吕月兰 尹向宝2) 杨月 刘永军 苑立波

1)(哈尔滨工程大学,纤维集成光学教育部重点实验室,哈尔滨 150001)

2)(黑龙江科技大学理学院,哈尔滨 150022)

1 引 言

宽带连续荧光光源在光纤传感器[1]、探测器[2]和调制器[3,4]等领域的应用非常广泛.目前常用的宽带光源是超发光二极管(super luminescent diode,SLD),但SLD的空间相干性较差,使得其在与单模光纤耦合时有损耗.与SLD相比,荧光光纤光源(f l uorescent f i ber light source,FLS)具有宽的荧光输出光谱、使用寿命长及价格低廉等优点,在光纤通信、医学成像等方面有潜在的应用.

在FLS中,可用不同材料填充空心光纤空气孔,以此调节空心光纤的光学传输特性,拓宽光源的调谐范围[5−7].由于液晶分子具有光学各向异性,其折射率具有随温度、电磁场等外场变化的特性[8−10],成为近年来备受关注的填充材料.将染料掺杂液晶填充到空心光纤空气孔中,通过调节温度就可以很容易地控制荧光空心光纤光源的传输特性.目前研究较多的是用液晶填充光子晶体光纤(PCF)包层空气孔,实现光纤的温控调谐.2013年,Marzena等[11]研究设计了填充液晶的温控可调PCF级联滤波器,实验得到了其光子带隙随温度变化的关系;2015年,乌日娜等[12]将染料掺杂液晶填充全反射型PCF中,室温下,在600—650 nm范围内出现多个线宽0.2—0.3 nm随机激光辐射峰,在不同温度的液晶中呈现出不同的折射率分布,当温度升高至清亮点温度时辐射峰消失.但上述研究大多是针对填充某一种液晶的PCF,而PCF制作工艺复杂、成本较高,空心光纤则制备简单、成本低,且鲜见关于染料掺杂液晶填充空心光纤传输特性的实验研究.本文提出利用染料掺杂液晶填充空心光纤制作可调谐荧光光源,并研究其温度调谐可行性,研究结果对于开发基于染料掺杂液晶填充空心光纤荧光可调谐光源有理论指导意义.

2 染料掺杂光纤荧光光源发光机理

荧光染料B4400具有很高的量子效率和较小的三重态吸收,荧光染料B4400分子结构如图1所示,其能级图如图2所示.从图2可以看出B4400分子的能级是一种宽带能级结构[13],由单态(S0,S1,S2)和三重态(T1,T2)两部分组成,由于三重态荧光猝灭的影响,本文选用纳秒级的脉冲激光器作为抽运源.由图2可见,B4400分子每一个能态上存在大量的转振能级,每一个能态都具有很宽的带宽,因此发射谱具有宽带可调谐特性[14],可以通过改变某些外界参数,比如磁场、温度等,使得激光跃迁能级发生移动.2007年,Yu等[15]研究了荧光染料掺杂脱氧核糖核酸-十六烷基三甲基胺(DNA-CTMA)薄膜结构的光致发光和激光特性,发现染料掺杂DNA-CTMA薄膜放大自发辐射的峰值位置产生了红移.2014年,詹永波等[16]研究了染料掺杂聚合物光纤的荧光发射,发现染料掺杂的聚合物光纤能够实现较高效率的光谱下转换,如果将其与大芯径的石英玻璃光纤耦合,就可以对石英玻璃光纤所传输的光进行有效的光谱调控.

图1 荧光染料B4400分子结构图Fig.1.Structure of B4400 molecular.

图2 荧光染料B4400分子能级结构图Fig.2.Molecular energy level structure of B4400.

3 实验结果与讨论

3.1 样品制备

染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光源样品的制备选用芯径50µm、涂覆层直径125µm的空心光纤,空心光纤剖面图如图3所示.实验所用的液晶由北京八亿时空液晶科技股份有限公司生产的向列相液晶BHR33200,20°C常温下波长在589.3 nm处,寻常光折射率no=1.522,非寻常光折射率ne=1.692,清亮点温度为61.2°C;荧光染料选用东京化成工业株式会社提供的[[(4-tert-Butyl-3,5-dimethyl-1H-pyrrol-2-yl)(4-tertbutyl-3,5-dimethyl-2H-pyrrol-2-ylidene)methyl]methane](dif l uoroborane)B4400型染料和美国Exciton公司提供的(4-二氰基亚甲基-2-甲基-6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃)DCM型染料.由于液晶的填充,使空心光纤有较大损耗,采用功率密度较高的532 nm脉冲激光抽运,测量得到染料掺杂液晶填充空心光纤损耗值为80 dB/km,其传输模式为多模传输,实现荧光的效率为50%.实验所用激光器为波长1064 nm、功率80 mW的超连续激光器和北京镭宝光电公司提供的激光脉冲宽度8 ns、重复频率1 Hz、波长532 nm、功率10 mW的Dawa-100 Nd:YAG倍频脉冲激光器,利用海洋光学提供测量精度0.8 nm的光纤光谱仪进行透射谱及发射谱的测试.实验装置如图4所示.

图3 空心光纤剖面图Fig.3.Cross section of the hollow f i ber.

图4 实验装置图Fig.4.Experimental setup for measuring spectra.

在激光进入染料掺杂空心光纤的过程中,随着染料浓度的增大,染料分子增多,荧光加强,光强放大倍数增大;但是当掺杂浓度增加到一定程度时,由于荧光再吸收作用,会引起荧光浓度猝灭效应,不利于产生荧光,导致光强放大倍数减小[17].为确定掺杂染料的最佳浓度,利用超连续激光器测量空心光子晶体光纤(HC-PCF)中向列相液晶掺杂不同B4400浓度的透射谱,如图5所示.实验表明,通过HC-PCF透射谱可以得到对于质量浓度为B4400:BHR33200=1 wt%的溶液光强放大倍数最大,表明1 wt%为掺杂染料最佳浓度.

图5 (网刊彩色)B4400不同浓度的辐射谱Fig.5.(color online)The radiation spectra of B4400 dependent on concentrations.

3.2 温度对染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光谱特性的影响

利用YAG倍频脉冲激光器抽运测得2 cm的荧光染料B4400掺杂液晶填充空心光纤在不同温度时的透射谱宽(半高谱宽),如图6所示.由于液晶在温度变化时具有折射率可调谐特性,可以看出当温度由40°C升到85°C时,染料掺杂液晶填充空心光纤荧光光源半高谱宽先展宽后变窄,谱宽调制范围为9 nm(液晶各向异性),即227—236 nm.这是由于液晶折射率Δn=no−ne的各向异性,随着温度升高,寻常光折射率no增大,非寻常光折射率ne减小,因此两者折射率之差Δn减小[18],使得空心光纤纤芯内液晶与空心区域之间的折射率差减小,导致光纤传输损耗增大,透射谱宽呈单调增大,当靠近清亮点温度时发生突变,液晶各向异性消失,表现为各向同性折射率,散射损耗比各向异性时小,所以出现样品谱宽的骤减,同时荧光相对辐射光强增加,如图7所示.

图6 温度对染料B4400掺杂液晶填充空心光纤半高谱宽的影响Fig.6.Temperature dependent half tall spectral width of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

图7 温度对染料B4400掺杂液晶填充空心光纤荧光相对辐射光强的影响Fig.7.Temperature dependent f l uorescence intensity of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

3.3 温度对染料掺杂液晶填充空心光纤中心波长的影响

液晶填充空心光纤双折射与温度的关系为Δn相对= ΔnSiO2−Δn0(1−T/TC)β,其中Δn0为液晶0 K时的折射率,ΔnSiO2为光纤包层折射率,TC为清亮点温度,β为材料常数[19,20].用matlab模拟给出液晶掺杂染料B4400空心光纤在升温时的相对折射率,如图8所示.可以看出随着温度从室温升高到80°C,由于液晶有效折射率的减小,染料B4400掺杂液晶填充空心光纤相对折射率Δn相对先呈线性增加后呈指数快速增加;当达到清亮点61.9°C后,Δn相对单调缓慢减小,这是由于向列相液晶光学特性由各向异性转变为各向同性,液晶散射增强引起的.因此,在实验中可以看到,随温度升高,中心波长先“红移”,当达到清亮点后,中心波长发生“蓝移”,但并没有明显变化,这说明超过清亮点温度之后,液晶的光吸收损耗减少,但光散射损耗增加[21],液晶材料的折射率不再随着温度发生太大变化,使得中心波长向短波移动,如图9所示,相应的发射光谱见图9内插图.

图8 温度对染料B4400掺杂液晶填充空心光纤相对折射率的影响Fig.8.Temperature dependent relative refractive index of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

图9 (网刊彩色)温度对染料B4400掺杂液晶空心光纤中心波长的影响Fig.9.(color online)Temperature dependent center wavelength of hollow f i ber with dye B4400 doped liquid crystal.

图10 (网刊彩色)空心光纤中液晶分别掺杂两种染料时,温度对其中心波长的影响Fig.10. (color online)Temperature dependent center wavelength of hollow f i ber with liquid crystal doped two kinds of dye respectively.

相应地,我们也测量了空心光纤中液晶分别掺杂两种荧光染料时的温度调谐,发现温度对其中心波长的调谐作用一致,如图10所示.在60°C处出现样品谱宽的骤减(如图6所示),中心波长在60°C处出现“蓝移”.由于局限在中心波长调谐范围以及谱宽调制范围较窄,需要进一步研究.

4 结 论

本文理论和实验研究了染料掺杂液晶填充空心光纤的荧光光源功率输出及温度调谐特性.获得该结构荧光光源在不同荧光掺杂浓度下的光强放大倍数,确定荧光光强在掺杂浓度为1 wt%时输出最高,说明荧光输出具有选择性放大作用;中心波长随温度升高发生红移,同时荧光谱宽随温度不断展宽,说明具有一定的调谐范围.本研究对开发基于染料掺杂液晶填充空心光纤温度调谐荧光光源、放大器以及光开关等器件,都具有积极理论指导意义.

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