[发明专利]利用层状复合液晶薄膜的微弱信号放大器及其制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明属于光折变层状液晶器件的制备及相干光学放大技术领域。

(二)背景技术

在上个世纪九十年代之前，光折变材料主要集中在无机晶体材料。1991年，Ducharme首次在有机聚合物材料bisA-NPDA：DEH中发现了光折变效应。之后，有机光折变材料因其制备工艺简单、改性容易、成本低廉而受到人们的广泛关注。1994年，向列液晶光折变材料首次被报道。作为一种有机光折变材料，与传统的晶体材料相比，液晶具有成本便宜，样品制备容易、能够与电子器件集成等优点；在有机光折变材料中，液晶材料的工作电压要远远低于聚合物材料，而且它还具有很高的敏感性。因此，自从1994年首次报道液晶中的光折变效应，它立即引起了研究者的极大兴趣。

当前，在单层液晶薄膜中报道的最高的信号增益系数高达3000cm^-1，所需的外加电场为0.3V/μm、泵浦光功率为～140mW，且能够响应的弱信号光的功率为0.1mW的量级。然而，由于制备工艺等方面的原因，液晶样品最大厚度被限制在一百微米左右，这样一来小的样品厚度(即小的耦合作用长度)使得大的增益系数并不一定能产生大的信号增益，最终只能获得十几倍的增益，这极大地限制了液晶器件在小信号放大、相位共轭、新型滤波、光限幅、神经网络等领域的应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超高光学敏感度和增益值高达～4000，能耗小、成本低廉、易于集成的层状液晶薄膜光学放大器。

本发明的目的是这样实现的：该层状液晶薄膜光学放大元件是利用环氧胶将光学质量良好的向列液晶盒平行地粘接在一起制备而成的含有一组液晶盒的层状结构元件，其中每一层液晶薄膜均外加电压，液晶盒由两块经过表面处理的ITO玻璃和液晶薄膜组成。

本发明的另一目的在于提供这种层状液晶器件的制备方法及小信号放大系统。

本发明的层状液晶薄膜光学放大元件经由以下两步制备而成。第一步为单个液晶盒的制备，具体制备过程如下：

1)利用超声波清洗仪将ITO玻璃基底分别用丙酮和去离子水多次清洗后，用烘箱将其烘干；

2)在清洁的ITO表面上镀一层表面取向层，使得液晶分子在ITO表面整齐定向排列；

3)利用聚酯垫片将两块镀有表面取向层的ITO玻璃基底隔开，将两块ITO玻璃相互平行的两个端面用环氧胶粘合起来，放置24小时后环氧胶将完全凝固；

4)利用表面张力将掺杂光敏剂的向列液晶灌入3)中给出的、由两块ITO玻璃组成的盒中。

通过上述过程就可以制备出光学质量良好的、液晶指向矢垂直于ITO玻璃表面的液晶盒，其结构示意图如图1所示。第二步将第一步获得的光学质量良好的液晶盒平行地用胶粘接在一起，制备出含有多个液晶盒的层状液晶薄膜光学放大元件，其中每一层液晶薄膜的外加电压都可以单独控制，见图2。

本发明的层状液晶器件小信号放大系统的实现如图2和图3所示：1)从激光器(Laser)发出的光束经由半波片(λ/2)和偏振片(P)后成为水平偏振入射光，经由反射镜M₁改变方向后的入射光利用分束比可调的分束镜(BS)进行分束，分为位于分束镜(BS)的反射光路上的信号光和位于分束镜(BS)的透射射光路上的泵浦光，其中泵浦光的强度可由中性衰减片(A)来调控；2)信号光和泵浦光分别经由反射镜M₂和M₃改变方向后约以1°或更小的夹角相交(即(θ₁-θ₂)≈1°或更小)，并在液晶薄膜中产生空间周期与单层液晶薄膜厚度相当或更大的强度分布图样；3)将层状液晶样品(Sample)放置于泵浦光I₁₀和信号光I₂₀形成的干涉场中，样品的法线与两束记录光的角平分线的夹角(θ₁+θ₂)/2可取能够记录光栅的任意角度；4)在每层液晶薄膜两端都施加大小且极性相同的外加直流电压，信号光和泵浦光会在每层液晶薄膜内形成薄的非局域光栅，从而可以实现泵浦光向信号光的非对称能量转移，其中小信号放大增益定义为加载泵浦光后与加载泵浦光前的信号光的透射光强I₂₁之间的比值。