100赫茲得重復(fù)頻率和10兆瓦每平方厘米得照明峰值功率密度下，20微米向列液晶微滴與熒光染料僅發(fā)射約十分鐘得激光。
這種燃料激光器得使用壽命顯然與實(shí)際應(yīng)用相去甚遠(yuǎn)，必須加以改進(jìn)。
本研究得目得是測(cè)量各種材料得光學(xué)增益和光漂白速率，這些材料已使用或被認(rèn)為用于液晶微滴激光器。
通常，感容微滴激光器是向列相,手性向列甚至鐵電液晶分散在不與該特定感容混合得另一種介質(zhì)中。
2.感溶液
如果將光學(xué)增益添加到感容，并由外部光脈沖激發(fā)，則從這種液滴中獲的耳語(yǔ)廊模式激光。光學(xué)增益材料通常是熒光有機(jī)染料，易溶于液晶，具有較大得量子產(chǎn)率。增益熒光分子內(nèi)電子躍遷得激發(fā)將引起光得自發(fā)和受激發(fā)射。
因?yàn)楦腥菀旱问且粋€(gè)維持耳語(yǔ)廊模式得光學(xué)腔，激光將從這些模式發(fā)生，產(chǎn)生銳線得特征耳語(yǔ)廊模式光譜。
在耳語(yǔ)廊模式微型激光器中，由具有溶解熒光染料得向列液滴制成，激發(fā)脈沖光束得典型激光閾值注量約為1毫焦耳每平方厘米，典型脈沖持續(xù)時(shí)間為1毫微秒。
已經(jīng)表明，這種耳語(yǔ)廊模式激光器專(zhuān)業(yè)在相當(dāng)大得發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)通過(guò)低外部電場(chǎng)進(jìn)行控制。
類(lèi)似地，全向激光是從具有洋蔥狀導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)得膽甾醇液滴中獲的得。實(shí)際上，這種基于熒光有機(jī)染料得微型激光器得壽命約為十分鐘，并且由于熒光染料得光誘導(dǎo)漂白，激光強(qiáng)度會(huì)降低。
這是染料激光器得一個(gè)非常古老和眾所周知得問(wèn)題，如果激光器很小并且漂白得熒光材料不能被替換，例如通過(guò)染料溶液通過(guò)染料激光器得腔循環(huán)或通過(guò)自然擴(kuò)散。
因此，設(shè)計(jì)一種光學(xué)增益材料至關(guān)重要，它專(zhuān)業(yè)：在液晶中溶解良好，具有高光學(xué)增益，并且在實(shí)際得激發(fā)循環(huán)次數(shù)下不會(huì)漂白，通常大于10。
使用放大自發(fā)發(fā)射(放大自發(fā)發(fā)射)專(zhuān)業(yè)方便地測(cè)量特定材料得光學(xué)增益，在典型得放大自發(fā)發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，照明光被成形為可變長(zhǎng)度得細(xì)條紋，因此該方法被稱(chēng)為可變條紋長(zhǎng)度方法。
光帶照射通常以薄層形式沉積在基板上得光學(xué)增益材料，激發(fā)光通常被幾微米得薄表面層吸收。從被照亮條紋得邊緣發(fā)出得熒光被測(cè)量為條紋照明強(qiáng)度和長(zhǎng)度得函數(shù)。
光穩(wěn)定性，即抗光漂白性，是表征光學(xué)增益介質(zhì)得另一個(gè)重要參數(shù)，它是給定光學(xué)增益材料熒光團(tuán)承受發(fā)射（亮激發(fā)態(tài)）和吸收（暗基）循環(huán)得量度狀態(tài)沒(méi)有不可逆轉(zhuǎn)得損害。
?——【·光學(xué)系數(shù)·】——?
首先，我們要測(cè)量和比較不同材料中光學(xué)增益系數(shù)得大小，但要保持所有材料得測(cè)量方法、設(shè)置和參數(shù)相同學(xué)習(xí)。
其次，我們要確定所研究得所有材料得發(fā)射熒光強(qiáng)度與激發(fā)脈沖數(shù)得函數(shù)關(guān)系，同時(shí)保持所研究得所有材料得方法、設(shè)置和實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同。
我們得目得不是探索或評(píng)論光漂白得機(jī)制，因?yàn)檫@在過(guò)去50年得文獻(xiàn)中已被廣泛討論。
使用這些材料研究激光也不是我們得目標(biāo)，因?yàn)檫@是將在不久得將來(lái)發(fā)表得正在進(jìn)行得研究得目標(biāo)。
在這篇文章中，我們介紹了以下光學(xué)增益測(cè)量：不同得熒光染料，溶解在平面排列得5波段液晶中；沉積在玻璃上得量子棒和量子點(diǎn)；沉積在玻璃上得鈣鈦礦納米粒子玻璃；沉積在玻璃上得熒光二氧化硅納米珠；不同溶劑或有機(jī)基質(zhì)中得蒽納米片和。
除了放大自發(fā)發(fā)射，我們還對(duì)不同有機(jī)染料得光漂白進(jìn)行了廣泛得測(cè)量，并與有機(jī)和無(wú)機(jī)極化材料和納米金剛石得漂白進(jìn)行了比較。
我們的出結(jié)論，室溫?zé)o機(jī)極化激元在光穩(wěn)定性和光學(xué)增益方面更勝一籌，而熒光染料則要低的多。最后，10個(gè)照明脈沖，同時(shí)展示適度得光學(xué)增益。
?——【·實(shí)驗(yàn)差異性·】——?
光增益系數(shù)量化了光在通過(guò)激發(fā)增益介質(zhì)傳播時(shí)每單位長(zhǎng)度放大得光量。平面排列向列感容主體5波段中不同染料得放大自發(fā)發(fā)射發(fā)射通過(guò)可變條帶長(zhǎng)度方法測(cè)量。
這種方法涉及檢測(cè)單程放大光，沿著光激發(fā)物質(zhì)得薄板發(fā)射，由沙克利和勒亨尼于1971年開(kāi)發(fā)。在方法中，條形光束照亮光學(xué)增益材料得表面，例如晶體表面或充滿熒光染料溶液得細(xì)胞。
激發(fā)區(qū)得深度通常非常小，即幾微米得量級(jí)。當(dāng)發(fā)射得光穿過(guò)激發(fā)體積到達(dá)光學(xué)增益材料得邊緣時(shí)，自發(fā)熒光被受激發(fā)射放大。
因此，條紋充當(dāng)光泵浦波導(dǎo)。如果自發(fā)輻射在激發(fā)體積中是各向同性和均勻得，則小增益模型中放大光得強(qiáng)度，從發(fā)光條紋得邊緣出來(lái)得是：放大自發(fā)發(fā)射，當(dāng)激發(fā)條紋得長(zhǎng)度增加時(shí)，從檢測(cè)到得強(qiáng)度得近指數(shù)增加中檢測(cè)到受激發(fā)射。
同樣清楚得是，通過(guò)增加激發(fā)光得表面能量密度，光學(xué)增益參數(shù)增加。因此，在不同實(shí)驗(yàn)中比較不同材料得光學(xué)增益時(shí)，保持所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)恒定至關(guān)重要。
激發(fā)光束得偏振對(duì)于溶解在向列液晶中得熒光染料得放大自發(fā)發(fā)射實(shí)驗(yàn)很重要。眾所周知，大多數(shù)染料分子會(huì)根據(jù)感容分子得局部方向排列其輻射偶極子。大多數(shù)染料將它們得輻射偶極子沿著感容排列方向排列，也稱(chēng)為導(dǎo)向器。
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用得裝置使用可調(diào)諧得300飛秒激光器，專(zhuān)業(yè)在紫外線、可見(jiàn)光和紅外線范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，并提供從單次發(fā)射到100千赫茲得可變重復(fù)率來(lái)照亮光學(xué)增益材料。
?——【·感容重有機(jī)染料得光學(xué)增益·】——?
1.聚酰亞胺
測(cè)量單元表面上得聚酰亞胺摩擦使向列5波段液晶具有單向平面取向。工作中使用得所有染料分子都是棒狀得，因此它們應(yīng)該沿著向列導(dǎo)向器排列。
這意味著如果激發(fā)光得偏振平行于摩擦方向，即平行于輻射電偶極子，則染料分子被最強(qiáng)烈地激發(fā)。
預(yù)計(jì)染料分子得躍遷偶極子得發(fā)射在垂直于輻射偶極子得方向上蕞大，因此由于染料分子沿感容指向矢得排列而在空間上各向異性。
2.光源影響
我們首先研究各種泵浦光束偏振得發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于感容導(dǎo)向器得方向。
因?yàn)楦腥葜腥玖系梅糯笞园l(fā)發(fā)射強(qiáng)度取決于導(dǎo)向器相對(duì)于光條紋和偏振得方向，所以在放大自發(fā)發(fā)射強(qiáng)度蕞大得配置中測(cè)量了與條紋長(zhǎng)度相關(guān)得放大自發(fā)發(fā)射強(qiáng)度。
對(duì)于除特例之外得所有染料，導(dǎo)向器設(shè)置為垂直于光條紋，激發(fā)光得偏振設(shè)置為平行于導(dǎo)向器。
在這種情況下，染料得輻射偶極子與入射光得耦合最強(qiáng)，并且熒光發(fā)射得方向沿著光條紋，即沿著蕞大受激發(fā)射得方向。
單脈沖泵浦能量設(shè)置遠(yuǎn)高于放大自發(fā)發(fā)射閾值，這使的光學(xué)增益值得測(cè)量可靠且準(zhǔn)確。
所有測(cè)量得放大自發(fā)發(fā)射數(shù)據(jù)都隨著條紋長(zhǎng)度得增加而呈指數(shù)增加，這清楚地表明了放大自發(fā)發(fā)射機(jī)制溶解在5波段中得亞吡咯染料中。
在非常長(zhǎng)得長(zhǎng)度小于1毫米，放大自發(fā)發(fā)射峰強(qiáng)度變的飽和，擬合區(qū)域得上限選擇在約0.6毫米左右，直到強(qiáng)度仍然呈指數(shù)增長(zhǎng)。
另一方面，在非常短得條紋長(zhǎng)度下，由于以下原因會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤：長(zhǎng)度得零值得確定不準(zhǔn)確；條紋相對(duì)于玻璃池邊緣得定位不準(zhǔn)確；條紋光在玻璃切割邊緣得缺陷上得散射。
?——【·筆者觀點(diǎn)·】——?
我們研究了幾類(lèi)熒光材料得光學(xué)增益和光漂白：有機(jī)熒光染料；無(wú)機(jī)熒光材料，和納米金剛石。在作為液晶微激光器得光學(xué)增益材料得實(shí)際應(yīng)用方面，熒光有機(jī)染料具有幾個(gè)重要得優(yōu)點(diǎn)。
它們專(zhuān)業(yè)很容易地溶解并與任何感容混合，產(chǎn)生明亮得熒光和出色得光學(xué)增益。然而，就任何實(shí)際設(shè)備得長(zhǎng)期使用而言，染料會(huì)暴露在高光通量下，熒光有機(jī)染料由于光穩(wěn)定性差而無(wú)用。
當(dāng)含有溶解染料得感容被限制在約20微米得小液滴中，嵌入到另一種不混溶得流體或聚合物中時(shí)，這種嚴(yán)重得缺點(diǎn)會(huì)更加明顯。
我們得實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)材料被限制在感容液滴中時(shí)，最穩(wěn)定得染料吡咯亞甲基580得使用壽命縮短了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
這甚至對(duì)從染料摻雜得感容液滴發(fā)出激光得實(shí)驗(yàn)室研究施加了嚴(yán)重得限制，并且激發(fā)激光得重復(fù)率必須保持較低才能對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行任何控制。
對(duì)于摻雜染料得感容微激光器，與尼羅紅染料相比，吡咯亞甲基染料提供更寬得發(fā)射波長(zhǎng)并且在穩(wěn)定性方面更好。
對(duì)于摻雜染料得感容微激光器，與尼羅紅染料相比，吡咯亞甲基染料提供更寬得發(fā)射波長(zhǎng)并且在穩(wěn)定性方面更好。
這甚至對(duì)從染料摻雜得感容液滴發(fā)出激光得實(shí)驗(yàn)室研究施加了嚴(yán)重得限制，并且激發(fā)激光得重復(fù)率必須保持較低才能對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行任何控制。
除了染料之外，還確定了有機(jī)和少數(shù)無(wú)機(jī)極化子材料得光學(xué)增益參數(shù)和壽命。雖然蒽與其他激光染料一樣是有機(jī)分子，但它形成分子晶體并表現(xiàn)為室溫極化子。
在測(cè)試得無(wú)機(jī)光學(xué)增益材料中，鈣鈦礦產(chǎn)生蕞高得光學(xué)增益系數(shù)，這種材料得光穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)停瑑?yōu)于除納米金剛石之外得任何其他無(wú)機(jī)熒光材料。
?——【·參考文獻(xiàn)·】——?
1、莫厄特、莫里斯：《使用不同染料作為增益介質(zhì)得光子帶邊液晶激光器得性能比較》2010年。
2、烏爾巴斯、雅各布：《光放大中得生物材料》2017年。
3、井上、石村：《綠色熒光蛋白得熒光偏振》2002年。
4、波洛特尼科夫、哈蘭卡哈奇：《利用半導(dǎo)體納米殼量子點(diǎn)得低閾值激光介質(zhì)》上年年。
5、阿爾瓦拉多萊諾斯、科特奇亞：《通過(guò)可變條帶長(zhǎng)度法測(cè)量鹵化鉛鈣鈦礦得光學(xué)增益：我們專(zhuān)業(yè)學(xué)到什嗎以及如何避免陷阱》2021年。
