[发明专利]超高极性手性液晶材料、液晶激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了超高极性手性液晶材料、液晶激光器及其制备方法，通过手性分子掺杂极性向列相液晶得到具有超高介电常数(ε～10⁴)和超强极性的胆甾相液晶。该材料与一般胆甾相液晶不同，保留了超强的非线性光学效应，可以激发高强度的二次谐波(石英晶体的十倍以上)。基于胆甾相周期性对激光的增幅效应，可将其应用于激光高次倍频调制和谐波成像等领域。本发明通过手性剂浓度调谐胆甾相分子螺距，实现对100‑1000nm反射波长的连续性调控。同时，该材料具有温度敏感性低的特性，有利于器件在较宽温度范围内的稳定的光学信号输出。

技术领域

本发明属于液晶材料制备及应用领域，具体涉及超高极性手性液晶材料、液晶激光器及其制备方法。

背景技术

液晶是一种重要的光电材料，在光电显示和空间光调制领域都有极为重要的应用价值。通常，向列相液晶只具有取向序而不具备位置序，虽然单个分子具有永久偶极矩，但指向矢向上和向下的分布机率是一样的，因此整个液晶系统的极性是相消的，不具备铁电特性。

2017年，英国约克大学的Richard Mandle和John Goodby合成了一种具有大电偶极子的楔形分子。研究发现，该分子在高温表现为普通向列相，但在低温下(小于133℃)呈现出一种新型的、具有铁电特征的向列相结构，即分子排列产生自发极化，向列相分子偶极矩在空间分布上变得有序，形成具有特定取向的畴。同年，日本RIKEN研究所的HiroyaNishikawa也发现了一种具有极高介电常数的极性向列相液晶，该材料还表现出极强的二次谐波响应等特性。目前，这种新型向列相的基础研究尚处于起步阶段，但其极强的介电和非线性光学特征使其具有很高的应用价值。

通过往向列相液晶加入手性分子可以得到具有周期性螺旋结构的胆甾相，胆甾相液晶能够选择性反射相同手性的圆偏光，起到类似谐振腔的作用。在1988年KOPP等人便利用了胆甾相液晶实现了无镜激射，但早期的液晶激光器需要选择合适的激光染料进行掺杂，胆甾相液晶能在外部激发光的作用下形成激光出射，并且激光出射波长在胆甾相液晶的选择反射谱带边沿位置。随后几十年间，对这类“软激光器”的研究主要集中在改变物理机制、提高激光效率和激光波长调谐等方面。但该技术不可避免的都要用到激光染料掺杂提供增益，发光效率低下，稳定性差和荧光漂白等问题无法得到根本解决，推广应用仍存在很大的局限。

发明内容

目前，胆甾相激光器离不开染料增益，本发明利用了一种超高极性手性液晶材料避免该问题。所述超高极性手性液晶具有极强的二次谐波响应特征，无需染料掺杂提供增益，自身即可激发光子，这在胆甾相液晶激光器的应用领域尚处首例。而且相比较传统的非线性晶体倍频激光器，这种无需反射镜的液晶激光器具有谐振腔体积小、激光阈值低、制作简单等特点，在光学领域有更加广泛的应用前景。

本发明的目的是通过如下措施来达到：

一种超高极性手性液晶材料，将一类手性小分子和极性向列相液晶以一定的质量比均匀混合。

进一步的，上述超高极性手性液晶材料质量配比为50-95％的极性向列相液晶和5-50％的手性分子；优选的，超高极性手性液晶材料质量配比为70-95％的极性向列相液晶和5-30％的手性分子。

进一步的，所述的极性向列相液晶包括以下结构式中的一种或几种的组合，

R1、R2、R3为1-7个碳原子的烷氧基、烷基、氢基或氟基。

进一步的，所述手性小分子化合物结构式：

R4、R5、R6、R7和R8为1-7个碳原子的烷基、氢基或氟基。

进一步地，所述极性胆甾相液晶螺距可由手性分子浓度配比调节，当手性分子浓度可在5-50％之间时，胆甾相螺距可于0.1-1.0微米之间调节，相对应地，胆甾相选择性反射边沿可在紫外到红外光谱范围内连续切换，实现对应波长的SHG增强。