液晶レーザー
レーザーの種類

液晶レーザーは、液晶を共振器空洞として用い、活性レーザー媒質から発光波長と偏光を選択できるレーザーである。レーザー媒質は通常、液晶にドープされた色素である。液晶レーザーはダイオードレーザーと同程度の大きさであるが、広いコヒーレンス領域を維持しながら、色素レーザーの連続的な広帯域波長可変性を提供する。波長可変範囲は通常数十ナノメートルである。[1]マイクロメートルスケールでの自己組織化により、層状フォトニックメタマテリアルを使用する場合に比べて製造の複雑さが軽減される。動作は連続波モードまたはパルスモードのいずれかで行うことができる。[2]

歴史

外部ミラーの代わりに周期構造のブラッグ反射を用いた分布帰還型レーザー発振は、1971年に初めて提案され、[3] 1978年にコレステリック液晶を用いて理論的に予測され、 [4 ] 1980年に実験的に達成され、[5] 1998年にフォトニックバンドギャップの観点から説明されました。[6] [7] [8] 1973年に発行された 米国特許には、「コレステリック液晶材料の分子構造により内部分布帰還型を備えた液体レーザー媒体」を使用する液晶レーザーが記載されています。[9]

機構

ネマティック相の液晶から始めて、キラル分子を液晶にドーピングすることで、目的の螺旋ピッチ（ネマティック面サブユニットが1回転するのに必要な螺旋軸に沿った距離）を実現できます。[8]同じ利き手で円偏光した光の場合、屈折率のこの規則的な変調により、螺旋ピッチで決まる波長の選択反射が得られ、液晶レーザーが自身の共振器空洞として機能するようになります。フォトニック結晶はバンド理論法に適しており、周期的な誘電体構造が周期的な電位の役割を果たし、フォトニックバンドギャップ（反射ノッチ）が禁制周波数に対応します。フォトニックバンドギャップ付近では光子群速度が低く状態密度が高いため、自然放出が抑制され、誘導放出が強化され、レーザー発振に好ましい条件が整います。[7] [10]電子バンドエッジがフォトニックバンドギャップ内に収まると、電子と正孔の再結合が厳密に抑制されます。[11]これにより、液晶レーザーが独自の導波路として機能する、高いレーザー発振効率、低いレーザー発振閾値、安定した周波数を備えたデバイスが可能になります。ドープされたネマティック相液晶では、屈折率の「巨大な」非線形変化が実現可能であり、屈折率は照射強度に応じて約10 3 cm 2 /Wの照射強度で変化します。[12] [13] [14]ほとんどのシステムでは、反転分布を実現するために半導体ポンピングレーザーを使用していますが、フラッシュランプや電気ポンピングシステムも利用可能です。[15]

出力波長の調整は、らせんピッチを滑らかに変化させることによって実現されます。巻きが変化すると、結晶の長さスケールも変化します。これにより、バンドエッジがシフトし、レーザー共振器内の光路長が変わります。局所ネマティック相の双極子モーメントに垂直な静電場を印加すると、六方面の棒状サブユニットが回転し、カイラル相が再配列されて、らせんピッチが巻かれたりほどけたりします。[16]同様に、出力波長の光学的調整は、利得媒体のピックアップ周波数から離れたレーザー光を使用して可能であり、回転の度合いは、強度と、入射光の偏光と双極子モーメント間の角度によって決まります。[17] [18] [19]再配向は安定しており、可逆的です。コレステリック相のカイラルピッチは、温度の上昇とともにほどける傾向があり、高温端ではより対称性の高いネマティック相への無秩序-秩序転移を伴います。 [5] [20] [21] [22]照射方向に対して垂直な温度勾配を印加し、刺激位置を変化させることで、連続スペクトル全体にわたって周波数を選択できる。[23]同様に、準連続ドーピング勾配は、同一試料上の異なる位置から複数のレーザー線を生成する。[15]空間チューニングは、ウェッジセルを用いても実現できる。狭いセルの境界条件は、端に特定の方向を要求することでらせんピッチを圧縮し、外側のセルが次の安定した方向に回転する離散的なジャンプを形成する。ジャンプ間の周波数変化は連続的である。[24]

液晶に欠陥を導入して周期性を乱すと、フォトニックバンドギャップ内に単一の許容モードが生成され、隣接周波数における自然放出による電力リーチングが低減される可能性がある。欠陥モードレーザー発振は1987年に初めて予測され、2003年に実証された。[11] [25] [26]

このような薄膜のほとんどは膜の表面に垂直な軸上でレーザーを発しますが、中にはその軸の周りの円錐角上でレーザーを発するものもいます。[27]

アプリケーション

  • バイオメディカルセンシング：小型、低コスト、低消費電力は、バイオメディカルセンシングアプリケーションにおいて様々な利点をもたらします。液晶レーザーは、サンプルを別の研究室に送ることなく即座に測定結果を提供する「ラボ・オン・チップ」デバイスの基盤となる可能性があります。[28]
  • 医療：低出力のレーザーは手術中の切開などの医療行為を制限しますが、液晶レーザーは顕微鏡技術や光線力学療法などの生体内技術に利用できる可能性を秘めています。[1]
  • ディスプレイ画面：液晶レーザーベースのディスプレイは、標準的な液晶ディスプレイの利点のほとんどを備えていますが、スペクトル拡散が小さいため、より正確な色制御が可能です。個々の素子は、高い輝度と色彩鮮明度を維持しながら、単一のピクセルとして機能するほど小さいです。各ピクセルが単一の空間的に調整されたデバイスであるシステムは、動的調整における長い緩和時間を回避し、空間アドレス指定と単一の単色励起光源を用いて任意の色を発光することができます。[28] [29] [30]
  • 環境センシング：温度、電場、磁場、または機械的歪みに非常に敏感ならせんピッチを持つ材料を使用することで、出力レーザーの色シフトにより環境条件を簡単かつ直接的に測定できます。[31]

参考文献

  1. ^ Woltman 2007、357ページより
  2. ^ Jacobs; Cerqua; Marshall; Schmid; Guardalben; Skerrett (1988). 「液晶レーザー光学系：設計、製造、性能」. Journal of the Optical Society of America B. 5 ( 9): 1962. Bibcode :1988JOSAB...5.1962J. doi :10.1364/JOSAB.5.001962.
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参考文献

  • ウォルトマン, スコット J.; クロフォード, グレゴリー フィリップ; ジェイ, グレゴリー D. (2007).液晶：バイオメディカル応用の最前線. ワールドサイエンティフィック. ISBN 978-981-270-545-7。

さらに読む

  • ムスリヴィエツ、ヤロスワフ;ズカルスカ、アリーナ。シュカルスキー、アダム。シュニトコ、レッヒ (2021)。 「液晶レーザー: 過去 10 年と未来」。ナノフォトニクス。10 (9): 2309 – 2346。Bibcode :2021Nanop..10...96M。土井：10.1515/nanoph-2021-0096。
  • コールズ、ハリー；スティーブン・モリス (2010). 「液晶レーザー」. Nature Photonics . 4 (10): 676– 685. Bibcode :2010NaPho...4..676C. doi :10.1038/nphoton.2010.184.
  • ジョアノポロス, ジョン・D.、ジョンソン, スティーブン・G.、ウィン, ジョシュア・N.、ミード, ロバート・D. (2008). 『フォトニック結晶：光の流れを形作る』 プリンストン大学出版局. ISBN 978-0-691-12456-8. 2011年4月10日閲覧。
  • キラル液晶の光学的特性に関する論文リスト
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