СФЕРИЧЕСКИЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Российский патент 2015 года по МПК H01S3/06 H01S3/213 G02F1/13 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение предназначено для производства лазеров, а точнее, для области производства лазеров на красителе.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современная технология для производства микроэлектронных и оптоэлектронных схем позволяет осуществлять эффективное производство микролазеров. Диодные полупроводниковые микролазеры известны особенно широко, поскольку они представляют собой наиболее часто используемый тип лазеров. Когда заряженный электричеством тонкий слой вокруг полупроводникового p-n-перехода функционирует как активная среда, испускающая свет. Эта активная лазерная область должна находиться в пределах объемного резонатора, который может быть изготовлен несколькими различными способам. Что касается типа резонатора, основными типами полупроводящих слоев являются лазер Фабри-Перо, лазер с распределенной обратной связью (distributed feedback, DFB) и полупроводниковые лазеры на вертикальных резонаторах (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL).

Лазер Фабри-Перо является простейшим и в настоящее время наиболее широко используемым. Его объемный резонатор изготавливают путем разрезания полупроводниковых кристаллов, содержащих p-n-переход, по обеим сторонам и вдоль кристаллической структуры. Таким путем мы создаем две абсолютно плоскопараллельные поверхности, функционирующих как зеркала. Свет проходит вдоль p-n-перехода, отражаясь несколько раз от этих поверхностей, перед тем, как покинуть диод в виде лазерного пучка.

В случае лазеров с распределенной обратной связью (DFB, distributed feedback) свет также проходит вдоль перехода. Здесь, зеркала на обоих концах диода изготовлены путем протравливания дифракционной решетки вовнутрь него. Эта дифракционная решетка имеет периодическую структуру с высокими и низкими показателями преломления, известную как одномерное зеркало Брэгга, которое может, из-за интерференции света, селективно отражать определенную длину волны, при которой лазер испускает свет. Таким образом, мы создаем более совершенные зеркала, чем в случае лазеров с резонатором Фабри-Перо, поскольку здесь лазер имеет более узкую спектральную линию.

В отличие от вышеупомянутых лазеров VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser, полупроводниковый лазер на вертикальном резонаторе) испускает лазерное излучение, перпендикулярное p-n-переходу. В этом случае, объемный резонатор должен быть изготовлен таким образом, чтобы его резонансный эффект был наибольшим в направлении, перпендикулярном переходу; по этой причине, зеркала находятся в плоскости перехода. Зеркала изготавливают путем поочередного осаждения плоских слоев твердых частиц попеременно, с высоким и низким показателями преломления. Физический принцип отражения является тем же, что и в случае DFB-лазеров, только в данном случае их направление и способ производства являются различными.

Все вышеуказанные типы объемного резонатора представляют собой одномерные оптические микрорезонаторы, которые также могут называться линейными микрорезонаторами. Они ограничивают световые волны только одним направлением, т.е., направлением, перпендикулярным зеркалам.

Кроме того, известны способы производства для микролазеров на основе микрорезонаторов типа «шепчущей галереи». В этом случае, в качестве оптических резонаторов могут вести себя небольшие прозрачные шарики или капельки. Если показатель преломления среды внутри капельки является большим, чем показатель преломления внешней среды, свет может полностью отражаться от границы назад в капельку. В этом случае, мы получаем круговые орбиты света, отражающегося много раз и полностью от поверхности, и выходящего назад в той же точке. Если длина орбиты равна нескольким длинам волн, то возникает режим резонанса, и капелька начинает функционировать как оптический микрорезонатор. Как правило, источник света в резонаторе представляет собой просто флуоресцентный краситель, диспергированный в капельке и накачанный внешним светом. Спектр света, испускаемого капелькой, включает резонансные максимумы, соответствующие круговым резонансным орбитам. Если капелька накачана импульсным лазером, и краситель является таким, что он демонстрирует эффект стимулированного излучения, порог для режима генерирования лазера превышается. Теперь, резонатор испускает одно- или многомодовый свет.

Из ссылочной литературы мы также за некоторое время хорошо ознакомились со способами производства лазеров на красителях на основе холестерических (хиральных нематических) жидких кристаллов и на основе жидкокристаллических голубых фаз. Обзор лазеров на красителях на основе холестерических жидких кристаллов, легированных лазерным красителем, представлен в обзорной статье Harry Coles and Stephen Morris, Liquid-crystal lasers, Nature Photonics, Vol. 4, 676-685 (2010) («Жидкокристаллические лазеры, природная фотоника»). Основной принцип функционирования лазера на красителе на основе холестерических жидких кристаллов основан на одномерной спиральной структуре холестерической фазы, которая формируется спонтанно и является характеристической для этой фазы. Из-за большой оптической анизотропии, т.е., из-за разности между скоростями распространения света вдоль и поперек холестерических молекул, спиральная структура молекул в холестерической фазе отображает оптическую среду, показатель преломления которой периодически изменяется вдоль спирали. Эта среда, таким образом, спонтанно создает одномерную, оптически модулированную структуру, период которой составляет примерно от 100 нм до 100 мкм, и ее можно видоизменять, выбирая вещество или смешивая несколько разных веществ. Последствие одномерной модуляции показателя преломления состоит в появлении запрещенной зоны в дисперсном соотношении, для распространения света вдоль спирали, также называемой фотонной запрещенной зоной. Распространение света, частота которого находится в запрещенной полосе частот, в таком материале не допускается. Особым признаком такого материала является то, что свет, падающий на холестерические жидкие кристаллы, в направлении спирали, отражается, если его частота (а косвенно, и его длина волны) попадает в запрещенный диапазон рассеяния. Холестерическая фаза, таким образом, создает одномерные (1D) фотонные кристаллы. Такие 1D фотонные кристаллы можно использовать в качестве брэгговских зеркал, которые ограничивают пространство и создают 1D оптический лазер резонатор. Нам также известны специальные разновидности брэгговских зеркал на основе холестерической фазы, где мы используем пару идентичных холестерических зеркал, при помещении тонкого диэлектрического слоя между ними. Такая структура также создает 1D оптический лазерный резонатор, где достигается функционирование лазера за счет легирования жидких кристаллов или тонкого диэлектрического слоя лазерным красителем. Все такие лазеры на красителях основаны на холестерических жидких кристаллах, испускающих когерентный лазерный свет в точно определенном направлении.

В ссылочной литературе мы смогли обнаружить два технических решения для 3D сферического лазера, испускающего когерентный лазерный свет равномерно по всем направлениям в пространстве. Что касается патентно-регистрационной документации, в Патенте США 4,829,537, Th. M. Baer описывает техническое решение для сферического лазера на основе сферического резонатора, изготовленного из твердого тела, - активного лазерного материала. Сферический лазерный резонатор имеет форму изотропной сферы, изготовленной из активного лазерного материала и покрытой тонким отражающим слоем. Оптическое пропускание этого отражающего слоя сформировано таким образом, чтобы он пропускал весь свет, который мы можем прокачать через внешний источник, - активный лазерный материал, от сферического резонатора, тогда как, в то же время, этот слой сильно отражает длины волн своих собственных мод электромагнитного колебания, сформированных внутри сферического резонатора. Вышеуказанный патентный документ описывает различные пути создания оптической связи с внешним источником светового излучения накачки и накачки активной среды, подобно использованию оптических волокон или призмы. Автор изобретения приводит пример технического решения, т.е., очень маленьких сфер Nd:YAG, оптически прокачиваемых с помощью диодного лазера. Вышеуказанная регистрационная документация не дает никакого решения очевидной проблемы выравнивания частот мод электромагнитного колебания активной лазерной сферы, с определенным радиусом сферы, и ее частоты стимулированного излучения, определяемого характеристиками активной среды, - в данном случае, материала Nd:YAG. Техническая слабость предложенного сферического лазера, таким образом, состоит в сильной температурной чувствительности амплитуды стимулированного излучения сферического резонатора с поверхностным отражателем, что является результатом выравнивания температур резонатора.

В патентно-регистрационной документации US 2006/0227842 A1, подготовленной S. S. Townsend и R. LaComb, описана техническая реализация сферического лазера, аналогичного лазеру, описанному в патентной документации US 4,829,537. Авторы описывают сферический прозрачный барабан, заполненный активной лазерной средой. Внутри поверхность сферического барабана покрыта частично отражающим слоем, вследствие чего барабан может образовывать сферический оптический резонатор. Вышеуказанные авторы разъясняют, что стимулированное излучение активной лазерной среды, заполняющей резонатор, вызвано внешними влияниями. Когда стимулированное излучение преодолевает потери в резонаторе, мы получаем равномерно распределенный и испускаемый лазерный свет. Авторы также описывают техническое решение, согласно которому отражающая сфера помещена в центр барабана - резонатора, тогда как активная среда заполняет пространство, образующее оболочку между внешним барабаном и сферой в центре барабана.

Из ссылочной литературы мы также хорошо ознакомились с исследованиями в смесях жидких кристаллов и изотропной жидкости, образующей особые типы материалов, называемых жидкими кристаллами с диспергированным полимером (Polymer Dispersed Liquid Crystals, сокращенно PDLC). В этих смесях жидкие кристаллы и изотропные жидкости не взаимодействуют, вследствие чего жидкие кристаллы спонтанно отделяются от смеси, образующей маленькие капельки. Для случая нематических жидких кристаллов, нам известно о различных структурах молекул жидких кристаллов в капле; нам также известны структуры капель, образованных холестерическими жидким кристаллами. Дисперсия маленьких капель жидких кристаллов в полимере указывает на характеристический электрооптический эффект, обеспечивающий то, что размер капель жидких кристаллов является меньшим, чем длина волны видимого света. В таком случае, расположение молекул в капле изменяется под влиянием внешнего электрического поля, также вызывающего изменение во внешнем виде тонкого слоя такой смеси, которая становится прозрачной выше определенного значения напряженности электрического поля. Обзор такой литературы можно обнаружить в книге Paul S. Drzaic, Liquid Crystal Dispersions (World Scientific Publishing Company, Singapore, 1995) («Дисперсия жидких кристаллов»). Ссылочная литература не включает в себя никаких отчетов по использованию маленьких капель холестерических жидких кристаллов в качестве оптического 3D микрорезонатора брэгговского типа, который можно было бы использовать в качестве 3D источника лазерного света.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом настоящего изобретения является обеспечение микроскопического источника лазерного света, т.е. источника когерентного и монохроматического света, который может быть встроен в обработку оптических интегральных микросхем и распространяет оптические сигналы в целях освещения объектов, а также для использования в микроскопии, устройствах отображения и голографии. Источник света, предназначенный для таких целей, должен быть когерентным, т.е., он должен испускать свет с одной длиной волны, тогда как этот свет должен быть сопряжен по фазе. Иногда бывает желательным, чтобы источник лазера испускал свет по всем направлениям, и чтобы длину волны испускаемого им света можно было бы легко изменить. В других случаях является желательным, чтобы источник испускал свет в конкретных направлениях, при поглощении света одним или более волноводами.

Указанная задача достигается с помощью жидкокристаллического лазера по п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления этого лазера являются объектом изобретения по зависимым пунктам формулы изобретения или раскрыты в последующих частях описания.

Предложенный источник лазерного света включает одну или более капель хиральных жидких кристаллов. Является предпочтительным, чтобы каждая капля жидких кристаллов была не обязательно сферической, и в одном из вариантов осуществления была бы окружена тонким слоем твердого тела или полимера, или некоторого другого материала, который не позволяет жидкокристаллическим молекулам выходить наружу. В другом варианте осуществления у капли жидких кристаллов также может отсутствовать непроницаемый слой на ее поверхности, при заполнении внешней среды материалом, с которым жидкие кристаллы не смешиваются, с образованием четкой границы с ним. Внешнее пространство жидкокристаллической капли заполнено газом, жидкостью, твердым телом или другим типом жидких кристаллов, или оно также может представлять собой вакуум. Внутри капли заполнена хиральными жидкими кристаллами и дополнительной активной лазерной средой. Жидкие кристаллы внутри капли также могут быть полимеризованными. Внутреннюю поверхность оболочки жидкокристаллической капли, или границу между жидкими кристаллами и их внешним пространством изготавливают таким образом, чтобы на этой поверхности жидкокристаллические молекулы располагались параллельно поверхности. Из-за хиральности и расположения жидкокристаллических молекул параллельно внешней поверхности сферы, жидкие кристаллы внутри капли располагаются в форме спиральной структуры, поскольку это обычно характерно для хиральных жидких кристаллов. Такая спиральная структура приводит к периодическому изменению направлений главных осей диэлектрического тензора в радиальном направлении, вызывая стратификацию оптических свойств капли в радиальном направлении. В центре хиральной жидкокристаллической капли может иметь место точечный дефект, здесь также может иметь место линейный дефект на линии от центра к поверхности капли; однако, центр капли также может быть заполнен сферическим объектом или объектом другой формы, имеющим свой центр в середине жидкокристаллической капли. Сферический объект, заполняющий центр капли, может быть изготовлен из газа, жидкости, которая не смешивается с жидкими кристаллами, или твердого тела. Он также может быть изготовлен из другого типа жидких кристаллов, которые не смешиваются с жидкими кристаллами капли. При наличии такого центрально расположенного сферического объекта активный лазерный материал может быть помещен в центр капли. Существует также вариант, при котором другие материалы, помещенные в центр капли, влияют на параметры генерации лазера. Таким образом, данным способом можно достигнуть контроля над генерацией лазера.

Капля, содержащая жидкие кристаллы со спиральной структурой, расположенные в радиальном направлении, и добавленным активным лазерным материалом, характеристикой которого является стимулированное излучение света, освещается с помощью внешнего источника света. Мы можем освещать только одну часть капли, если активный лазерный материал, в частности, лазерный краситель, неравномерно распределен внутри капли, предпочтительно, в центре капли. Активный лазерный материал может быть диспергирован в жидких кристаллах, или также может быть включен в каплю иным образом. Освещение освещают таким образом, чтобы избыток стимулированного излучения света превышал его потери, с достижением уровня выше определенной плотности потока света накачки. Радиальная модуляция показателя преломления внутри капли вызывает брэгговское отражение света, который исходит из центра капли, и, вследствие отражения, возвращается назад к нему. Таким образом, жидкокристаллическая спиральная структура функционирует как радиальный брэгговский отражатель, тогда как капля функционирует как радиальный оптический резонатор, собственные частоты генерации электромагнитного поля которого заданы с периодом спирали хиральных жидких кристаллов и со скоростью распространения света внутри жидких кристаллов. Представляется, что испускаемый свет превышает порог лазерного излучения и равномерно распространяется по всему телесному углу. Мы также можем захватывать испускаемый свет в оптический волновод, имеющий форму диэлектрического объекта, пронизывающего каплю в радиальном направлении по направлению к ее центру. Волновод также может пронизывать всю жидкокристаллическую каплю. Значительное множество жидкокристаллических лазеров может образовывать двух- или трехмерную сеть, создавая, таким путем, источник лазерного света, взаимно скомпонованных в пространстве или на плоскости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В разделе ниже будет описано несколько вариантов, причем предложенный лазер опирается на следующие фигуры:

Фиг. 1: Основной сферический жидкокристаллический лазер согласно изобретению.

Фиг. 2: Спиралевидное расположение холестерических жидкокристаллических молекул внутри сферического жидкокристаллического лазера.

Фиг. 3: Сферический жидкокристаллический лазер с дополнительным объектом в центре жидкокристаллической капли.

Фиг. 4: Сферический жидкокристаллический лазер, где жидкокристаллическая капля отделена от внешней среды тонким барьером.

Фиг. 5: Сферический жидкокристаллический лазер с дополнительным объектом в центре жидкокристаллической капли и барьер, отделяющий жидкокристаллическую каплю от внешней среды.

Фиг. 6: Сферический жидкокристаллический лазер с оптическим волноводом, встроенным в жидкокристаллическую каплю.

Фиг. 7: Сферический жидкокристаллический лазер с оптическим волноводом, встроенным в жидкокристаллическую каплю, и дополнительным объектом в центре жидкокристаллической капли.

Фиг. 8: Сферический жидкокристаллический лазер с оптическим волноводом, встроенным в жидкокристаллическую каплю, и барьером, отделяющим жидкокристаллическую каплю от внешней среды.

Фиг. 9: Сферический жидкокристаллический лазер с оптическим волноводом, встроенным в жидкокристаллическую каплю, барьером, отделяющим жидкокристаллическую каплю от внешней среды, и дополнительным объектом в центре жидкокристаллической капли.

Фиг. 10: Сферический жидкокристаллический лазер с встроенным оптическим волноводом, пронизывающим сферический лазер по оси симметрии.

Фиг. 11: Сферический жидкокристаллический лазер с встроенным оптическим волноводом, пронизывающим сферический лазер по оси симметрии, и с дополнительным объектом, изготовленным из активного лазерного материала, помещенного в волновод и в центр жидкокристаллической капли.

Фиг. 12: Множество сферических жидкокристаллических лазеров, расположенных в двумерной сети.

Фиг. 13: Множество сферических жидкокристаллических лазеров, расположенных в трехмерной сети.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 схематически представляет основной сферический жидкокристаллический лазер, общий для всех представленных вариантов. Сферический жидкокристаллический лазер изготавливают в форме капли, со спирально расположенными жидкими кристаллами 1, помещенными в прозрачную внешнюю среду 2 с оптически четкой границей 3 между двумя элементами. Из-за поверхностного натяжения, капля холестерических жидких кристаллов принимает форму полностью сферической капли во внешней жидкой среде. Является предпочтительным, чтобы размер капли находился в диапазоне от нескольких нанометров до 100 мкм. Капли могут быть образованы путем механического перемешивания жидких кристаллов и внешней жидкой среды или с помощью хорошо известных способов разделения фаз в ходе полимеризации или фотополимеризации оптически изотропной среды-носителя, по которой распределяются жидкокристаллические капли.

Границу между внешним материалом и внутренней частью капли создают таким образом, чтобы молекулы жидких кристаллов на границе 3 сами по себе располагались спонтанно в направлении, параллельном поверхности границы между каплей и окружающей средой. По этой причине, жидкие кристаллы внутри капли сами по себе располагаются согласно спиральной структуре 1, которая является типичной для холестерических жидких кристаллов. Эта структура завершается в центре 4 капли, вследствие чего спиральная структура жидких кристаллов располагается в радиальном направлении от поверхности капли к ее центру. Холестерические жидкие кристаллы могут представлять собой чисто холестерические кристаллы или смесь нематических жидких кристаллов и хиральной легирующей примеси или любой другой хиральной, т.е., спиралевидной жидкокристаллической фазы, такой как голубая фаза, ферроэлектрическая смектическая фаза, антиферроэлектрические смектические или ферриэлектрические смектические фазы и аналогичные хиральные фазы мягких материалов. Холестерические жидкие кристаллы также могут образовывать материал, который может быть полимеризован, что означает, что после полимеризации капля превращается в твердую сферу. Активная среда диспергирована в холестерических жидких кристаллах, действующих как оптический усилитель в сферическом жидкокристаллическом лазере. Активные среды могут представлять собой органические флуоресцентные красители, ионы редкоземельных металлов или другие ионы, квантовые точки или другие флуоресцентные среды.

Фиг. 2 схематически представляет ориентацию жидкокристаллических молекул 1 в жидкокристаллическом лазере. Ориентация жидкокристаллических молекул 1 на поверхности капли параллельна поверхности. Хиральность жидких кристаллов вызывает спонтанное перекручивание жидкокристаллических молекул в радиальном направлении, определяющее, таким образом, оптические свойства такой структуры жидких кристаллов в капле. Результатом радиального спиралевидного расположения является периодическое изменение направлений главных осей диэлектрического тензора в радиальном направлении, приводящее к эффективной стратификации оптических свойств капли в радиальном направлении. Использование простых физических концепций мы можем объяснить тем, что спиралевидное расположение диэлектрического тензора аналогично последовательности слоев с высокими и низкими показателями преломления, чередующимися на протяженности расстояния от центра капли до ее границы с окружающей средой. Жидкие кристаллы в капле, таким образом, оказываются спонтанно расположенными так, что они образуют оптическую структуру в форме лука, показатель преломления которой периодически изменяется вдоль расстояния от центра капли по направлению к ее внешнему концу. При своем перемещении в радиальном направлении и из-за интерференции с оптической структурой, свет при определенном интервале длин волн отражается назад и вперед, по направлению к центру капли и к поверхности. По этой причине, такая структура жидких кристаллов в капле функционирует как оптический резонатор, имеющий форму радиального и сферически симметричного 3D брэгговского отражателя. Оптические свойства 3D брэгговского отражателя определяются периодом спирали холестерической фазы или другой хиральной фазы, определяемой выбором конкретного типа жидких кристаллов или смеси жидких кристаллов с другими материалами. Мы выбираем период холестерической спирали таким образом, чтобы первый или второй край ее фотонного зазора находился в области максимального испускания используемой активной среды.

Что касается жидкокристаллической капли, ее изготавливают таким образом, чтобы она содержала материал, действующий как оптический усилитель, и имела оптическую структуру, которая образует радиальный брэгговский микрорезонатор, и она может испускать лазерный свет, если активная лазерная среда освещается и прокачивается светом 5, исходящим из внешнего источника 6, длина волны которого должна находиться в диапазоне поглощения активной среды. Источник может представлять собой пульсирующий лазер или вспышку. Когда максимальная мощность внешнего оптического стимулирования превышает пороговое значение, так что испускание стимулированного лазера превышает его потери, капля начинает испускать лазерный свет. Лазер испускает свой свет во всех направлениях. Испускаемый свет образует одну или более резких линий лазера, длина волны которых определяется периодом жидкокристаллической спирали. Путем изменения температуры, мы можем изменять длину спирали, воздействуя, таким образом, также на длину волны света, испускаемого лазером. Аналогичный эффект изменения длины волны испускаемого лазерного света может быть достигнуть с помощью внешнего электрического или магнитного поля, воздействующего на структуру жидких кристаллов в капле.

В разделе, приведенном ниже, показаны различные варианты предложенного сферического жидкокристаллического лазера.

На Фиг. 3 показан вариант № 2 сферического жидкокристаллического лазера, который имеет дополнительный объект 7 в центре жидкокристаллической капли. Этот объект может иметь сферическую или некоторую другую геометрически корректную форму; он также может быть полностью несимметричным. Объект может быть изготовлен из твердого тела, или жидких кристаллов, отличных от кристаллов, имеющихся в капле, которые не будут реагировать с ними; он также может быть изготовлен из изотропной жидкости, которая не будет реагировать с жидкими кристаллами, и он также может представлять собой пузырьки газа. Из вышеприведенного описания должно быть понятно, что объект может быть изготовлен из других материалов, которые могут поглощать свет различным образом. Он может быть изготовлен из активного лазерного материала, из материала для нелинейного усиления частоты оптического диапазона, из ферроэлектрического или ферромагнитного материала. Такой объект занимает небольшую область в центре жидкокристаллической капли, где, в случае, показанном на Фиг. 1 (вариант № 1), имеет место структурный дефект в ориентации жидких кристаллов. Однако, в варианте № 2 жидкокристаллическая структура остатка капли, за исключением его центра, является той же, что и в варианте № 1.

На Фиг. 4 показан вариант № 3 сферического жидкокристаллического лазера, где жидкокристаллическая капля отделена от внешней среды 2 тонким барьером 8. Барьер обладает функцией отделения внешней среды от жидких кристаллов внутри капли. Его изготавливают с помощью химического процесса нанесения покрытия на жидкокристаллические капли, который хорошо известен из технологии PDLC. Барьер 8 должен быть прозрачным и непроницаемым для молекул жидких кристаллов 1 или внешней среды 2.

На Фиг. 5 показан вариант № 4, объединяющий варианты №№ 2 и 3. Здесь, жидкие кристаллы также поддерживаются внутри барьера 8, отделяющего внешнюю среду 2 от холестерических кристаллов 1. Объект 7 помещен в центр капли. Активная лазерная среда распределена по жидким кристаллам и/или по объекту, помещенному в центр капли. Активная лазерная среда освещается внешним светом 5, исходящим из источника света 6.

На Фиг. 6 показан вариант № 5 на основе версии № 1, в которой имеется оптический волновод 9, встроенный в холестерическую жидкокристаллическую каплю 1. В этом случае, активная лазерная среда распределена по жидким кристаллам 1, расположенным под определенным углом, при их прокачке светом 5, исходящим из источника света 6. Свет, исходящий из центра сферического лазера, захватывается и направляется волноводом 9.

На Фиг. 7 показан вариант № 6, объединяющий варианты №№ 2 и 5. Здесь, волновод 9 встроен в каплю для захвата, введения или выведения света. Диэлектрический объект 7 помещен в центр капли; он содержит активную лазерную среду и/или другой материал, затрагиваемый, некоторым другим способом, электромагнитным полем резонатора. Активная лазерная среда также может быть распределена по жидким кристаллам внутри капли 1. Мы прокачиваем активный лазерный материал внешним светом 5, исходящим из источника света 6, и захватываем свет, генерированный лазером, в центре капли, т.е., резонатор направляет его из лазера с помощью волновода 9.

На Фиг. 8 показан вариант сферического жидкокристаллического лазера № 7, объединяющий варианты №№ 3 и 5. Здесь, жидкокристаллическая капля отделена тонким барьером 8 от внешней среды 2. Функция барьера 8 состоит в отделении внешней среды от жидких кристаллов внутри оболочки. Оптический волновод 9 встроен в холестерическую жидкокристаллическую каплю 1.

На Фиг. 9 показан вариант сферического жидкокристаллического лазера № 8, объединяющего варианты №№ 6 и 7. Жидкокристаллическая капля отделена тонким барьером 8 от внешней среды 2. Функция барьера 8 состоит в отделении внешней среды от жидких кристаллов внутри оболочки. Оптический волновод 9 встроен в холестерическую жидкокристаллическую каплю 1. Диэлектрический объект 7 помещен в центр капли; он содержит активную лазерную среду и/или другой материал, затрагиваемый, некоторым другим образом, электромагнитным полем резонатора. Активная лазерная среда также может быть распределена по жидким кристаллам внутри капли 1.

На Фиг. 10 показан вариант сферического жидкокристаллического лазера № 9 с встроенным оптическим волноводом, пронизывающим в сферический лазер по оси симметрии. Активный лазерный материал распределен по жидким кристаллам 1. Прокачку света осуществляют путем испускания света 5 прокачки из источника света 6. Мы захватываем лазерный свет из сферического лазера, когда, из-за резонансного отражения от сферического брэгговского отражателя, он захватывается в волновод и посредством него покидает лазер.

На Фиг. 11 показан вариант сферического жидкокристаллического лазера № 10 с встроенным оптическим волноводом, пронизывающим сферический лазер вдоль его оси симметрии. Активный лазерный материал распределен по небольшому объекту, помещенному в центр капли. Этот объект может иметь геометрически корректную форму, предпочтительно, форму небольшой сферы или цилиндра, с осью, параллельной оси волновода. Объект также может не обладать никакой определенной симметрией. Материал, из которого его изготавливают, обладает, в дополнение к свойствам активации лазерного излучения, также свойство нелинейного усиления частоты электромагнитных волн, будучи ферроэлектрическим или ферромагнитным материалом; он также может быть суперпарамагнетиком. Мы прокачиваем свет, направляя свет прокачки 5 из источника света 6 по волноводу 9 в активный лазерный материал 7. Мы захватываем лазерный свет из сферического лазера, когда, вследствие резонансного отражения от сферического брэгговского отражателя, он захватывается в волновод и посредством него покидает лазер.

На Фиг. 12 показано множество сферических жидкокристаллических лазеров, расположенных в двумерной сети. Жидкокристаллические лазеры могут быть расположены во внешней среде, в плоскости, таким образом, чтобы их геометрические центры тяжести образовывали надлежащую двумерную сеть, которая может быть симметричной или квазисимметричными. Отдельные жидкокристаллические лазеры могут представлять собой любую из вышеуказанных версий №№ 1-10. Такая лазерная структура функционирует как комплект лазер - источники света, скомпонованные друг с другом в плоскости. Однако, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в некоторых случаях эти сферические лазеры не должны быть скомпонованы друг с другом в плоскости. В таких случаях они располагаются в плоскости случайным образом.

На Фиг. 13 показано крупное множество сферических жидкокристаллических лазеров, расположенных в трехмерной сети. Жидкокристаллические лазеры могут быть расположены во внешней среде в пространстве таким образом, чтобы они образовывали трехмерную сеть, которая может быть симметричной, квазисимметричной, или несимметричной. Отдельные жидкокристаллические лазеры могут представлять собой любую из вышеуказанных версий №№ 1-10. Такая лазерная структура функционирует как комплект лазер - источники света, скомпонованные друг с другом в плоскости. Однако, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в некоторых случаях эти сферические лазеры не должны быть скомпонованы друг с другом в плоскости. В таких случаях они располагаются в плоскости случайным образом.

Далее, будут описаны два примера приготовления холестерических жидкокристаллических смесей, легированных флуоресцентным красителем:

1) 25,5 мас.% хиральной легирующей примеси (Merck) S-811 было добавлено к жидкому кристаллу (Merck) MLC-7023. Смесь нагревали до достижения изотропной фазы и перемешивали, как правило, в течение нескольких минут для гомогенизации. Затем, к этой смеси добавляли 0,2 мас.% флуоресцентного красителя 7-диэтиламино-3,4-бензофеноксазин-2-он (красный Нил), нагревали до достижения изотропной фазы и перемешивали до достижения гомогенизации, как правило, в течение нескольких минут. После гомогенизации, хиральный нематический жидкий кристалл, легированный красителем, подвергали центрифугированию для удаления любых остаточных твердых частиц краски. Обычно материал подвергали центрифугированию в течение пары минут при 10000 оборотах в минуту, а радиус вращения, как правило, составлял несколько сантиметров.

2) Жидкий кристалл (Merck) MLC-2132 с 26 мас.% хиральной легирующей примесью (Merck) S-811 и 0,5 мас.% лазерного красителя 4-дицианометилен-2-метил-6-(p-диметиламиностирил)-4H-пиран (DCM).

Для изготовления 3D микролазеров в обоих случаях, неколько процентов холестерической жидкокристаллической смеси, легированной красителем, механически перемешивают с глицерином, с образованием небольших капель различных размеров. При этом, никаких специальных рецептов по смешиванию для этого не требуется, поскольку дисперсия образуется легко, даже при ее перемешивании вручную.

Сферический жидкокристаллический лазер из нашего изобретения представляет собой каплю жидких кристаллов, показатель преломления которых локально зависим в радиальном направлении, и образует оптически отличимые концентрические слои, с активной средой, предпочтительно, диспергированной по жидким кристаллам, которые, при их стимулировании внешним светом, испускают лазерный свет. Этот лазер по существу является сферическим, и является предпочтительным, чтобы он имел размер от нескольких нанометров до 100 микрометров. Капля состоит из хиральных жидких кристаллов 1, которые обладают свойством селективного отражения в области испускания из активной среды и могут представлять собой холестерические жидкие кристаллы, смесь нематических жидких кристаллов и хиральную легирующую примесь или любую другую хиральную жидкокристаллическую фазу, предпочтительно, голубую фазу, ферроэлектрическую фазу или другую хиральную фазу мягкого материала. Является предпочтительным, чтобы активная лазерная среда была диспергирована в хиральных жидких кристаллах. Активные среды могут представлять собой органические флуоресцентные красители, ионы редкоземельных металлов или другие ионы, квантовые точки или другие флуоресцентные среды. Спиральная структура жидких кристаллов расположена в радиальном направлении от поверхности 3 капли к его центру 4. Жидкокристаллическая капля имеет концентрические, предпочтительно, холестерические слои, функционирующие как селективное зеркало для света, распространяющегося в радиальном направлении, и порождающие сферический брэгговский резонатор. Жидкокристаллическая капля расположена в прозрачной внешней среде 2, которая может представлять собой газ, жидкость, твердое тело, другой тип жидких кристаллов или вакуум. Во внешней среде жидкокристаллические молекулы расположены на границе между внешним и внутренним пространством капли таким образом, чтобы они были параллельны поверхности капли. Жидкокристаллическую каплю изготавливают путем механического перемешивания жидких кристаллов и внешней среды, или путем разделения фаз, которое имеет место при изменении температуры, полимеризации или фотополимеризации оптически изотропной среды-носителя 2, в которой распределены жидкокристаллические капли. В центре жидкокристаллической капли может находиться сферический объект 7 или объект другой формы, изготовленный из газа, жидкости или жидких кристаллов, которые не реагируют с жидкими кристаллами капли, или из твердого тела. Свет, выходящий из лазера, распространяется равномерно во всех направлениях. Испускаемый свет может быть захвачен в оптический волновод 9, который представляет собой цилиндрический диэлектрический объект, пронизывающий в каплю в радиальном направлении, по направлению к ее центру. Волновод 9 также может пронизывать всю жидкокристаллическую каплю и может содержать объект 7, изготовленный из активного лазерного материала. Лазер стимулируют с помощью сильного внешнего света 5, который находится в диапазоне поглощения флуоресцентного красителя, при его достижении капли по одному или более направлений, проходящих через внешнюю среду 2 или через волновод 9. За счет изменения температуры, внешнего электрического или магнитного поля, можно изменять длину спирали, а также, таким образом, изменять длину волны света, испускаемого лазером. Крупное множество лазеров может быть расположено в одномерной, двумерной или трехмерной сети, которая демонстрирует линейную (трансляционную) и/или вращательную (осевую) симметрию, квазисимметрию (фрагментация), или они не демонстрируют вообще никакой симметрии, - ни линейной, ни вращательной.

Для изготовления такого сферического жидкокристаллического лазера характерным является то, что жидкокристаллическую каплю изготавливают путем механического перемешивания жидких кристаллов и внешней среды, или с помощью технологий разделения фаз в ходе изменения температуры, полимеризации или фотополимеризации оптически изотропной среды-носителя 2, в которой распределены жидкокристаллические капли.

Решение относится к источнику лазерного излучения, в качестве резонатора которого используется капля из хиральных жидких кристаллов. Источник имеет форму сферической капли. Причём в капле существует диспергированная активная среда. Капля состоит из хиральных жидких кристаллов, которые обладают свойством селективного отражения в диапазоне испускания активной среды. Технический результат заключается в обеспечении возможности использования капель холестерических жидких кристаллов в качестве оптического 3D микрорезонатора брэгговского типа. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Жидкокристаллический лазер, образованный из капли жидких кристаллов, причем упомянутая капля содержит активную лазерную среду, которая при стимулировании внешним светом испускает лазерный свет, при этом показатель преломления упомянутой капли модулируется в радиальном направлении капли, образующей оптически отличимые концентрические слои (1), которые действуют как отражатель для лазерного света.

2. Лазер по п. 1, в котором капля является сферической и имеет диаметр от нескольких нанометров до 100 микрометров.

3. Лазер по п. 1 или 2, в котором капля состоит из хиральных жидких кристаллов (1), которые обладают селективным отражением в области испускания из активной среды.

4. Лазер по п. 3, в котором хиральные жидкие кристаллы (1) представляют собой холестерические жидкие кристаллы, смесь нематических жидких кристаллов и хиральной легирующей примеси или смесь нематических жидких кристаллов и голубой фазы хиральных жидких кристаллов, ферроэлектрической фазы хиральных жидких кристаллов, антиферроэлектрической смектической фазы хиральных жидких кристаллов, любых ферриэлектрических смектических фаз хиральных жидких кристаллов, хиральной фазы из мягкого материала или хиральной жидкокристаллической фазы, изготовленной из нехиральных молекул, таких как, например, дугообразные молекулы.

5. Лазер по п. 3, в котором активная лазерная среда представляет собой органический флуоресцентный краситель, ионы редкоземельных металлов или квантовые точки.

6. Лазер по п. 3, в котором спиральная структура жидких кристаллов простирается в радиальном направлении от поверхности (3) капли к ее центру (4).

7. Лазер по п. 1, в котором капля имеет концентрические холестерические слои (1), функционирующие как селективное зеркало для лазерного света, проходящего в радиальном направлении, и образующие сферический брэгговский резонатор.

8. Лазер по п. 1, в котором капля помещена во внешнюю прозрачную среду (2), которая может представлять собой газ, жидкость, твердое тело, другой тип жидких кристаллов или вакуумную упомянутую внешнюю среду, выбираемую для расположения жидкокристаллических молекул на границе между внешним и внутренним пространством капли (3), параллельно поверхности капли.

9. Лазер по п. 8, в котором капля сформирована путем механического перемешивания жидких кристаллов и внешней среды (2), или посредством технологии разделения фаз, имеющего место при изменении температуры, полимеризации или фотополимеризации среды-носителя (2), в которой распределены жидкие кристаллы.

10. Лазер по п. 1, в котором в центре капли расположен сферический объект (7) или несферический объект, причем упомянутый объект образован из газа, жидкости, других жидких кристаллов, которые не взаимодействуют с жидкими кристаллами капли, или из твердого тела.

11. Лазер по п. 1, в котором оптический волновод (9), имеющий форму цилиндрического диэлектрического объекта, пронизывает каплю в радиальном направлении по направлению к ее центру, причем упомянутый волновод (9) захватывает лазерный свет капли.

12. Лазер по п. 11, в котором волновод (9) пронизывает всю каплю.

13. Лазер по п. 12, в котором волновод (9) содержит объект (7), изготовленный из активного лазерного материала, образующего упомянутую активную лазерную среду.

14. Лазер по п. 10, в котором сферический объект (7) или несферический объект содержит упомянутую активную лазерную среду.

15. Лазер по п. 1, в котором упомянутая активная лазерная среда диспергирована в жидких кристаллах.

16. Лазер по п. 1, в котором жидкие кристаллы внутри капли являются полимеризованными.

17. Способ функционирования лазера по любому из пп. 1-16, в котором лазер стимулируют сильным внешним светом (5), который находится в диапазоне поглощения активной лазерной среды, причем упомянутый внешний свет достигает капли по одному или более направлениям сквозь прозрачную внешнюю среду (2) или по волноводу (9).

18. Способ по п. 17, в котором длина волны лазерного света, испускаемого лазером, изменяется за счет изменения температуры или внешнего электрического/магнитного поля.

19. Лазерная структура, включающая в себя один или более лазеров по любому одному из пп.1-16, в которой множество упомянутых лазеров может быть расположено в одномерных, двумерных или трехмерных сетях, которые демонстрируют линейную и/или вращательную симметрию, квазисимметрию или которые вообще не демонстрируют никакой симметрии.

20. Способ изготовления жидкокристаллического лазера по любому одному из пп. 1-16, в котором жидкокристаллическую каплю создают путем механического перемешивания жидких кристаллов и внешней среды или путем использования процедур разделения фаз при изменении температуры, полимеризации или фотополимеризации оптически изотропной среды-носителя (2), в которой диспергированы жидкокристаллические капли.