聚合物稳定液晶激光器和设备

1.本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及聚合物稳定液晶激光器和设备。


背景技术：

2.激光器通常由泵浦源、谐振腔和增益介质三部分组成。增益介质一般为发光染料或者半导体发光材料，泵浦源作为外部能量源，让增益介质产生粒子数反转，而谐振腔选择频率波长一定的光进行增益放大，当产生的光的增益大于损耗的阈值，激光器即可产生激光出射。目前最常用的激光器是半导体激光器，但半导体激光器温度特性差、容易产生噪声而且输出光发散，在一些场合并不适合运用。与之相对，聚合物稳定液晶激光器有着稳定性高、调谐范围大等优点，可以解决半导体激光器存在的一些缺点。然而，聚合物稳定液晶激光器的增益介质通常为发光染料如dcm和pm597，但普通发光染料会使得聚合物稳定液晶激光器的激光阈值高而发射强度低。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种激光阈值低、发射强度高的聚合物稳定液晶激光器和设备。
4.根据本实用新型的第一方面实施例的聚合物稳定液晶激光器，该聚合物稳定液晶激光器包括激光器主体，激光器主体包括：
5.第一透光导电层；
6.第二透光导电层，与第一透光导电层相对设置；
7.谐振腔单元，谐振腔单元位于第一透光导电层和第二透光导电层之间，谐振腔单元内具有钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层。
8.根据本实用新型实施例的聚合物稳定液晶激光器，至少具有如下有益效果：
9.当本实用新型实施例的聚合物稳定液晶激光器中钙钛矿量子点因泵浦源激发的放大自发辐射(ase)的光波长刚好与聚合物稳定液晶的反射波段有重叠时，放大自发辐射产生的光就会被聚合物稳定液晶不断反射，反射光进一步激发钙钛矿量子点产生受激辐射，进而不断实现光增益，当产生的光增益大于光在传播途中因反射与折射造成的损耗，即可实现激光出射。钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层中的钙钛矿量子点具有较高的荧光量子产率，可以达到50～100％。极高的荧光量子产率使其更容易产生ase，相应地更容易产生激光出射，也就进一步导致了更高的发射强度以及更低的激光阈值。
10.根据本实用新型的一些实施例，钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层为全无机钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层。
11.根据本实用新型的一些实施例，全无机钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层为cspbx3钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层。其中，x为cl、cl
m
br3‑
m
、br、br
m
i3‑
m
、i中的至少一种，0<m<3。钙钛矿量子点作为一种高性能发光材料，作为其中代表的cspbx3量子点荧光量子产率高，利用这类钙钛矿量子点聚合物稳定液晶后，产生ase的阈值极低，同时发光半高宽度窄，可
以达到20nm以下，线性好。
12.根据本实用新型的一些实施例，钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层中有至少两种钙钛矿量子点，不同的钙钛矿量子点具有不同的发光波段。由于聚合物稳定液晶的螺距可调性，在通过两侧的第一透光导电层和第二透光导电层对聚合物稳定液晶施加电压/或改变两侧电压后，聚合物稳定液晶中游离的杂质阳离子会带动聚合物网络运动，进而带动胆甾相液晶的螺旋结构发生形变，形成螺距梯度/或螺距梯度发生改变，光子禁带因此改变，从而使发光波段不同的钙钛矿量子点可以随着光子禁带的改变分别实现激光出射，使激光器实现变色效果。例如，可以包括发光波段为蓝光的cspbcl3、发光波段为绿光的cspbbr3以及发光波段为红光的cspbi3等。
13.根据本实用新型的一些实施例，谐振腔单元的厚度为5～30μm。
14.根据本实用新型的一些实施例，激光器主体的厚度为1.4～2.2cm。
15.根据本实用新型的一些实施例，第一透光导电层在靠近谐振腔单元的一侧设有第一平行取向层，第二透光导电层在靠近谐振腔单元的一侧设有第二平行取向层。第一平行取向层和第二平行取向层的取向方向相同。利用第一平行取向层和第二平行取向层使谐振腔单元内的聚合物稳定液晶按照特定的方向取向。
16.根据本实用新型的一些实施例，激光器主体还包括间隔模块，间隔模块分别与第一透光导电层和第二透光导电层抵持而形成容置空间，容置空间用于容置谐振腔单元。
17.根据本实用新型的一些实施例，间隔模块主要由厚度控制胶组合物制成，厚度控制胶组合物包括间隔子和紫外固化胶。
18.根据本实用新型的一些实施例，厚度控制胶组合物包括0.5～2质量份的间隔子和95～100质量份的紫外固化胶。
19.根据本实用新型的一些实施例，还包括泵浦源，泵浦源用于向激光器主体提供泵浦能量。
20.根据本实用新型的一些实施例，泵浦源为脉冲激光器。
21.根据本实用新型的第二方面实施例的设备，包括上述的聚合物稳定液晶激光器。该设备可以是光子集成、光纤通信、生物检测和光学传感领域的使用上述激光器的设备，例如一种光学设备，采用上述的聚合物稳定液晶激光器作为光源使用。
22.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
23.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：
24.图1为本实用新型实施例的聚合物稳定液晶激光器的结构示意图；
25.图2～图4为本实用新型实施例的聚合物稳定液晶激光器的激光器主体在不同电压条件下的进出光示意图。
26.附图标记：第一透光导电层110、第一平行取向层120、谐振腔单元130、第二平行取向层140、第二透光导电层150、电源160、间隔模块170、泵浦脉冲激光210、出射激光220、胆甾相液晶231、聚合物网络232、第一钙钛矿量子点241、第二钙钛矿量子点242、第三钙钛矿量子点243。
具体实施方式
27.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
30.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
31.本实用新型的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
32.本实用新型的描述中，提供一种聚合物稳定液晶激光器，该聚合物稳定液晶激光器包括泵浦源和激光器主体。参考图1，激光器主体包括第一透光导电层110、谐振腔单元130和第二透光导电层150，谐振腔单元130内具有钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层。泵浦源产生泵浦光，泵浦光从第一透光导电层110进入谐振腔单元130，进而激发钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层中的钙钛矿量子点产生ase，ase的辐射光与钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层的反射波段重叠，ase的辐射光受钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层的不断反射，反射光进一步激发钙钛矿量子点产生受激辐射，从而实现光增益，当产生的光增益大于因折射与反射造成的损耗，即可实现由第二透光导电层150进行激光出射。钙钛矿量子点的荧光量子产率通常在50～100％，较高的荧光量子产率会使谐振腔单元130内更容易产生ase，也就更容易产生激光出射，进一步导致更高的发射强度和更低的激光阈值。
33.在本实用新型的一些具体实施例中，钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层中的钙钛矿量子点具有至少两种不同的发光波段。由于聚合物稳定液晶的螺距可调性，在对聚合物稳定液晶施加电压后，聚合物稳定液晶中游离的杂质阳离子会带动聚合物网络运动，进而带动胆甾相液晶的螺旋结构发生形变，形成螺距梯度，从而使发光波段不同的钙钛矿量子点可以随着光子禁带的改变分别实现激光出射，使激光器获得变色效果。
34.在本实用新型的一些具体实施例中，第一透光导电层110靠近谐振腔单元130的一侧设有第一平行取向层120，第二透光导电层150靠近谐振腔单元130的一侧设有第二平行取向层140。第一平行取向层120和第二平行取向层140可以采用诸如聚乙烯醇溶液等原料
制成。
35.在本实用新型的一些具体实施例中，第一透光导电层110和第二透光导电层140分别与电源160的两极相连，通过电源160对谐振腔单元130两侧施加电压或改变两侧的电压，使钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层中游离的杂质阳离子会带动聚合物网络运动，胆甾相液晶形成螺距梯度/或螺距梯度发生改变，光子禁带因此改变，从而使发光波段不同的钙钛矿量子点可以随着光子禁带的改变分别出射，使激光器实现变色效果。
36.在本实用新型的一些具体实施例中，激光器主体还包括间隔模块170，间隔模块170主要由厚度控制胶组合物制成，厚度控制胶组合物包括硅胶间隔子和紫外光固化胶的原料。通过紫外光固化胶将硅胶间隔子固化形成间隔子的核层和包覆核层的固化胶层，在第一透光导电层110和第二透光导电层150之间使两者形成容置空间以便于后续的钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层的填充，并且通过间隔模块170的硅胶间隔子控制第一透光导电层110和第二透光导电层150的间距(谐振腔单元130的厚度)。一般谐振腔单元130的厚度在间隔模块170的控制下为5～30μm。而激光器主体的厚度为1.4～2.2cm。
37.该聚合物稳定液晶激光器的制备方法如下：
38.(1)黄光条件下，分别取87.45质量份的负性液晶hng
‑
30400
‑
200、3.55质量份的手性掺杂剂r5011、5质量份的液晶单体hcm
‑
009和1质量份的光引发剂irg651(安息香双甲醚)，棕色瓶子中60℃条件下搅拌均匀，配制成聚合物稳定液晶。
39.(2)分别取1质量份的cspbcl3、cspbbr3和cspbi3量子点，常温下加入配制好的聚合物稳定液晶中，常温超声1h后机械搅拌3h，得到钙钛矿量子点聚合物稳定液晶。
40.(3)取干净透光的ito基板(氧化铟锡导电玻璃)，涂5质量份的聚乙烯醇水溶液，在60℃下蒸1h，降温至常温后，用天鹅黑绒布沿着一个方向摩擦涂有聚乙烯醇水溶液的透明基板，形成平行取向结构。
41.(4)取一块形成平行取向结构的ito基板，用厚度控制胶组合物(由1质量份的硅胶间隔子和99质量份的紫外固化胶混合而成)在ito基板四周点胶，取另一块形成平行取向结构的ito基板，与点胶过后的ito基板相对设置，做成液晶盒，将配制好的钙钛矿量子点聚合物稳定液晶混合物在60℃的热台上填充进液晶盒中，随后将填入混合液晶的液晶盒在紫外光条件下进行固化，形成聚合物稳定液晶激光器。
42.在谐振腔单元130的一端的电源160施加的电压为0且没有泵浦源刺激的情况下，钙钛矿量子点聚合物稳定液晶层中的钙钛矿量子点发生自发辐射，量子点内处于高能级的每一个电子跃迁至低能级，并释放了一个光子，自发辐射产生偏振光，然而自发辐射偏振光的波长刚好处于钙钛矿量子点聚合物稳定液晶中的胆甾相液晶的光子禁带内，光子密度几乎为零，于是被不断反射直至能量被损耗殆尽。
43.参考图2，是本实用新型实施例的聚合物稳定液晶激光器的激光器主体在电源160的电压为0v时的进出光的示意图。泵浦源向激光器主体发出泵浦光，该泵浦光为泵浦脉冲激光210，泵浦脉冲激光210通过第一透光导电层110及第一平行取向层120进入谐振腔单元130，谐振腔单元130内光固化后出现胆甾相液晶231和聚合物网络232，胆甾相液晶231由负性液晶和手性掺杂剂形成，聚合物网络232由液晶单体、光引发剂和光照作用形成。在第一平行取向层120和第二平行取向层140的作用下，胆甾相液晶231形成平行于两侧的胆甾相结构和特定的螺距，泵浦脉冲激光210进入谐振腔单元130后，第一钙钛矿量子点241、第二
钙钛矿量子点242以及第三钙钛矿量子点243发生受激吸收，处于低能级的电子吸收泵浦源供给的能量跃迁至高能级，并因此产生粒子数反转。此时，第一钙钛矿量子点241因泵浦脉冲激光210产生的自发辐射的波段位于胆甾相液晶231的光子禁带边沿，光子密度为极大值，自发辐射产生的光在被胆甾相液晶231不断反射，并进一步激发第一钙钛矿量子点241产生更多的自发辐射后，实现ase，当产生的光大于反射光消耗的能量，第一钙钛矿量子点241波段的激光经由第二平行取向层140和第二透光导电层150向外发出出射激光220。与此同时，第二钙钛矿量子点242以及第三钙钛矿量子点243因泵浦脉冲激光210产生的自发辐射的波段在胆甾相液晶231的光子禁带内，光子密度几乎为零，于是自发辐射产生的光在谐振腔单元130内的不断反射过程中逐渐消耗，最终无法由第二透光导电层150向外出光。第一钙钛矿量子点241、第二钙钛矿量子点242以及第三钙钛矿量子点243附近向下的箭头表示该钙钛矿量子点的自发辐射最终能否由第二透光导电层150出光，一个箭头表示产生自发辐射但最终无法出光，三个箭头表示产生的自发辐射最终能出光。第一钙钛矿量子点241为cspbcl3，最终实现蓝色光的带边激光出射。
44.此时，调节电源160的电压由0v变为10v，使谐振腔单元130两侧的电压发生变化，参考图3，在此过程中，聚合物稳定液晶中游离的杂质阳离子会带动聚合物网络232运动，进而带动胆甾相液晶231的螺旋发生形变，螺距梯度发生变化。第一钙钛矿量子点241和第三钙钛矿量子点243因泵浦脉冲激光210产生的自发辐射的波段在螺距梯度改变后的胆甾相液晶231的光子禁带内，光子密度几乎为零，第二钙钛矿量子点242的自发辐射的波段在胆甾相液晶231的光子禁带边沿，光子密度为极大值。因而第一钙钛矿量子点241和第三钙钛矿量子点243的自发辐射产生的光在谐振腔130内的不断反射过程中逐渐消耗，从而无法出光；第二钙钛矿量子点242的自发辐射产生的光在螺距梯度改变后的胆甾相液晶231作用下的不断反射过程中实现ase，当产生的光大于反射光消耗的能量后，实现激光出射。第二钙钛矿量子点242为cspbbr3，最终实现绿色光的带边激光出射。
45.进一步，调节电源160的电压由10v变为20v，使谐振腔单元130两侧的电压发生变化，参考图4，在此过程中，聚合物稳定液晶中游离的杂质阳离子进一步带动聚合物网络232运动，使螺距梯度发生更大的变化。第一钙钛矿量子点241和第二钙钛矿量子点242因泵浦脉冲激光210产生的自发辐射的波段在螺距梯度改变后的胆甾相液晶231的光子禁带内，光子密度几乎为零，第三钙钛矿量子点243的自发辐射的波段在胆甾相液晶231的光子禁带边沿，光子密度为极大值。因而第一钙钛矿量子点241和第二钙钛矿量子点242的自发辐射产生的光在谐振腔130内的不断反射过程中逐渐消耗，从而无法出光；第三钙钛矿量子点243的自发辐射产生的光在螺距梯度改变后的胆甾相液晶231作用下的不断反射过程中实现ase，当产生的光大于反射光消耗的能量后，实现激光出射。第二钙钛矿量子点242为cspbi3，最终实现红色光的带边激光出射。
46.综上，通过电源160调节谐振腔单元130两侧的电压从而使聚合物稳定液晶激光器在不同的外加电压条件下获得不同波段的激光出光效果。使用上述聚合物稳定液晶激光器制得的设备在光子集成、光纤通信、生物检测和光学传感领域具有良好的应用前景。
47.上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特
征可以相互组合。