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1、有机激光材料 报告人 目录 一 激光材料背景二 有机激光材料三 研究现状及展望四 总结 1 激光材料背景 激光器结构图 激光器主要包括三个部分 1 工作物质2 泵浦源3 光学谐振腔工作物质是产生激光的物质基础 是激光器的核心部分 是用来实现粒子数反转并产生受激辐射的 1 激光材料背景 工作物质包括 固体 晶体和玻璃 气体 原子气体 离子气体和分子气体 液体 有机和无机液体 半导体 工作物质一般由两部分组成 基质材料物理化学性质 玻璃 晶体少量掺杂离子 激活离子 激光介质的发光中心 其内部能级结构决定激光介质光谱特性 Nd3 Cr3 1960年世界上第一台红宝石激光器问世 对于固体激光器 面临着
2、晶体生长困难 技术要求高 价格昂贵等问题 激光玻璃一般需在高温条件下熔制 对于不同的基质材料和不同的激光工作波段 还需要除去OH基和气体保护 工艺条件苛刻 生产成本高 二氧化碳气体激光 虽然功率高 但其装置笨重庞大 给需要小型化激光器的场合带来了诸多不便 2 有机激光材料 目前世界范围内引发了基于有机激光染料的激光器研究的热潮 而且这种有机半导体激光器的优势已经逐渐显露出来 相比于传统的激光材料而言 有机激光材料具有以下两个特点 1 分子中具有共轭的 键结构 分子之间的结合依靠范德华力使得电子云的重叠部分很小 同时载流子具有高度局域化的特点 使得有机材料容易实现粒子数反转 2 有机材料的吸收光
3、谱和荧光发射光谱之间存在很大的斯托克斯位移 所以分子对自己的荧光吸收系数较小 但对激发光的吸收系数 较大 通常 1 105cm 1 所以有机材料的受激辐射和吸收的截面都很大 材料的增益长度与吸收长度相当 表明有机材料的受激辐射相对于自发辐射占据很大优势 依据以上两个优点 使得有机激光材料的阈值很低 2 有机激光材料 对有机激光染料的研究主要分为有机小分子染料和聚合物两种 常见的有机小分子染料有DCM及其衍生物 PBD 2 4 biphenylyl 5 4 tert butyl phenyl 1 3 4 oxadiazole 等 这些小分子染料具有结构一定 便于合成与提取等优势 而且大部分小分子
4、可以通过真空热蒸发来成膜 所得薄膜均一性和光学质量较好 但稳定性较差 不适用于柔性基板 相对而言 聚合物通常采用旋涂 喷墨打印等溶液法成膜 制备工艺简单 造价低廉 近年来 也有通过将小分子染料溶解于聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚乙烯咔唑等聚合物基质中旋涂成膜来简化制备工艺 2 有机激光材料 共轭聚合物是常用的聚合物激光材料 因为其具有很多优点 1 作为聚合物 它可以采用旋涂法得到均一性良好的薄膜 2 共轭聚合物作为典型的四能级体系材料 具有更容易实现粒子数反转 吸收谱线较宽 激射阈值低等优点 3 共轭聚合物的荧光量子产率高 而且可以通过改变分子的侧链结构来改变发射峰位 4 既可以制备在刚性衬底
5、上 也可以制作在大面积的柔软材料上 5 制造方便 设备简单 成本低廉 6 不但可以实现线光束激射 还可以实现面光束激射 目前 关注度较高的共轭聚合物为聚对苯撑乙烯 PPV 和其衍生物以及聚芴聚合物 在这些研究中 具有里程碑意义的为Heeger课题组和Friend课题组在PPV及其衍生物中观测到的ASE现象 这表明PPV类聚合物具有成为新型激光材料的可能性 2 有机激光材料 把染料分子溶于液态的溶剂中便是最常见的有机激光介质的构成形式 所以人们在考虑构造固体有机激光的时候 第一个尝试便是沿用这种类似的形式 染料分子是一种具有很高荧光量子效率的 共轭分子 可以是中性的或者离子型的 典型的例子有氧杂
6、蒽xanthenes 若丹明rho damine和荧光黄 uorescein家族 香豆素 嗪或pyrromethenes 因为邻近分子间的相互作用会造成浓度对荧光的严重猝灭 即使一种染料分子被分散在基质内发光很强 但是只要浓度过大 发光就会减弱 甚至不发光 在有机固体激光中 为了避免将染料掺杂到固体基质内 固态的主体可以是聚合物如甲基丙烯酸甲酯 PMMA 以及其衍生物 或者玻璃以及使用溶胶凝胶法制备的有机无机混合材料 几种常见的有机激光材料 a Alq3 b MEH PPV c DCM d PPV e 聚芴 f F8BT g 三并茚六臂大分子 2 有机激光材料 化学结构调整改变有机材料激光发射
7、波长的示意 在三苯胺上连接上不同的拉电子基团 随着拉电子能力的增强光谱发生红移 有机材料的荧光光谱很宽 这使得在一个比较大的范围内调节发射光谱的波长成为可能 无机激光 受材料本身以及晶格匹配的限制 发射波长一般来说是固定的 有机激光材料受益于化学结构的灵活性 可以通过改变分子结构来调节光波的发射范围 改变有效共轭长度 或者改变分子或者某个嵌段上的 轨道电子云的分布 例如 多并苯系列材料 从苯开始增加苯环至并五苯 可以导致吸收红移 另一个有效的化学调控的方法是利用不对称的推拉电子结构 改变分子内的电子传输特性 随着吸电子基团的增加 材料激发态的偶极距会增大 则在薄膜内或者在一定极性的条件下 斯托
8、克斯位移就会增加 并最终导致发射红移 3 研究现状及展望 泵浦源是激光器的三个基本构成要素之一 选择合适的方式激励有机材料的原子体系 实现材料介质中的粒子数反转 维持高能级的粒子数比低能级的粒子数多 才能保证激光的连续输出 目前有机激光器的研究分别基于电泵浦和光泵浦这两种不同的泵浦源展开 电泵浦有机激光的研究现状 早在1996年 首个光泵浦的有机固体激光器件就已报道 并且电泵浦有机固体激光被公认为可望成为新一代超轻便 廉价 可调谐 柔性激光器件的最重要的途径 但是电泵浦有机激光 或者称为有机激光二极管 OLD 至今仍未实现 相较于光泵浦而言 电泵浦有激光发射有更高的额外损耗 这种损耗的来源之一
9、是电极对激子的猝灭 电极对光子的额外吸收 载流子 偶极子 和三线态造成的猝灭 3 研究现状及展望 光泵浦有机激光的研究现状 因为实现有机激光二极管面临着种种困难 所以有人开始探讨是否使用一种间接的方式来实现电泵浦有机激光 即电荷载流子不是直接注入到共轭材料 而是驱动一个激光二极管或者LED 再通过这个二极管来光泵浦有机材料 下面将简述几个光泵浦有机激光的最新进展 虽然这些进展并不是完全集成在同一个器件中的 但它们都从不同方面促进了有机激光领域的发展 提供新的研究方向 使用LED光源泵浦有机激光的机理示意 其中使用的光栅为二维DFB光栅 间接电泵浦有机激光 间接电抽运有机激光的想法是用电抽运的光
10、源去光抽运有机材料 3 研究现状及展望 波长可调谐的有机激光 在实际的应用中有机激光器必须要能够解决波长的可调谐性问题 在微腔激光器中 发射波长与活性层厚度有直接联系 通过使用锲形结构实现了在Alq3 DCM的发射波长在595nm到650nm之间的连续调节 锲形结构是通过在蒸镀的过程中使用掩膜板来使得膜厚在180到1850nm之间改变得到的 类似的 等在VECSOL的结构中利用旋涂造成的膜厚不均 通常在边缘膜厚比较厚 得到了40nm调节范围的激光发射 最近 Mhibik报道了在VECSOL结构的基础上利用不同的染料 在同一器件结构内获得了从蓝光到红光的超大范围波长调制 a 为Mhibik等使用
11、的VECSOL结构示意图 b 为波长调制的光谱合成图 可以看到调节范围从440nm延伸到670nm 使用了五种不同的染料 3 研究现状及展望 宽波长有机激光 共轭材料的发光范围一般来说都是在可见光范围 在更大的波长 无辐射衰减取代了荧光发射 最终导致了荧光量子效率随着发射波长的增加而衰减 在短波的一边 蓝光和紫外的发光体通常因为小的 共轭发光核缺乏刚性而导致光稳定性差 并且需要使用深紫外的高能光子来泵浦 紫外光在光谱学上的应用潜力巨大 研究者们一直努力寻找适合的材料 硅芴 Sila uo renes 以及螺旋复合物 spiro compounds 都是具有潜力的紫外发光体备选项 人们通过热蒸镀
12、的方法制备spiro terphenyl薄膜 获得了迄今有机半导体激光发射的最低的波长361 9nm 在通讯 生物以及未来等离体方面的应用需求将持续的驱动人们探索高效的深红以及红外光增益介质以及激光器件 已有人报道了在DFB结构中实现了890到930nm的激光发射 另外一种彻底解决波长跨度限制的方法 就是使用非线性光学器件来把有机材料发出的可见光调谐到UV或者IR的范围之内 对于这类非线性光学系统必须有高峰值和好的光斑质量 才能保证其有较高的能量转换效率 在实际的应用中使用一个外延的谐振腔是比较简单易行的方案 4 总结 综上所述 有机 共轭材料由于微观上的四能级结构特性和宏观上的制备成本优势 不仅符合实现激光发射的理论条件 而且有望成为一种具有广阔应用前景的理想激光材料 有机激光材料具有高分子材料的低廉价格 易于加工成型 同时可以使激光器的结构紧凑 实现器件的小型化 有机激光材料还有一系列关健问题尚待解决 其光放大效率还有待提高 激光器件的组装工艺仍待研究等 THANKS 谢谢观赏 感谢亲观看此幻灯片 此课件部分内容来源于网络 如有侵权请及时联系我们删除 谢谢配合
