基于飞秒激光的液晶非线性应用研究

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液晶(LC)由于其优异的光学特性和易于调控的性质,被广泛应用于平板显示、生物探测、光通信等领域。作为LC重点研究领域之一,LC非线性光学效应越来越引起人们的关注。飞秒激光脉冲具有超短的脉冲宽度和超高的峰值强度,其与液晶结合更有利于研究液晶的非线性光学效应。本论文将LC技术和飞秒激光技术结合,分析了飞秒激光诱导液晶产生的太赫兹(THz)辐射和荧光现象,并探究其产生原理。本文首先介绍了LC的几种光学非线性效应和LC非线性系数的测量方法,以NJU-LDn-4材料为例,从分子结构的角度分析了其非线性效应和荧光性能。该LC材料包含大量高度共轭的棒状分子,具有长π电子共轭键,可实现相对较大的LC非线性效应。该LC材料中的联苯基团也可实现较好的荧光发射。然后研究了LC材料在800 nm的飞秒激光泵浦下产生明显的椭圆偏振的THz辐射。从理论角度分析光整流产生THz辐射的特性,并重点研究了THz辐射随泵浦功率和泵浦光束偏振角的变化规律。THz电场峰值强度随泵浦功率的增长而增强,呈线性关系。泵浦光束平行于液晶指向矢入射,可以得到较好的THz辐射;当泵浦光束的偏振方向与液晶指向矢垂直时,几乎观测不到THz辐射。此外,THz波的椭圆偏振态与强激光脉冲诱导液晶指向矢分子重定向有关。最后研究LC材料在飞秒激光泵浦下产生的荧光现象。测量了LC的荧光光谱和吸收光谱,对比405 nm的连续激光激发LC的荧光现象,分析飞秒激光作用下的荧光主要是由于双光子吸收。而且,由于荧光中也存在少量二次谐波,荧光强度与泵浦功率的关系并不完全符合双光子吸收的规律,其变化规律与LC的厚度有关。进一步研究发现,荧光强度与泵浦光偏振角相关,当泵浦光偏振方向与液晶指向矢方向平行时,荧光强度较强。同时研究表明,液晶的微结构会直接影响荧光的结构。利用飞秒激光研究光与液晶相互作用产生的非线性效应,尤其是光整流效应产生THz辐射,有望实现基于液晶的灵活可调的THz辐射源,研究其荧光也有助于拓展液晶光子学的研究领域和应用范围。
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