【摘 要】
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随机激光的产生机理不同于传统激光器,其发光特性也存在明显差异。随机激光不需要谐振腔,由随机介质的多重散射提供光学反馈以及增益介质提供的光放大。多重散射可以使光子在增益介质中的光程增加,当增益超过损耗形成随机激光的出射。获得的反馈可以分为非相干反馈和相干反馈。非相干反馈获得的非相干随机激光表现为光谱窄化,强度增加,出现在无序度较低的散射介质中;相干反馈获得的相干随机激光出现在无序度较高的散射介质中,
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随机激光的产生机理不同于传统激光器,其发光特性也存在明显差异。随机激光不需要谐振腔,由随机介质的多重散射提供光学反馈以及增益介质提供的光放大。多重散射可以使光子在增益介质中的光程增加,当增益超过损耗形成随机激光的出射。获得的反馈可以分为非相干反馈和相干反馈。非相干反馈获得的非相干随机激光表现为光谱窄化,强度增加,出现在无序度较低的散射介质中;相干反馈获得的相干随机激光出现在无序度较高的散射介质中,此时光子在经过多次散射之后会形成闭合回路,其光谱上会出现分立的随机尖峰。柔性衬底结构充分利用了聚合物质量轻、耐用性好、可弯曲以及制作简单等特点,有利于实现低阈值、稳定性好的随机激光。本文基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）波导结构,分别研究了PDMS平面波导结构中染料液晶基随机激光的出射特性,以及PDMS褶皱波导结构对染料液晶基随机激光出射特性的影响。首先实现了PDMS平面波导结构中的染料液晶基随机激光的出射。实验中所使用的取向材料为甲基红,偶氮染料甲基红在532nm的偏振光照射后会发生顺反异构,从而锚定表面的液晶分子并使液晶分子最后垂直于取向光束偏振方向排列。液晶分子取向后,由于不同厚度处的折射率差不同,增强了散射效率,由液晶分子的多重散射和波导的限制效应共同提供光学反馈,获得的随机激光的阈值为1.5m J/cm~2。随机激光的出射与泵浦区域的大小有关,研究了随机激光的出射强度随泵浦条纹长度的关系,证明了泵浦条纹超过5cm,泵浦区域大于临界增益体积时才能形成随机激光的出射。最后研究了增益层厚度对随机激光阈值的影响,当样品厚度从50μm减小到25μm时,阈值从1.5m J/cm~2升高至1.9m J/cm~2,当样品厚度从50μm增加到250μm时,阈值逐渐从1.5m J/cm~2升高至4.9m J/cm~2。样品在50μm时存在最低阈值,由于泵浦效率和散射强度的存在,增益层厚度会对随机激光的阈值产生影响。相比于染料液晶基随机激光器中通常所使用的玻璃或者光纤波导,PDMS是一种可弯曲易加工的弹性材料,在使用PDMS作为柔性衬底的分层的三明治结构中,通过弯曲或者按压可以轻易的改变增益层的厚度,使得通过改变增益层厚度实现对染料液晶基随机激光特性的调控成为可能,因此扩展了染料液晶基随机激光器的应用范围,在生物传感、显示等领域具有潜在的应用。实现了PDMS褶皱波导结构中染料液晶基随机激光的出射,褶皱波导结构中随机激光的多重散射由液晶分子以及带有褶皱微结构的粗糙表面共同提供,最后光子被限制在褶皱波导结构中,产生随机激光出射。其次对比了PDMS褶皱结构与PDMS平面波导结构中随机激光的出射阈值,存在褶皱结构的阈值为0.9m J/cm~2,而平面波导结构中的阈值为1.5m J/cm~2,褶皱波导结构中阈值发生了较明显的降低。在增益介质存在的相同情况下,PDMS的粗糙表面可以通过多次散射将多更的光子限制在样品中,从而提高散射效率,使得样品的阈值降低。最后通过改变拉伸比与表面氧等离子体处理时间,产生不同的褶皱图案,研究了不同褶皱微结构中随机激光的出射阈值。表面粗糙度会影响散射效率,从而影响随机激光的阈值,随着褶皱表面的粗糙度减小,样品阈值从0.9m J/cm~2升高至1.3m J/cm~2,较大的粗糙表面支持更加有效的多重散射,导致较高的放大因子,因此更加有利于随机激光的出射,进一步降低染料液晶基随机激光的阈值。相比于复杂的表面微结构加工过程,表面氧等离子体处理简单方便并且产生的褶皱周期可控,有助于扩展染料液晶基随机激光研究范围,展现了其相比于软光刻技术以及对生物表面进行复刻的优越性。基于PDMS褶皱波导结构的染料液晶基随机激光器在照明、传感、集成光学等领域具有潜在的应用。
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