稀土金属铒掺杂的硅纳米晶体在胆固醇液晶中的激光研究

In order to overcome the shortcoming of the dye doped cholesteric liquid crystal laser, that is low efficiency, unstable, and short lifetime, we will replace the laser dye with erbium doped silicon nancrystal, which exhibits high quantum fluorescnece efficiency and photo stability. In addition, the physical and optical properties of liquid crystals also affect the performance of the cholesteric liquid crystal based lasers, usually liquid crystals with higher birefringence and viscosity can produce higher laser efficiency and more stable the cholesteric liquid crystal based lasers. Therefore, in this project, we propose to develop high birefringent liquid crystal with high viscosity and photo stability by using high conjugate compents, such as benzen ring. Hopefully,with the use of erbium doped silicon nanocrystal and high birefringent and viscosity liquid crystal, the laser efficiency, stability and lifetime of the cholesteric liquid crystal based laser can be greatly enhanced. We expect that the laser efficiency of the cholesteric liquid crystal based laser can be enhanced to >40%, which will establish the experimental foundation for the practical applications of cholesteric liquid crystal based microlasers.

本项目针对目前采用激光染料掺杂于胆固醇液晶中产生的激光效率低，稳定性差，使用寿命短等问题，拟采用发光效率高且光化稳定性好的铒掺杂纳米晶体取代激光染料作为胆固醇液晶激光的发光介质来解决这些问题，其中铒掺杂纳米晶体采用溶胶凝胶法来制备。同时由于液晶的双折射率和粘稠系数也会影响胆固醇液晶激光的效率和稳定性，且双折射率和粘稠系数越高，得到的激光效率和稳定也越高。本项目拟采用具有苯环的高共轭集团作为单元并延长它的共轭长度来提高液晶的霜折射率和粘稠系数同时保证其光化稳定性。希望通过本项目的顺利实施，能将胆固醇液晶激光效率提高到>40%,，并大大提高其光化稳定性和使用寿命，为基于胆固醇液晶的微型激光的应用奠定实验基础。

胆固醇液晶是一种具有自组装螺旋结构的液晶分子，因为液晶分子具有高双折射率，这种自组装周期性的螺旋结构使其相当于一维光子晶体，形成布拉格反射，通过在里面掺杂激光发光材料便可以获得激光输出，因为胆固醇液晶具有体积小，价格低廉和制备简单等优点，在微型激光，集成光学，激光显示等方面具有广泛的应用前景。然而，目前染料掺杂的胆固醇液晶激光自身还具有很多缺点，包括激光效率低，稳定性差和寿命短等。.针对染料掺杂胆固醇液晶激光激光效率低，光化稳定性差和使用寿命短等问题，本项目希望通过采用光化稳定好发光效率高的铒掺杂纳米晶体和量子点等纳米材料作为胆固醇液晶激光的发光材料来提高胆固醇液晶激光的激光效率和光化稳定性。为此，我们研究了铒掺杂纳米晶体和量子点的荧光特性及其在胆固醇液晶的溶解度，发现铒掺杂纳米晶体和量子点在胆固醇液晶中的溶解度很低，无法在胆固醇液晶中产生激光。随后我们研究了温度，厚度和液晶分子的排列对染料掺杂胆固醇液晶激光效率的影响，通过改善胆固醇液晶分子的排列和优化胆固醇液晶激光样品的厚度，可以提高染料掺杂胆固醇液晶激光的激光效率，再通过在染料掺杂胆固醇液晶外加纯的胆固醇液晶作为外反馈腔，最后将胆固醇液晶激光的效率提高到10%，。然后我们利用胆固醇液晶初步实验展示了其在激光显示方面的应用。