控制隨機雷射強度的裝置及方法
2023-05-16 14:00:01 1
專利名稱：控制隨機雷射強度的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及隨機雷射，具體涉及一種調節液晶隨機雷射強度的裝置和方法。
背景技術：
近年來，隨機雷射已經成為國際雷射學界的熱門研究領域。隨機雷射輻射源自激活無序介質，即輻射光在激活無序介質中的多次散射提供光學反饋，從而獲得較大的增益，因而無需外加諧振腔。液晶隨機雷射器就是將雷射增益介質摻雜在液晶材料中，以液晶作為無序散射介質的隨機雷射器。液晶是一種各向異性的物質，光學上類似單軸晶體。一般情況下光軸與分子長軸方向一致。當對液晶加上外部電場、溫度場或磁場時，由於在不同電場、磁場或溫度場的作用下，會使得分子的長軸發生一定不同的傾角旋轉，液晶分子的排列也就發生改變，這會影響液晶結構整體的光軸，雙折射率也會受磁場影響，利用這一性質可以製成光偏轉器和光調製器。而液晶分子排列受到影響會改變整體結構的散射常數，影響光在其中的傳播。液晶分子在上述場的作用下會發生取向等的變化，在有外邊界條件限制情況下，如取向劑摩擦取向等，當磁場強度不強時，液晶分子取向變化不大，當超過一定閾值，液晶取向則會產生Fredericks轉變,會更適合於轉向外磁場、電場方向排列。液晶取向受到電場、溫度場或磁場的影響，會影響整個系統的散射常數，進而影響隨機雷射的出射。目前電控和溫控是控制液晶隨機雷射強度的主要方法，例如在液晶盒結構中，在盒兩面加上加熱裝置可實現溫控，液晶盒玻璃使用ITO導電玻璃後盒面通電可以實現電控。溫控存在調控速度慢的缺點，而對於管體結構的液晶隨機雷射，電控存在裝置複雜的缺點。
發明內容
發明目的:本發明提出一種通過磁場控制液晶隨機雷射強度的裝置和方法，通過調節磁場強度引起液晶排列方式的改變，從而改變體系中散射能力，快速、方便地實現對隨機雷射開關的控制。技術方案:本發明的控制隨機雷射強度的裝置，包括剛性管體，在所述剛性管體內的液晶和雷射染料，纏繞於所述剛性管體外表面的兩組繞向相同的線圈，以及與所述線圈電連接的電源模組；相鄰線圈的間距不小於泵浦光光斑的直徑，各組線圈中的電流方向相同。所述剛性管體的內徑為0.0Γ1毫米。所述雷射染料和液晶的重量份數分別為0.2~0.8和99.2~99.8。相鄰線圈的間距為泵浦光斑直徑的1~2000倍。所述剛性管體為石英管。本發明進一步提供了一種控制隨機雷射強度的方法，包括如下步驟:將裝有液晶和雷射染料的剛性管體置於磁場強度可控的磁場中；當泵浦光照射到所述剛性管體上時，調節磁場強度以改變隨機雷射的出射強度。
一般地，所述剛性管體外表面纏繞線圈，調節所述線圈中電流的大小進而調節所述磁場強度。具體地，線圈纏繞和電流控制的步驟如下:以同樣的繞制方式在所述剛性管體外側均勻纏繞兩組線圈，相鄰線圈之間的間距大於泵浦光斑直徑；將所述線圈與電源模組連接；調整泵浦光光源的位置，使泵浦光經過聚焦透鏡後射入相鄰線圈之間的剛性管體上；通過電源模組改變所述線圈中電流的強度，從而調節隨機雷射的出射強度。準備剛性管體並洗淨其內表面，在所述剛性管體內灌入由液晶與雷射染料組成的混合溶液，其中，雷射染料在混合溶液中質量濃度為0.2^0.8%。所述剛性管體為內徑在ο.οΓι毫米的石英管。工作原理:當磁場強度改變時，液晶分子的排列方向發生變化，從而導致液晶的雙折射率、散射能力發生變化，進而改變隨機雷射的強度。有益效果:本發明通過磁場實現液晶隨機雷射的開關控制，其結構簡單方便，易於實現，比溫控隨機雷射方法實現起來更快速，比電控隨機雷射方法實現起來更方便。
圖1為本發明結構示意 圖2為本發明剛性管體的結構示意圖。
具體實施方式
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下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。如圖1和圖2所示，本 發明的控制隨機雷射強度的裝置包括石英製作的剛性管體1，其內徑為0.0Γ1毫米。剛性管體I內裝有液晶2和雷射染料3，外表面纏繞有兩組參數相同的線圈4，其中參數包括繞向、匝數和單位長度上的匝數，兩組線圈之間的間距至少要大於或等於泵浦光光斑的直徑，以便泵浦光入射，且該間距應該在儘量小，不大於泵浦光斑直徑的2000倍，以使磁場，特別是相鄰線圈之間的磁場分布更加均勻。兩組線圈均與電源模組5電連接，連接方式應該使各組線圈中的電流方向相同，例如均為左螺旋或均為右螺旋。在該實施例中，雷射染料和液晶組成均勻的混合溶液，雷射染料佔混合溶液總質量的0.2 0.8%。在工作時，雷射器6發出的泵浦光8經聚焦透鏡7聚焦後照射到線圈之間的剛性管體I上，使雷射染料產生隨機雷射9並從一端出射。當電流達到一定值，隨機雷射會消失，改變電流大小，隨機雷射出射特性(如偏振)會發生改變。其具體的工作原理如下:液晶分子的排列取向與外磁場有關，通過改變外磁場可以控制液晶分子的排布方式，影響散射常數，進而影響光在其中的傳播。當外加磁場增加時，液晶分子的取向由無序逐漸趨向磁場方向排列，導致液晶的雙折射率降低，同時散射能力降低(擴散常數增大)，當磁場強度達到一定值時，散射能力不足以提供多重反饋，隨機雷射消失。需要指出的是，管外螺線管通電後由於有電流熱效應，會使得溫度有所上升，而溫度改變時，液晶會呈現出不同的液晶相，加熱時，液晶會經過部分有序相。溫度不同，液晶相就改變，散射特性就發生變化，當溫度升高達到一定值後，液晶會變為各向同性，散射能力大大減弱，當溫度上升時，其隨機雷射出射強度會降低。在其他實施例中，可以採用超導線圈或溫度監控裝置，以降低溫度對系統靈敏度和穩定性的影響。在其他實施例中，可以將在線圈外側設置固定裝置，例如膠帶等；可以將線圈直接設置在管體中；可以將兩線圈之間用一條導線連接(或者用同一條導線繞製成兩個有間距的線圈)；兩組線圈可以是一組亥姆霍茲線圈。本發明的控制隨機雷射強度的方法包括以下步驟:首先，將裝有液晶和雷射染料的剛性管體置於磁場強度可控的磁場中；其次，當泵浦光照射到所述剛性管體上時，調節磁場強度以改變隨機雷射的出射強度。在進一步的實施例中，將裝有液晶和雷射染料的剛性管體置於與剛性管體同軸線的線圈中，當泵浦光照射到所述剛性管體上時，通過調節線圈中的電流強度進而改變磁場強度，以改變隨機雷射的出射強度。在進一步的實施中，該方法具體為:對剛性管體的內壁進行處理、洗淨；利用毛細現象將雷射染料與液晶的混合溶液灌入圓柱形的管體中，雷射染料可以是羅丹明類、PM597、DCM等，其在混合溶液中濃度在0.2—0.8wt.%之間，液晶選擇向列型液晶，如E7等；將可導電的線圈以同樣繞制方式均勻密集的纏繞在剛性管體外圍，線圈的材料、圈數，繞制方向等參數完全一樣，二者中間間隔小於Icm或小於泵浦光光斑直徑的2000倍，在保證大於泵浦光光斑直徑(一般為幾十微米)前提下足夠小，距離越小兩組線圈之間的磁場平行度越好；將線圈用導線並聯在電源模組上，連接方式保證兩個線圈中電流方向一致；根據所用雷射染料選擇合適頻率的泵浦光源，出射雷射經過凸透鏡聚焦後垂直於圓柱管軸向打入圓柱管的一端，該端放在透鏡焦距處，隨機雷射由管另一端出射；經過電源控制導電線圈中的電流大小控制線圈內磁場大小，來改變出射隨機雷射強度等，當達到一定值後，隨機雷射消失，實現開關。導電線圈通電，當電流達到一定值，隨機雷射會消失，改變電流大小，隨機雷射出射特性，如偏振，會改變。其中，所加載電壓的數值由液晶材料的類型(如E7、81^001)、管內徑(0.01—1!11111)、線圈參數(材料、匝數等)共同決定。作為優選，雷射器可以使用光纖雷射器，利於實現整體結構的小型化，集約化，如雙包層光纖雷射器、光子晶體光纖雷射器等。本發明通過調節導電線圈中電流大小來改變磁場，實現圓柱管液晶隨機雷射的開關控制，其結構簡單方便，易於實現，比溫控實現控制更快速。並且真空中載流長直螺線管內部的磁感應強度為Β =μ/7/( μ是真空磁導率，/7是螺線管單位長度上的線圈匝數，I為螺線管導線內的電流)，為了達到合適的磁感應強度值，通過選擇合適的線圈匝數與材料(電阻等參數就不同)，如銅、鋁或者合金材料等，可以實現比達到同樣效果的電控的耗能低。在管體結構中構建足夠的平行電場實現起來不是很方便，而本發明中只需要通過纏繞通電線圈就可以實現足夠的平行磁場，實現起來簡單。與傳統的雷射器相比，其體積較小易於集成，結構多樣化，而且製作容易、調控速度快。本裝置的結構和方法可用於光纖雷射的調節、光通信(偏振的調節，控制通斷等)、以及磁場探測等領域。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，如改進外控電路使磁場更穩定、改變泵浦光入射方向、採用單線圈、超導線圈或溫控裝置等等，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種控制隨機雷射強度的裝置，其特徵在於，包括剛性管體(I)，裝在所述剛性管體(O內的液晶(2)和雷射染料(3)，纏繞於所述剛性管體(I)外表面的兩組繞向相同的線圈(4)，以及與所述線圈(4)電連接的電源模組(5);相鄰線圈(4)的間距不小於泵浦光光斑的直徑，各組線圈中的電流方向相同。
2.如權利要求1所述的控制隨機雷射強度的裝置，其特徵在於，所述剛性管體(I)的內徑為0.0l I毫米。
3.如權利要求1或2所述的控制隨機雷射強度的裝置，其特徵在於，所述雷射染料(3)和液晶(2)的重量份數分別為0.2^0.8和99.2^99.8。
4.如權利要求1或2所述的控制隨機雷射強度的裝置，其特徵在於，相鄰線圈(4)的間距為泵浦光斑直徑的f2000倍。
5.如權利要求1所述的控制隨機雷射強度的裝置，其特徵在於，所述剛性管體(I)為石英管。
6.一種控制隨機雷射強度的方法，其特徵在於，包括如下步驟:將裝有液晶和雷射染料的剛性管體置於磁場強度可控的磁場中；當泵浦光照射到所述剛性管體上時，調節磁場強度以改變隨機雷射的出射強度。
7.如權利要求6所述的控制隨機雷射強度的方法，其特徵在於，所述剛性管體外表面纏繞線圈，調節所述線圈中電流的大小進而調節所述磁場強度。
8.如權利要求7所述的控制隨機雷射強度的方法，其特徵在於，線圈纏繞和電流控制的步驟如下:以同樣的繞制方式在所述剛性管體外側均勻纏繞兩組線圈，相鄰線圈之間的間距大於泵浦光斑直徑；將所 述線圈與電源模組連接；調整泵浦光光源的位置，使泵浦光經過聚焦透鏡後射入相鄰線圈之間的剛性管體上；通過電源模組改變所述線圈中電流的強度，從而調節隨機雷射的出射強度。
9.如權利要求6或8所述的控制隨機雷射強度的方法，其特徵在於，還包括如下步驟:準備剛性管體並洗淨其內表面，在所述剛性管體內灌入由液晶與雷射染料組成的混合溶液，其中，雷射染料在混合溶液中質量濃度為0.2^0.8%。
10.如權利要求6或8所述的控制隨機雷射強度的方法，其特徵在於，所述剛性管體為內徑在ο.οΓι毫米的石英管。
全文摘要
本發明公開了一種控制隨機雷射強度的裝置及方法，所述裝置包括剛性管體，裝在所述剛性管體內的液晶和雷射染料，纏繞於所述剛性管體外表面的兩組繞向相同的線圈，以及與所述線圈電連接的電源模組；相鄰線圈的間距不小於泵浦光光斑的直徑，各組線圈中的電流方向相同。所述方法包括將裝有液晶和雷射染料的剛性管體置於磁場強度可控的磁場中；當泵浦光照射到所述剛性管體上時，調節磁場強度以改變隨機雷射的出射強度。本發明的裝置和方法具有簡單易實現和調控速度快的優點。
文檔編號H01S3/10GK103208733SQ201310078839
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者葉莉華, 趙翀, 顧兵, 尹志樂, 王雁, 崔一平 申請人:東南大學