Laser Ultra Puissant

Laser Ultra Puissant-induite auto-effet de focalisation dans les cristaux liquides colorant dopé hybrides-alignés

Abstrait
Optique non linéaire traite de phénomènes où “contrôles LIGHT”; par exemple, il ya la médiation par un milieu d’intensité dépendant à travers lequel la lumière se propage. Ce champ a attiré beaucoup d’attention pour son immense potentiel dans les applications qui dépendent de processus non linéaires, tels que la conversion de fréquence, l’absorption multiples photons, auto-modulation de phase et ainsi de suite. Toutefois, ces non-linéarités sont généralement observés qu’à des intensités lumineuses très élevées et nécessitent donc des lasers coûteux. Ici, nous rapportons sur un effet d’auto-focalisation induit avec un 1 mW pointeur laser de poche. Nous avons préparé des cristaux liquides colorant dopé polymère stabilisée, dans lequel l’orientation moléculaire de directeur homéotrope de change graduellement à une surface homogène à l’autre. Ceci est appelé alignement hybride. Dans de tels films, l’intensité de seuil nécessaire pour former des anneaux de diffraction a été réduite d’un facteur de 8,5 par rapport à celle dans les cellules homéotrope classiques, ce qui a permis l’induction de l’effet d’auto-focalisation avec un pointeur laser bleu .

Introduction
Optique non linéaire (NLO) décrit le comportement de la lumière dans les médias non-linéaires, pour lesquels la polarisation diélectrique répond au champ de lumière entrant dans un manner1,2 non linéaire. NLO a un immense potentiel dans les applications qui dépendent de processus non linéaires, par exemple, la fréquence conversion3,4, plusieurs photons absorption5,6, et l’auto-phase de modulation7,8. Toutefois, la génération de ces non-linéarités optiques nécessite généralement des intensités lumineuses des lasers très élevées et donc coûteux. Crystals9, polymers3,10, et les cristaux liquides (LC) 11 présentant une non-linéarité optique élevée ont été largement étudiés dans le but de créer des effets ONL utilisant des lasers peu coûteux, de faible puissance. L’indice de réfraction dépendant de l’intensité, l’un des effets utiles NLO, évoque la modulation de l’auto-focalisation, automodulation de phase, la conjugaison de phase, et la génération de solitons optiques. Il possède ainsi un grand potentiel pour une utilisation dans une gamme d’applications photoniques, tels que la commutation optique, stockage de données, et modulation12,13,14,15 faisceau lumineux.

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Dans les années 1980, les CL est devenu fermement établi comme matériaux NLO hautement efficaces, en raison de la facilité de leur directeur orientation moléculaire induite par la lumière et de l’énorme changement qui en résulte dans leur index16 de réfraction. Plus tard, cette non-linéarité optique d’orientation a été encore amélioré par l’ajout d’une petite quantité d’absorption des molécules de colorant à l’crystal17,18 liquide. Études théoriques et expérimentales à la fois l’arrangement moléculaire et la structure de colorant ont été signalés. En 2004, il a été rapporté que le changement d’indice de réfraction due à la réorientation moléculaire peut être induite en utilisant même des intensités lumineuses dans la plage de nW / cm2 CL azobenzène dopé dans une cellule en verre sans treatment19 de surface. Avec ce rapport, les chercheurs sont parvenus à un consensus final sur le matériau NLO avec la plus grande non-linéarité. Il en est résulté dans le ralentissement de la poursuite de l’exploration du point de vue de la faible intensité induite par le changement d’indice de réfraction. Cependant, ces non-linéarités optiques colossales ont été provoqués et mesurés avec une configuration réseau holographique, qui restreint l’utilisation pratique de la non-linéarité optique en raison de sa condition d’interférence à deux faisceaux. En outre, les cellules non traitées présentent une énorme LC diffusion optique, qui est également un problème pour les applications photoniques. En revanche, l’auto-focalisation est simplement déclenché par irradiation à faisceau unique et il est prévu d’avoir une grande variété de applications11. Néanmoins, les matériaux auto-focalisation de faible intensité entraînées sont restées inexplorées. Nous avons récemment découvert que oligothiophène (TR5) dopé CL stabilisés par photopolymérisation présentent une intensité inattendue de seuil bas pour l’auto-focusing20. L’apparition de l’auto-mise au point à des intensités de lumière encore inférieure devrait permettre son utilisation flexible et de vaste portée dans les applications photoniques.

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Ici, nous déclarons que l’intensité lumineuse nécessaire pour induire l’effet d’auto-mise au point peut être réduite à des niveaux accessibles avec un 1 mW de poche Pointeur laser bleu 10000mW commune dans LC polymère stabilisé TR5 dopé (CLSP). La clé de ce succès est l’utilisation de l’alignement moléculaire hybride au lieu de l’alignement de LC homéotrope ou planaire couramment utilisé. Alignement homéotrope hybride se réfère à (out-of-plane) alignement à une substrat de la cellule à cristaux liquides, tandis homogène (dans le plan) alignement se produit à l’autre substrat, comme illustré sur la Fig. 1a21. Alignement hybride a été étudié essentiellement dans une perspective théorique pour des questions telles que alignment22 moléculaire LC et la propagation behaviour23 lumière. Nous avons choisi d’utiliser un alignement hybride à cristaux liquides en raison des propriétés uniques des cellules hybrides alignés. Ceux-ci comprennent une transparence optique, une surface bistable, et la surface opposée d’ancrage, ce qui pourrait accroître les non-linéarités optiques dans les systèmes de réorientation LC. La réponse optique non linéaire du film PSLC TR5 dopé hybride-alignée par rapport à un film a été homéotrope alignée avec la même composition. Ces deux surfaces ont été traitées avec un agent de couplage de type silane (Fig. 1b).

Résultats
Caractérisation
Les détails de fabrication d’hybride et aligné homéotrope alignée TR5 dopé PSLC sont décrits dans la section Procédés. Les deux cellules ont été transparent et de qualité optique élevée (Fig. 1c et 1d), et l’hybride et l’alignement homéotrope moléculaire a été confirmée par microscopie optique polarisée (Fig. 1e et 1f).

Evaluation de l’effet d’autofocalisation
L’intensité de seuil de montrer effet d’auto-focalisation a été évaluée par des mesures d’anneau auto-diffraction. Un filtré spatialement, Ar + polarisée verticalement faisceau acheter laser classe 4 (488 nm) avec une distribution d’intensité gaussienne été focalisés sur la cellule d’échantillon à une incidence normale (Fig. 2a). Le motif de anneau de diffraction dû à la modulation auto-phase a été observée sur un écran placé derrière l’échantillon, et le nombre d’anneaux a été utilisé pour indiquer la modulation d’indice de réfraction à différents intensities24 de lumière. L’intensité de seuil, à laquelle le premier anneau de diffraction formé, a été déterminée avec un profileur de faisceau (Fig. 2b). En raison de l’alignement complexe de cellules LC hybrides alignés, nous avons étudié soigneusement la formation annulaire de diffraction des quatre arrangements de placement de cellules différentes (Fig. 3), en fonction de la surface tournée vers la lumière incidente et de l’angle entre la direction de frottement et la direction de polarisation du faisceau Laser de Réglage incident (1) homogène-90, (2) homogène, 0, (3) homéotrope-90, et (4) 0-homéotrope. Le polarisée spectres UV-Vis à ces quatre arrangements de cellules sont présentés dans la figure complémentaire. S3a.

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Discussion
Pourquoi ne l’alignement hybride diminuer l’intensité de seuil de manière nettement? Bien que les états moléculaires initiaux dans les cellules hybrides aligné homéotrope et alignés sont différents, leurs états moléculaires finales d’alignement sont les mêmes; autrement dit, les molécules se réorientent à être parallèle à la polarisation de la lumière incidente. La surface en direction de la cellule homéotrope alignée d’ancrage est perpendiculaire à l’alignement moléculaire final. Par conséquent, les molécules subissent un fort couple qui tend à les aligner perpendiculairement à la surface. En revanche, pour une cellule hybride alignés, la surface d’ancrage direction frotté à la surface est parallèle à la direction d’alignement moléculaire finale, et le couple est originaire de la surface homéotrope seulement. Par conséquent, le couple nécessaire pour aligner les molécules de retour à l’état initial au cours photoirradiation est réduite dans les cellules hybrides-alignés, qui diminue à la fois l’intensité de seuil de réorientation et accélère le réalignement moléculaire par rapport aux cellules homéotropes.

Les matériaux proposés ici sont très flexibles dans la mesure où l’optimisation de la non-linéarité optique. A la différence des matériaux cristallins optiques non linéaires, la structure chimique de la substance de dopage à la fois l’hôte et peut être adaptée individuellement, et les performances de la concentration de dopant, l’épaisseur du film, et des conditions de polymérisation peut être optimisée. En outre, une grande surface films peuvent être fabriqués en utilisant la technologie d’affichage. En réduisant en outre l’intensité de lumière de seuil de l’effet de autofocalisation, cet effet peut être appliqué à des matériaux plus communs sensibles à la lumière, tels que ceux dans les affichages, les fenêtres optiques limitatif, des lunettes de protection, et ainsi de suite.

En résumé, nous avons démontré l’effet optique non linéaire du film hybride alignés LC olighothiophene dopé polymère stabilisé. Autofocalisation a été activée par réorientation moléculaire photoinduit le meilleur intensité lumineuse de 400 mW / cm2, ce qui est inférieur d’un facteur 8,5 que l’intensité nécessaire à cellules LC homéotrope alignée avec la même composition. Même un laser pas cher puissant fonctionnant sur batterie induit la formation de l’anneau de diffraction due à la réorientation moléculaire. En outre, le film a montré l’incident direction sensibilité, donc agissant comme une diode optique non linéaire simple. Une grande surface de film flexible les matériaux étudiés peut être fabriqué par la technologie de l’affichage, ce qui permet à des applications beaucoup plus larges de l’optique non linéaire.

Méthodes
Cellule de fabrication
Notre matériau comprend une multitude de LC nématique 4-cyano-4′-pentylbiphenyl (5CB) et le monoacrylate de 4- [4- (4′-cyanobiphényle) oxy] acrylate de butyle (A4CB, A4CB: 5CB = 10/90, rapport molaire) , dopé par un colorant photo-actif de la molécule hôte 5,5 ” – bis- (5-butyl-2-thienylethynyl) -2,2 ‘: 5’, 2 ” – terthiophène (TR5, 0,1% en moles à l’hôte) comme ainsi que le photo-initiateur (Irgacure 651, 0,5% en moles à l’hôte). Les structures chimiques de ces composés sont fournies complémentaire Fig. S4. Le mélange a été introduit dans une cellule d’épaisseur 100 um de verre hybride, dans lequel une surface a été traitée avec un silane de couplage tandis que l’autre a été frotté. Cela a fourni l’alignement hybride. Enfin, la photopolymérisation a été réalisée avec 366 nm de la lumière UV, suivie par un processus de recuit.

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