聚合物手性液晶无序微纳复合材料中的光子局域化及随机激射研究

We will prepare dye-doped disordered polymer-chiral liquid crystal micro/nano- composites by femtosecond laser direct writing and study the weak localization of photons and stimulated radiation in the composites. After building the physical model of random lasing in disordered polymer-chiral liquid crystal composites, we will realize random lasing in the media, whose wavelength and emission direction can be controlled by temperature, external electrical field, or random polymer structure. Firstly, we fabricate disordered polymer ribbons by two-photon- absorption-induced photopolymerization and investigate the influence of temperature, external electric field and material components on the domain size and helical pitch of chiral liquid crystal. The predesignable alignment of chiral liquid crystal can be realized in the polymer structures. Secondly, we experimentally study the anisotropic back-scattering in the media and clarify the coupling between random modes of disordered polymer structures and photonic stopband of chiral liquid crystals and its influence on light localization. Then we construct physical model of random lasing in the media under the consideration of domain size and chiral pitch. The low-threshold random lasing in the random composites will be achieved. In the last, we investigate the influence of external electric filed and temperature on the spatial distribution and quasi-state modes of random laser to achieve active control of random lasing. Our research will pave the way for the application of random laser in photonics devices, such as laser display, laser lighting.

本项目拟采用飞秒激光直写技术制备掺染料聚合物手性液晶无序微纳复合材料，研究其中的光子局域化现象，并建立聚合物手性液晶无序微纳复合介质中随机激光的物理模型，实现可开关、可控制辐射方向与辐射波长的随机激光。首先制备聚合物手性液晶无序微纳复合材料，通过材料组分、降温速率、外电场频率等调节液晶微畴和螺距的大小，并实现手性液晶在聚合物随机结构中的预设计取向；然后实验研究该介质中的各向异性背散射，阐明聚合物随机结构中随机模式和手性液晶光子禁带间的耦合及对光子局域化的影响；建立无序复合微纳介质中随机激射的物理模型，分析螺距和微畴变化对随机激射的影响，实现无序微纳复合材料中低阈值随机激光的输出；最后通过外电场、温度等实现随机激光的开关、辐射方向与辐射波长的调控。本项目的实施对随机激光的调控有重要意义，对随机激光在激光显示、激光照明、微纳光子学器件与光子集成中的实用化有巨大促进作用。

光子局域化具有许多新奇的物理特性，如随机激光辐射、光学双稳态和自发辐射的抑制等，受到越来越多研究人员的关注。其中，随机激光由于其独特的性质，在微纳光子学器件、激光显示设备、生物组织检测、光子集成等方面具有重要的应用前景。本项目对飞秒超衍射加工技术进行了研究，分别实现了石墨烯结构和聚合物条带侧壁浮雕结构的超衍射加工。利用飞秒激光超衍射加工技术提出了一种基于面外聚合物条带微图案的液晶定向新方法，利用聚合物条带结构实现了向列相液晶和手性液晶的预设计取向。该技术不仅使不同区域内的液晶实现了物理隔离,还可以使液晶和聚合物实现完全的相分离。该技术快捷简单，在可调谐衍射光栅的实现、特殊光场的产生、光子晶体中的光场调控等方面具有重要的应用价值。利用该液晶面外定向技术，构建了一维的聚合物条带/手性液晶复合结构，并分别利用电场、磁场、温度等条件对光场分布实现了调控。采用飞秒激光直写技术制备掺染料聚合物手性液晶无序微纳复合材料，研究了手性液晶无序复合材料中的光散射，建立了聚合物手性液晶无序微纳复合介质中随机激光的物理模型。在无序手性液晶样品中实现了低阈值随机激射，并通过外电场、温度等实现随机激光的开关、辐射方向与辐射波长的调控。此外，还对石墨烯等二维材料的光电特性进行了深入研究，计划在后续的研究中将二维材料和液晶结合在一起，通过微纳液晶结构调控二维材料的光学特性，并以发光二维材料为增益介质实现可调谐激射。我们的研究为光子局域化及其调控行为的理论及应用研究提供新颖且有效的方法和技术，对随机激光在多功能连续可调微纳光子学器件与光子集成方面的实用化有巨大促进作用。