Láser de cristal líquido

Un láser de cristal líquido es un láser que utiliza un cristal líquido como cavidad resonante , lo que permite seleccionar la longitud de onda de emisión y la polarización del medio láser activo . El medio láser suele ser un colorante dopado en el cristal líquido. Los láseres de cristal líquido son comparables en tamaño a los láseres de diodo , pero proporcionan la sintonización continua de amplio espectro de los láseres de colorante, manteniendo al mismo tiempo una gran área de coherencia . El rango de sintonización suele ser de varias decenas de nanómetros . ^{[ 1 ]} La autoorganización a escala micrométrica reduce la complejidad de fabricación en comparación con el uso de metamateriales fotónicos en capas . El funcionamiento puede ser en modo de onda continua o en modo pulsado . ^{[ 2 ]}

La emisión láser con retroalimentación distribuida mediante reflexión de Bragg de una estructura periódica en lugar de espejos externos se propuso por primera vez en 1971, ^{[ 3 ]} se predijo teóricamente con cristales líquidos colestéricos en 1978, ^{[ 4 ]} se logró experimentalmente en 1980, ^{[ 5 ]} y se explicó en términos de una brecha de banda fotónica en 1998. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Una patente de Estados Unidos emitida en 1973 describió un láser de cristal líquido que utiliza "un medio láser líquido con retroalimentación distribuida interna en virtud de la estructura molecular de un material de cristal líquido colestérico". ^{[ 9 ]}

Partiendo de un cristal líquido en fase nemática, el paso helicoidal deseado (la distancia a lo largo del eje helicoidal para una rotación completa de las subunidades del plano nemático) se puede lograr dopando el cristal líquido con una molécula quiral. ^{[ 8 ]} Para luz polarizada circularmente con la misma quiralidad, esta modulación regular del índice de refracción produce una reflexión selectiva de la longitud de onda dada por el paso helicoidal, lo que permite que el láser de cristal líquido funcione como su propia cavidad resonante. Los cristales fotónicos son susceptibles a los métodos de la teoría de bandas , donde la estructura dieléctrica periódica desempeña el papel del potencial eléctrico periódico y una brecha de banda fotónica (muesca de reflexión) correspondiente a frecuencias prohibidas. La menor velocidad de grupo de fotones y la mayor densidad de estados cerca de la brecha de banda fotónica suprimen la emisión espontánea y mejoran la emisión estimulada , proporcionando condiciones favorables para la emisión láser. ^{[ 7 ] [ 10 ]} Si el borde de banda electrónico cae en la brecha de banda fotónica, la recombinación electrón-hueco se suprime estrictamente. ^{[ 11 ]} Esto permite dispositivos con alta eficiencia láser, bajo umbral láser y frecuencia estable, donde el láser de cristal líquido actúa como su propia guía de onda. Se puede lograr un cambio no lineal "colosal" en el índice de refracción en cristales líquidos de fase nemática dopados, es decir, el índice de refracción puede cambiar con la intensidad de iluminación a una tasa de aproximadamente 10 ³ cm ² /W de intensidad de iluminación. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} La mayoría de los sistemas utilizan un láser de bombeo semiconductor para lograr la inversión de población , aunque también son posibles los sistemas de bombeo eléctrico y de lámpara de destello. ^{[ 15 ]}

La sintonización de la longitud de onda de salida se logra variando suavemente el paso helicoidal: a medida que cambia el enrollamiento, también lo hace la escala de longitud del cristal. Esto a su vez desplaza el borde de banda y cambia la longitud del camino óptico en la cavidad láser. La aplicación de un campo eléctrico estático perpendicular al momento dipolar de la fase nemática local rota las subunidades en forma de varilla en el plano hexagonal y reordena la fase quiral, enrollando o desenrollando el paso helicoidal. ^{[ 16 ]} De manera similar, la sintonización óptica de la longitud de onda de salida está disponible utilizando luz láser lejos de la frecuencia de captación del medio de ganancia, con un grado de rotación gobernado por la intensidad y el ángulo entre la polarización de la luz incidente y el momento dipolar. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} La reorientación es estable y reversible. El paso quiral de una fase colestérica tiende a desenrollarse con el aumento de la temperatura, con una transición desorden-orden a la fase nemática de mayor simetría en el extremo superior. ^{[ 5 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} Al aplicar un gradiente de temperatura perpendicular a la dirección de emisión, variando la ubicación de la estimulación, se puede seleccionar la frecuencia a lo largo de un espectro continuo. ^{[ 23 ]} De manera similar, un gradiente de dopaje cuasi-continuo produce múltiples líneas láser desde diferentes ubicaciones en la misma muestra. ^{[ 15 ]} La sintonización espacial también se puede lograr utilizando una celda en cuña. Las condiciones de contorno de la celda más estrecha comprimen el paso helicoidal al requerir una orientación particular en el borde, con saltos discretos donde las celdas exteriores giran a la siguiente orientación estable; la variación de frecuencia entre saltos es continua. ^{[ 24 ]}

Si se introduce un defecto en el cristal líquido para perturbar la periodicidad, se puede crear un único modo permitido dentro de la banda prohibida fotónica, reduciendo la pérdida de potencia por emisión espontánea en frecuencias adyacentes. La emisión láser por modo de defecto se predijo por primera vez en 1987 y se demostró en 2003. ^{[ 11 ] [ 25 ] [ 26 ]}

Si bien la mayoría de estas películas delgadas emiten láser en el eje normal a la superficie de la película, algunas lo harán en un ángulo cónico alrededor de ese eje. ^{[ 27 ]}

• Detección biomédica: su pequeño tamaño, bajo costo y bajo consumo de energía ofrecen diversas ventajas en aplicaciones de detección biomédica. Potencialmente, los láseres de cristal líquido podrían constituir la base de dispositivos de "laboratorio en un chip" que proporcionen lecturas inmediatas sin necesidad de enviar la muestra a un laboratorio externo. ^{[ 28 ]}
• Medicina: la baja potencia de emisión limita procedimientos médicos como cortes durante cirugías , pero los láseres de cristal líquido muestran potencial para ser utilizados en técnicas de microscopía y técnicas in vivo como la terapia fotodinámica . ^{[ 1 ]}
• Pantallas: las pantallas basadas en láser de cristal líquido ofrecen la mayoría de las ventajas de las pantallas de cristal líquido estándar, pero la baja dispersión espectral proporciona un control más preciso del color. Los elementos individuales son lo suficientemente pequeños como para funcionar como píxeles individuales, manteniendo un alto brillo y definición de color. Un sistema en el que cada píxel sea un dispositivo individual sintonizado espacialmente podría evitar los tiempos de relajación, a veces prolongados, de la sintonización dinámica, y podría emitir cualquier color utilizando direccionamiento espacial y la misma fuente de bombeo monocromática. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}
• Detección ambiental: utilizando un material con un paso helicoidal altamente sensible a la temperatura, el campo eléctrico, el campo magnético o la tensión mecánica, el cambio de color del láser de salida proporciona una medición simple y directa de las condiciones ambientales. ^{[ 31 ]}

• Woltman, Scott J.; Crawford, Gregory Philip; Jay, Gregory D. (2007). Cristales líquidos: fronteras en aplicaciones biomédicas . World Scientific. ISBN 978-981-270-545-7.

• Mysliwiec, Jaroslaw; Szukalska, Alina; Szukalski, Adán; Sznitko, Lech (2021). "Láseres de cristal líquido: la última década y el futuro" . Nanofotónica . 10 (9): 2309– 2346. Bibcode : 2021Nanop..10...96M . doi : 10.1515/nanoph-2021-0096 .
• Coles, Harry; Stephen Morris (2010). "Láseres de cristal líquido". Nature Photonics . 4 (10): 676– 685. Bibcode : 2010NaPho...4..676C . doi : 10.1038/nphoton.2010.184 .
• Joannopoulos, John D.; Johnson, Steven G.; Winn, Joshua N.; Meade, Robert D. (2008). Cristales fotónicos: moldeando el flujo de la luz . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12456-8. Consultado el 10 de abril de 2011 .

• una lista de artículos relacionados con las propiedades fotónicas de los cristales líquidos quirales