In this thesis, high efficiency band edge lasers were created using various types of photonic structure.
In chapter 2, cholesteric liquid crystal (CLC) cells were fabricated using three kinds of nematic liquid crystal (NLC) materials with different optical birefringent anisotropy Δn. Larger Δn of NLCs results in larger PBG width and higher density of state (DOS) at the PBG edge for each CLC cell. We were able to lower the threshold energy by a factor of more than two using CLC cells with broader photonic band gap width.
In chapter 3, we inserted polystyrene colloidal crystal layer between two dielectric mirrors creating a defect layer inside the band gap of the mirrors. We were able to tune the defect position by changing the polystyrene bead size. Even though the full width half maximum value of the lasing emission was relatively large (7nm), the lasing emission follows the defect positions when changed.
In chapter 4, we used all solid organic materials to create a low threshold, high efficiency lasing cell by simply inserting a PS colloidal crystal layer between two PCLC films. This is the first time to check how circular polarized light will act inside a PS crystal structure. As a result the PS layer will create defect modes and also enhance the reflectance. The enhancement of the reflectance and defect modes inside the cell will give rise to lower threshold amplified emission which may further be improved into lasing emission.
In chapter 5, we sandwiched a grating layer between two PCLC films. The cell showed sharp peak, threshold behavior and a ring pattern, we were able to conclude that low threshold, high efficiency; all solid state laser can be fabricated by inserting a grating layer between two PCLC films. The grating layer will extract trapped light inside the plane into the normal direction, and the extracted light will go through a distributed feedback between two PCLC films, thus creating a low threshold, sharp lasing emission.
본 연구에서는 콜레스테릭 액정, 콜로이드 광결정, 나노임프린트 그레이팅의 다양한 광결정 구조를 이용하여 레이저 현상을 관찰하고, 이러한 광결정 구조들이 레이저 소자의 효율이나 특성에 어떠한 영향을 끼치는지에 대해서 연구를 진행하였다.
제 2장에서는 3가지 종류의 비등방성 값을 가지는 액정을 이용하여, 비등방성 값과 레이저 소자의 효율과 어떤 관계에 있는지 확인하는 실험을 진행하였다. 페르미의 황금 법칙에 의해 비등방성 값이 클수록, 콜레스테릭 액정의 포토닉 밴드의 너비가 커지며, 이에 따라 밴드 끝에서의 DOS 값이 비례해서 커지게 된다. 즉 비등방성 값이 큰 액정을 이용하면 효율이 좋은 레이저 소자를 만들 수 있다는 것을 이론적으로 실험적으로 입증하였다.
제 3장에서는 DBR 거울을 이용하여 그 사이에 콜로이드 광결정을 삽입하여 구조의 연속성을 깨는 소자를 제작하였다. 빛이 느끼는 경로에 콜로이드 광결정 이라는 새로운 경로를 삽입함으로써 캐비티가 형성이 되었고, 그 캐비티의 위치에 따라서 레이저 발생 위치가 이동하는 것을 확인하였다.
제 4장에서는 고분자 액정을 이용하여 고체상태의 콜레스테릭 상을 구현하였다. 고체상의 콜레스테릭 액정 위에 콜로이드 광결정을 코팅하여 구조의 연속성을 깨는 소자를 제작하였다. 빛이 체감하는 연속성이 깨지면서 더 낮은 에너지에서 더 높은 발광을 하는 효율이 향상된 특성을 발휘하였다. 이 실험을 통해 콜로이드 광결정을 이용해 레이저 소자의 효율을 향상 시킬 수 있는 것을 확인하였다.
제 5장에서는 고분자 액정과 나노임프린트 그레이팅을 이용한 소자를 제작하였다. 그레이팅 구조를 브래그 회절 법칙에 의해 특정한 파장의 빛만 소자의 수직 방향으로 추출할 수 있게끔 설계하였다. 이러한 그레이팅 구조를 2개의 고체 콜레스테릭 액정 상 사이에 도입함으로써 효율이 향상된 레이저를 구현하였다.
