液晶填充可调谐分布反馈固体染料激光器理论与实验研究

分布反馈（Distributed Feedback,DFB）固体染料激光器具有输出线宽窄、结构紧凑可集成以及使用方便等优点，是片上实验实系统（Lab on a Chip，LOC）的关键器件，在生化分子检测方面具有重要的应用前景。但DFB固体染料激光的调谐问题一直没有较好解决，特别是采用折射率周期调制工作的DFB固体染料激光器。本项目提出采用液晶填充聚合物基质折射率周期调制的DFB固体染料激光器，由于液晶在电场作用下折射率会发生变化，从而改变DFB谐振腔共振波长，实现激光输出波长改变。本项目将从理论和实验两方面对液晶填充折射率调制工作方式DFB固体染料激光器进行研究，首先解决DFB固体染料激光器的调谐问题，此外还将对DFB固体染料输出激光的横模、纵模特别是光稳定性（使用寿命）等进行研究，以期获得高光束质量、窄线宽、长使用寿命的可调谐DFB固体染料激光输出。

分布反馈（Distributed Feedback,DFB）固体染料激光器具有输出线宽窄、调谐范围宽、结构紧凑可集成以及使用方便等优点，是片上实验实系统（Lab on a Chip，LOC）的关键器件，在生化分子传感方面具有重要的应用前景。针对该背景，本项目开展液晶填充分布反馈染料激光器相关研究，利用分布反馈实现窄线宽激光输出，采用染料作为增益介质可以实现可见光波段宽调谐范围，采用液晶作为填充介质可以利用液晶分子的电光效应，使得外加电场调谐成为可能。本项目具体从理论和实验两方面开展研究。理论方面：首先利用耦合波理论推导了周期性分布介质中的耦合波方程，基于该方程得到DFB染料激光器的振荡条件和振荡频率、模式谱以及透射和反射功率增益，研究发现DFB激光器的反馈由介质内部周期性微扰提供，具有低阈值、窄现宽以及严格的波长选择等特性。在DFB染料理论基础上，采用FDTD方法，建立了DFB染料激光产生及传播数据计算模型，并编制了相应的程序，在此基础上，结合激光染料增益特性，设计了DFB染料激光器：通过选择PM系列和DCM等激光染料，采用液晶填充的方法，实现可调谐窄线宽染料激光输出，线宽<1nm，通过选择不同周期参数和掺杂染料，调谐范围可覆盖550-700nm。实验方面：研制了基于波导结构的液晶填充分布反馈染料激光介质；采用脉冲532nm激光泵浦，实现了窄线宽激光输出，输出激光线宽最窄小于0.1nm；实验验证了通过改变DFB周期参数可实现可调谐输出，通过外加电场改变折射率，观察到液晶填充DFB染料激光输出谱线变化，验证了电场调谐的可行性；此外还研究了获得了DFB液晶染料激光输出与泵浦能量关系，确定激光阈值最低达25.6μJ。本项目研究结果为开发宽调谐范围、体积小可集成的激光器激光器奠定基础，该激光器可与波导、探测器等元器件集成，形成片上实验系统，在生化分子传感、医疗诊断等领域具有重要的应用前景。.