دانلود رایگان مقاله لیزر تابی حالت جامد ارگانیک با سه طول موج از کریستال مایع هالوگرافی با پلیمر پخش شده

چکیده

           لیزر تابی حالت‌جامد ارگانیک با سه طول‌موج از لیزر بازخورد توزیع‌شده (DFB) از کریستال مایع هالوگرافی با پلیمر پخش‌شده (HPDLC) و تخدیر رنگ‌شده با پلیمر نیمه‌رسانا (MEH-PPV) و رنگ لیزر (DCM) و توسط روش هالوگرافی یک مرحله‌ای نشان داده‌شده و مرکز آن در 605.5 و 611.9 و 671.1 نانومتر قرار دارد. محدوده تنظیم وابستگی به دما برای لیزر HPDLC DFB با تخدیر رنگ و سه طول‌موج به‌اندازه 8 نانومتر بوده است. انتشار لیزر از مرتبه 9 ام در HPDLC DFB با MEH-PPV به‌عنوان محیطی فعال نیز موردبررسی قرارگرفته و ویژگی‌های قطبی‌سازی-s ایده آلی نشان داده است. انکسار برای لیزر تابی دو طول‌موج با DSM به‌عنوان محیطی فعال، ترتیب مرتبه 9 ام و 8 ام است. نتایج این کار روشی برای ساخت تمام سامانه‌های فشرده و مقرون‌به‌صرفه لیزر هوشمند حالت‌جامد ارائه می‌دهد. این روش در تحقیقات علمی و کاربردی و درجایی که انتشار چندین طول‌موج موردنیاز است، کاربرد دارد.

1. دیباچه

           لیزرهای ارگانیک حالت‌جامد (OSSLs) توجه علمی قابل‌توجهی را به خود جذب کرده‌اند چون فشرده، مقرون‌به‌صرفه، عملیاتی در آستانه‌ای پایین هستند و قابلیت تنظیم و طیف وسیعی دارند. علاوه بر این، OSSLs قابلیت دستیابی به تزریق الکتریکی را نیز دارد، این کار باعث تبدیل آن‌ها به منبع لیزری هوشمند و  نویدبخش برای طیف‌سنجی، فوتونیک یکپارچه و سنجش می‌شود.

           OSSLs معمولاً برای محیط تخدیر رنگ ارگانیک لیزر را یا فیلم پلیمر نیمه‌رسانا را به‌عنوان محیط فعال در نظر می‌گیرد. پیکربندی حفره مانند بازخورد توزیع‌شده (DFB)، انعکاس‌دهنده براگ توزیع‌شده (DBR) و میکرو حفره برای ارائه بازخورد مثبت و گزینش حالت لیزر تابی مورداستفاده قرارگرفته است. پیکربندی DFB گزینش حالت ایده آلی ارائه می‌دهد و در میان این پیکربندی‌ها در آستانه‌ای پایین عمل می‌کند. پیکربندی DFB را می‌توان با فرایندهای قالب‌ریزی و نقش‌پذیری ایجاد کرد. علاوه بر این، توری کریستال مایع هالوگرافی با پلیمر پخش‌شده (HPDLC) را می‌توان با پیکربندی مناسب DFB توسط جداسازی فاز پلیمر القاشده (PIPS) انجام داد. علاوه بر این، توری HPDLC نسبت به دیگر فرایندهای قالب‌ریزی و نقش‌پذیری مزایایی دارند. این مزایا برای مقرون‌به‌صرفه بودن، سادگی در ساخت و تولید انبوه آن است. 

            OSSLs طول‌موج چندگانه خصوصاً در حوزه ارتباطات و آزمایشگاه روی یک تراشه، دستگاه‌های مفید و نویدبخش هستند چون لیزر تابی چند طول‌موجی  را می‌توان با لیزری هوشمند به دست آورد.  برای دستیابی به چنین هدفی، دیائو و همکارانش لیزر تابی دو طول‌موج از فیلم نیمه‌رسانا و تخدیر رنگ را با استفاده از HPDLC به‌عنوان حفره نوسان گزارش دادند. ژانگ و همکارانش لیزر تابی دو طول‌موج با انتشار سطح را از لایه دانه ترکیب‌شده و با استفاده از دو پلیمر نیمه‌رسانا نشان دادند. بااین‌حال، آن‌ها تنها دو نوع از محیط بهره را مورداستفاده قراردادند و نتوانستند دیدگاه‌هایی برای راهنمایی به دست آورند. لیزر تابی سه طول‌موج  برای OSSLs از HPDLC به‌عنوان حفره نوسان تاکنون نشان داده نشده است.

            در کار قبلی، کریستال مایع هالوگرافی با پلیمر پخش‌شده و لیزر بازخورد توزیع‌شده را از ترتیب مختلف انکسار نشان دادیم و اعتقادداریم که ترکیب ترتیب انکسار و LC باعث ایجادn جذابیت بیشتر در لیزر HPDLC DFB می‌شود. در این مطالعه، لیزر تابی سه طول‌موج از کریستال مایع هالوگرافی با پلیمر پخش‌شده و لیزر بازخورد توزیع‌شده با HPDLC تخدیر رنگ و فیلم پلیمر نیمه‌رسانا به‌عنوان محیط فعال نشان داده‌شده است و تا جایی که اطلاع داریم این موضوع برای اولین بار بوده است. فیلم پلیمر نیمه‌رسانا روی لایه شیشه به اسپین پوشش داده‌شده بوده و بین لایه شیشه و توری فیلم HPDLC قرارگرفته است. انتشار لیزر از ترتیب انکسار 9 ام برای لیزر HPDLC DFB موردبررسی قرارگرفته است. علاوه بر این، رنگ لیزر (DCM) در توری HPDLC تخدیر شده است.  رنگ لیزر DCM و فیلم پلیمر نیمه‌رسانا هر دو در دستگاهی به‌صورت کپسول قرارگرفته‌اند تا از اکسید شدن و تنزل نور پرتو القاشده جلوگیری کنند. لیزر تابی دو طول‌موج نیز از ترتیب انکساری متفاوت از DCM به‌دست‌آمده است. نتایج تجربی نشان دادند که لیزر تابی طول‌موج چندگانه درزمانی که حالات چند حفره‌ای در طیف بهره وجود داشته باشد، رخ می‌دهد. این دستگاه لیزر ویژگی‌های سبک‌وزنی، هوشمندی، مقرون‌به‌صرفگی و ساخت آسان را داشته، از عملیات  و تنظیم سه طول‌موج بهر می‌برد و در حوزه‌های سنجش و طیف‌سنجی نویدبخش خواهد بود.

2. موارد و روش‌ها

2.1. آماده‌سازی نمونه

            فیلم پلی (MEH-PPV) به‌عنوان لایه محیط فعال در نظر گرفته‌شده است. MEH-PPV (فناوری پلیمر سبک) با نرخ وزن 0.6wt% در تتراهیدروفوران حل‌شده است. محلول‌ها برای 72 ساعت به هم زده شدند تا از کفایت حل‌شدگی اطمینان حاصل شود. قطره‌ای از محلول MEH-PPV روی تکه‌ای از لایه شیشه‌ای که از پیش تمیز و یون‌های آن حذف‌شده برای قالب‌ریزی اسپین تزریق می‌شود. ضخامت فیلم MEH-PPV توسط سرعت متغیر اسپین کنترل‌شده و توسط پروفیلر سطح اندازه‌گیری می‌شود. این ضخامت برای عملیات لیزر تابی مناسب در 75 نانومتر کنترل‌شده است. تمام آزمایش‌ها تحت شرایط فراگیر انجام‌گرفته‌اند.

           فیلم توری HPDLC برای کریستال مایع هالوگرافی با پلیمر پخش‌شده توسط پلیمر سازی هالوگرافی پرتو القاشده در فیلم MEH-PPV ثبت‌شده است. ترکیب محیط هالوگرافی برای HPDLC عمدتاً حاوی مونومر آکریلات  و فتالیک گلیکول دی اکریلات و کریستال‌های مایع نماتیک بوده است. ان-وینیل پیرولیدون مونومر با پیوند متقابل نیز برای رقیق‌سازی به ترکیب اضافه‌شده است. رز بنگال  و N- فنیل گلیسین به ترتیب به‌عنوان آغازگر پرتو و کمک آغازگر مورداستفاده قرارگرفته‌اند. رنگ لیزر رأی ایجاد لیزر HPDLC DFB با تخدیر رنگ به ترکیب اضافه‌شده است. این ترکیب که با میله‌ای مغناطیسی به مدت 48 ساعت برای سیستم مواد همگن هم زده‌شده است توسط فعالیت مویرگی در اتاق تاریک به سلول شیشه‌ای خالی تزریق شد. سلول خالی از دولایه شیشه‌ای ایجادشده است. یکی از آن‌ها یک فیلم MEH-PPV با اسپین قالب‌ریزی شده داشت و دیگری صرفاً لایه‌ای از شیشه بود. ضخامت سلول توسط فاصله سازهایی به‌اندازه 9 میکرومتر کنترل‌شده است. این فاصله به‌اندازه کافی برای تزریق رنگ لیزر DCM در جهت جذب کافی انرژی تحریک برای ساخت نوسان لیزر تابی در زمان پمپاژ پرتو ضخامت داشته است. شاخص انکسار در کریستال مایع با پلیمر پخش‌شده  (PDLC، (LC با پلیمر و هم‌راستایی تصادفی )) برابر با 1.543 در 589.0 نانومتر است.

2.2. ساخت توری HPDLC

           فیلم عبور توری غیر اریب HPDLC توسط تابش به سلول به مدت سه دقیقه توسط دو پرتو لیزر آلومینیوم یتیم نئویمیم دو برابر با فرکانس پیوسته قطبی شده – s، پرتودرمانی شده است. این موضوع در شکل 1a نشان داده‌شده است. پرتو ثبت‌شده گسترش داده‌شده و پالایه گردیده تا تابش متحدالشکل را تضمین کند. متغیر تضعیف‌کننده نوری در مسیر پرتو قرار داده‌شده تا شدت پرتو را تنظیم نماید. پرتوهای لیزر هم‌فاز در زمان ساخت توری HPDLC، ابتدا از ترکیب پیش پلیمر عبور می‌کنند. این موضوع در شکل 1a نشان داده‌شده است. انرژی درزمانی که فیلم MEH-PPV در برابر پرتوهای لیزر هم‌فاز قرار می‌گیرد، به‌شدت جذب خواهد شد. بنابراین، نمی‌توان میدان تداخل را به صورتی کارآمد ساخت. فیلم HPDLC باعث حفاظت فیلم MEH-PPV در برابر اکسید شدن و تنزل پرتو القاشده می‌شود. 

Abstract

           Organic solid-state tri-wavelength lasing was demonstrated from dye-doped holographic polymer-dispersed liquid crystal (HPDLC) distributed feedback (DFB) laser with semiconducting polymer poly[-methoxy-5-(20 -ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene-vinylene] (MEH-PPV) and laser dye [4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran] (DCM) by a one-step holography technique, which centered at 605.5 nm, 611.9 nm, and 671.1 nm. The temperature-dependence tuning range for the tri-wavelength dye-doped HPDLC DFB laser was as high as 8 nm. The lasing emission from the 9th order HPDLC DFB laser with MEH-PPV as active medium was also investigated, which showed excellent s-polarization characterization. The diffraction order is 9th and 8th for the dual-wavelength lasing with DCM as the active medium. The results of this work provide a method for constructing the compact and cost-effective all solid-state smart laser systems, which may find application in scientific and applied research where multi-wavelength radiation is required.

1. Introduction

          Organic solid-state lasers (OSSLs) have attracted substantial scientific interest since they are compact, cost-efficient, operate at a low threshold, and have wide spectral covering and tunability [1–4]. Moreover, OSSLs have the potential to achieve electrical injection [5], which makes them smart and promising laser sources for spectroscopy [6], integrated photonics [7], and sensing [8].

          OSSLs usually use organic laser dye-doped medium [9] or semiconducting polymer film [10] as active medium. The cavity configuration such as distributed feedback (DFB) [11], distributed Bragg reflector (DBR) [12], and micro-cavity [10] was used to provide positive feedback and lasing mode selection. The DFB configuration provides excellent mode selection and operates with a low threshold among those configurations [2]. The DFB configuration can be fabricated by molding [13] and imprinting [11] process. In addition, the holographic polymer-dispersed liquid crystal (HPDLC) grating can also provide well-defined DFB configuration via polymer-induced phase separation (PIPS) [14]. Moreover, the HPDLC grating show advantages over those molding and imprinting process for it is cost-effectiveness, ease of fabrication, and mass production.

         Multi-wavelength OSSLs are useful and promising devices, especially in the field of communications [15] and lab-on-a-chip [16], since multi-wavelength lasing can be achieved with one smart laser. To achieve this goal, Diao et al. reported the dual-wavelength lasing from the semiconducting film and the doped dye using the HPDLC as oscillation cavity [17]. Zhang et al. demonstrated the surface-emitting dual-wavelength laser from a blended gain layer using two semiconducting polymer [18]. However, they just used two kinds of gain medium and cannot provide insights for guidance. The tri-wavelength lasing was not demonstrated for OSSLs from the HPDLC as oscillation cavity until now.

           In previous work, we demonstrated that the organic holographic polymer-dispersed liquid crystal and a distributed feedback laser from different diffraction orders, and we believed that the combination of the diffraction order and LC provide a more intriguing feature to the HPDLC DFB laser [19]. In this study, a tri-wavelength lasing from a holographic polymer-dispersed liquid crystal and a distributed feedback laser with dye-doped HPDLC and a semiconducting polymer film as an active medium was demonstrated—and to the best of our knowledge, for the first time. The semiconducting polymer film was spin-coated onto a glass substrate and sandwiched between the glass substrate and the HPDLC grating film. The lasing emission from the 9th diffraction order for the HPDLC DFB laser was investigated. In addition, the laser dye [4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran] (DCM) was doped into the HPDLC grating. The laser dye DCM and semiconducting polymer film were both encapsulated into the device to prevent photo-induced oxidation and degradation. A dual-wavelength lasing was also achieved from a diffraction order different from DCM. The experimental results demonstrated that multi-wavelength lasing occurs when there are multi-cavity modes in the gain spectra. The laser device, which is lightweight, smart, cost-effective, and easy to fabricate, and enjoys tri-wavelength operation and tunability, is promising in the fields of sensing and spectroscopy.

2. Materials and Methods

2.1. Sample Preparation

          The poly[-methoxy-5-(20 -ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene-vinylene] (MEH-PPV) film was used as an active medium layer. The MEH-PPV (Polymer Light Technology) was dissolved in tetrahydrofuran (THF) by weight ratio at 0.6 wt %. The solutions were stirred for 72 h to ensure sufficient dissolution. A drop of MEH-PPV solution was injected on a piece of deionized pre-clean glass substrate for spin-casting. The thickness of the MEH-PPV film was controlled by varying the spin speed and measured by a surface profiler (KLA Tencor P-16+). The thickness was controlled at 75 nm for good lasing operation [20]. All experiments were performed under the same ambient circumstances.

          For holographic polymer-dispersed liquid crystal (HPDLC) distributed feedback (DFB) laser fabrication, the HPDLC grating film was recorded onto the MEH-PPV film via holography photo-induced polymerization [14]. The holographic medium mixture for HPDLC mainly contained acrylate monomers (dipentaerythritol hydroxyl pentaacrylate (DPHPA, Aldrich, 29.4 wt %, Shanghai, China) and phthalicdiglycoldiacrylate (PDDA, Eastern Acrylic Chem, 29.4 wt %, Shandong, China)) and nematic liquid crystals (TEB-30A, no = 1.522, ∆n = 0.170, Silichem, 29.4 wt %). Crosslinking monomer N-vinylpyrrolidone (NVP, Aldrich, 9.8 wt %, Shanghai, China) was also added to dilute the mixture. Rose Bengal (RB, Aldrich, 0.5 wt %, Shanghai, China) and N-phenylglycine (NPG, Aldrich, 1.5 wt %, Shanghai, China) was used as photo-initiator and co-initiator, respectively [19]. The laser dye 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM, Aldrich, 0.5 wt %, Shanghai, China) was added in the mixture for dye-doped HPDLC DFB laser fabrication [17]. The mixture, which was stirred with a magnetic bar for 48 h for a homogeneous material system, was injected into an empty glass cell by capillary action in a darkroom. The empty cell was made with two pieces of glass substrate. One had a spin-cast MEH-PPV film, and the other was a pure glass substrate. The thickness of the cell was controlled by spacers at 9 µm, which was thick enough for the doping DCM laser dye to absorb enough excitation energy for lasing oscillation buildup when photo pumping. The refractive index of the polymer-dispersed liquid crystal (PDLC, (the LC with random alignment and the polymer)) was 1.543 at 589.0 nm, which was confirmed by an Abbe refractometer (2WA, Kernco, El Paso, TX, USA). The refractive index of MEH-PPV film was 2.0 at 589.0 nm [21].

2.2. HPDLC Grating Fabrication

         The unslanted transmittance HPDLC grating film was photo-cured by illuminating the cell for three minutes by two s-polarized continuous frequency doubled neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd3+:YAG) laser beams (New Industries Optoelectronics, Changchun, China), as shown in Figure 1a [20]. The recording beam was expanded and filtered to ensure uniform illumination. A variable optical attenuator was inserted to the beam path to regulate the beam intensity. The coherent laser beams pass through the pre-polymer mixture first when fabricating the HPDLC grating as shown in Figure 1a. The energy will be absorbed strongly when the MEH-PPV film faces the coherent laser beams. Therefore, the interference field cannot be built up effectively. The HPDLC film can also protect the MEH-PPV film from photo-induced oxidation and degradation [22]. 

چکیده

1. دیباچه

2. موارد و روش‌ها

2.1. آماده‌سازی نمونه

2.2. ساخت توری HPDLC

2.3. ویژگی‌ای لیزر تابی

3. نتایج و مباحثه

3.1. ویژگی‌های اسپکتروسکوپی

3.2. مکانیسم لیزر HPDLC DFB

3.3 لیزر تابی سه طول‌موج از لیزر HPDLC DFB با تخدیر رنگ

3.4. مشخصات تنظیم برای لیزر تابی سه طول‌موج توسط بالا بردن دما

4. نتیجه‌گیری

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Materials and Methods

2.1. Sample Preparation

2.2. HPDLC Grating Fabrication

2.3. Lasing Characterization

3. Results and Discussion

3.1. Spectroscopic Characterization

3.2. The Mechanism of HPDLC DFB Laser

3.3. Tri-Wavelength Lasing from Dye-Doped HPDLC DFB Laser

3.4. Tuning Property for the Tri-Wavelength Lasing HPDLC DFB Laser by Elevating Temperature

4. Conclusions

References