專利名稱：電泵浦有機(jī)微腔激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，是以有機(jī)半導(dǎo)體為增益介質(zhì)的一種激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備方法。
背景技術(shù)：
1996年美國(guó)加州大學(xué)的Heeger小組和英國(guó)劍橋大學(xué)的Friend小組首次觀察到固態(tài)有機(jī)及聚合物薄膜在光泵浦下的激光現(xiàn)象，引起了世界范圍內(nèi)研究和開(kāi)發(fā)有機(jī)聚合物激光的熱潮。與傳統(tǒng)的激光器相比，以有機(jī)及聚合物(以下簡(jiǎn)稱有機(jī))材料為增益介質(zhì)的激光器具有發(fā)射波長(zhǎng)可通過(guò)分子設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)而覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜區(qū)、受激發(fā)射效率高和閾值低、可制備在剛性襯底上或柔性襯底上、制備工藝簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)垂直腔面發(fā)射及微碟型腔等新結(jié)構(gòu)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)光泵浦激光實(shí)現(xiàn)以后，電泵浦激光的實(shí)現(xiàn)就成為人們追求的目標(biāo)。
有機(jī)光泵浦激光器的主要結(jié)構(gòu)有“邊發(fā)射波導(dǎo)型及分布反饋型”，“面發(fā)射平面微型諧振腔型”，“微碟、微環(huán)型”等。本發(fā)明涉及的電泵浦有機(jī)激光器結(jié)構(gòu)是面發(fā)射的光學(xué)微型諧振腔結(jié)構(gòu)，其中光學(xué)微型諧振腔由兩個(gè)激光反射鏡構(gòu)成。和光泵浦相比，電泵浦需要兩個(gè)電極(陽(yáng)極和陰極)注入載流子(空穴和電子)。通常采用半透明導(dǎo)電薄膜作陽(yáng)極和金屬薄膜作陰極。兩個(gè)電極之間是一層或多層有機(jī)薄膜。電極注入的電子和空穴在有機(jī)層中產(chǎn)生發(fā)光的激子。為實(shí)現(xiàn)電泵浦激光，有機(jī)層內(nèi)要達(dá)到足夠的光限制和電限制而產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。
大部分有機(jī)薄膜的載流子遷移率較低，約10-3-10-5cm2/Vs，為達(dá)足夠的電限制有機(jī)層的總厚度不能太厚，一般應(yīng)在200nm以內(nèi)。在這種情況下的電泵浦有機(jī)微腔結(jié)構(gòu)，由于增益區(qū)很短，因而需要反射率高達(dá)99％以上的激光反射鏡以提供足夠的光反饋。這樣的激光反射鏡可以由普通光學(xué)材料組成的多層介質(zhì)膜來(lái)制備。但是普通光學(xué)材料是不導(dǎo)電的。如果兩個(gè)激光反射鏡均由多層介質(zhì)膜構(gòu)成，諧振腔內(nèi)有機(jī)層與兩個(gè)激光反射鏡之間還需分別制備陽(yáng)極和陰極。那么電泵浦有機(jī)微腔激光器中光學(xué)微型諧振腔內(nèi)來(lái)自兩個(gè)電極的吸收損耗，將使總的光損耗(高于2000cm-1)高達(dá)增益(可以達(dá)到500cm-1)難以克服的程度，從而使激光難以實(shí)現(xiàn)。如果一個(gè)激光反射鏡采用多層介質(zhì)膜，另一個(gè)激光反射鏡由金屬電極(通常為陰極)構(gòu)成，那么采用反射率最高的金屬Ag，其反射率也只能達(dá)到96％，這時(shí)總的光損耗仍高于1500cm-1，而且采用Ag作為電極，Ag將和有機(jī)層在界面處形成較高的肖特基勢(shì)壘，不利于電子的注入。采用高效的陰極材料如鎂銀合金(MgAg)，其反射率只有86％，使總的光損耗超過(guò)4000cm-1。綜上所述，實(shí)現(xiàn)電泵浦有機(jī)微腔激光器的難點(diǎn)在于如何有效地降低激光器中來(lái)自兩個(gè)電極的吸收損耗以及總的光損耗。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容為了解決上述背景技術(shù)中電泵浦有機(jī)微腔激光器的兩個(gè)電極的吸收損耗大，以及總光損耗大的問(wèn)題，本發(fā)明采用光學(xué)微型諧振腔結(jié)構(gòu)，把陽(yáng)極和陰極納入底部和頂部反射鏡的設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理的反射鏡結(jié)構(gòu)，電極結(jié)構(gòu)以及微腔總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地降低了電泵浦有機(jī)微腔激光器中來(lái)自兩個(gè)電極的吸收損耗以及總的光損耗，從而提供了一種實(shí)現(xiàn)電泵浦有機(jī)微腔激光的結(jié)構(gòu)及方法。
本發(fā)明的激光器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，它包括襯底、底部激光反射鏡、陽(yáng)極、有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層、陰極、頂部激光反射鏡；底部激光反射鏡制備在襯底上；本發(fā)明把底部激光反射鏡與陽(yáng)極的設(shè)計(jì)組合在一起考慮，把陰極與頂部激光反射鏡的設(shè)計(jì)組合在一起考慮；底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系和陰極與頂部激光反射鏡組合體系之間構(gòu)成光學(xué)微型諧振腔；光學(xué)微型諧振腔結(jié)構(gòu)包括有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層；陽(yáng)極制備在底部激光反射鏡上；在陽(yáng)極上沉積有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層；在有機(jī)電子傳輸層上沉積陰極，頂部反射鏡沉積在陰極上。
底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系的結(jié)構(gòu)為[HbLb]nHb′EA，由多層介質(zhì)膜和透明導(dǎo)電薄膜共同構(gòu)成；其中Hb和Lb為兩種不同的光學(xué)材料構(gòu)成的兩層光學(xué)薄膜，n表示周期數(shù)，n＝1，2，3，4.....n，Hb′是由光學(xué)材料構(gòu)成的間隔層，EA為陽(yáng)極由透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成；各種導(dǎo)電薄膜都具有一定的吸收。利用薄膜的誘導(dǎo)透射原理，薄膜的吸收不僅決定于它自身的光學(xué)常數(shù)和厚度，而且與相鄰介質(zhì)的導(dǎo)納密切相關(guān)。常見(jiàn)陽(yáng)極的吸收率高于3％，把底部激光反射鏡與陽(yáng)極的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起考慮，對(duì)陽(yáng)極的厚度進(jìn)行優(yōu)化，可以在把空穴有效地注入到有機(jī)層中的前提下，使陽(yáng)極的吸收率降低至0.3％以下，同時(shí)保證底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系在激光發(fā)射波長(zhǎng)處的反射率超過(guò)99％。圖2給出了本發(fā)明中典型的底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系的吸收光譜、透射光譜和反射光譜。
陰極與頂部激光反射鏡的組合體系結(jié)構(gòu)為ECHt′[LtHt]m，其中EC為陰極由透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成；Ht′是由光學(xué)材料構(gòu)成的間隔層；Lt和Ht為兩種不同的光學(xué)材料構(gòu)成的兩層光學(xué)薄膜，m表示周期數(shù)，m＝1，2，3，4.....m個(gè)周期。常見(jiàn)陰極的吸收率高于6％，把陰極與頂部激光反射鏡的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起考慮，對(duì)其中陰極的厚度進(jìn)行優(yōu)化，可以在把電子有效地注入到有機(jī)層中的前提下，使陰極的吸收率降低至0.5％以下，同時(shí)保證陰極與頂部激光反射鏡的組合體系在激光發(fā)射波長(zhǎng)處的反射率超過(guò)99％。圖3給出了本發(fā)明中典型的陰極與頂部激光反射鏡組合體系的吸收光譜、透射光譜和反射光譜。
光學(xué)微型諧振腔內(nèi)多層有機(jī)薄膜的總光學(xué)厚度控制為中心波長(zhǎng)λ0的二分之一的整數(shù)倍。光學(xué)微型諧振腔的設(shè)計(jì)要使有機(jī)增益層位于光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)強(qiáng)最大的波腹位置，陽(yáng)極和陰極分別位于駐波場(chǎng)強(qiáng)最小的波節(jié)位置；從而使光學(xué)微型諧振腔總的光損耗低于150cm-1。光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)分布與有機(jī)增益層、陽(yáng)極和陰極8的位置關(guān)系見(jiàn)圖4。由此可見(jiàn)，為了降低電極的吸收損耗，本發(fā)明一方面把電極設(shè)計(jì)成為激光反射鏡的一部分，在保證載流子注入的前提下，使底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系和陰極與頂部激光反射鏡組合體系的反射率都高于99％，并使陽(yáng)極和陰極的吸收率都降低到0.5％以下。本發(fā)明另一方面通過(guò)光學(xué)微型諧振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使陽(yáng)極和陰極分別位于光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)強(qiáng)最小的波節(jié)位置，可以使陽(yáng)極和陰極的吸收損耗進(jìn)一步降低。為了產(chǎn)生足夠大的增益，本發(fā)明通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面使有機(jī)增益層位于光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)強(qiáng)最大的波腹位置，在有效地降低了自發(fā)輻射噪聲的同時(shí)，使激光增益介質(zhì)具有最大的增益；另一方面使光學(xué)微型諧振腔總的光損耗低于150cm-1，降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從而使有機(jī)增益層能在較低的注入電流下產(chǎn)生足夠的凈光增益而實(shí)現(xiàn)激光。有機(jī)增益層厚度的選擇要根據(jù)所用材料的受激發(fā)射特性以及光學(xué)微型諧振腔的增益與損耗特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明激光器的工作機(jī)理是在正向電壓驅(qū)動(dòng)下(即陽(yáng)極接電源正極，陰極接電源負(fù)極)，從陽(yáng)極注入的空穴經(jīng)過(guò)有機(jī)空穴傳輸層進(jìn)入有機(jī)增益層，從陰極注入的電子經(jīng)有機(jī)電子傳輸層及有機(jī)空穴阻擋層進(jìn)入有機(jī)增益層。電子和空穴在有機(jī)增益層中結(jié)合生成發(fā)光的激子。激子輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在光學(xué)微型諧振腔內(nèi)通過(guò)受激發(fā)射作用而得到放大。當(dāng)注入電流超過(guò)閾值電流時(shí)，器件增益大于損耗，產(chǎn)生的面發(fā)射型的激光從反射率較低的一側(cè)反射鏡中輸出。
本發(fā)明激光器的制備工藝方法是a.在已拋光襯底上高溫或常溫下沉積底部激光反射鏡，然后沉積陽(yáng)極；沉積過(guò)程中通過(guò)掩膜板控制陽(yáng)極形狀；b.當(dāng)有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層選用小分子材料時(shí)，則在陽(yáng)極上通過(guò)高真空熱蒸發(fā)方式沉積有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層；或當(dāng)有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層選用聚合物材料時(shí)，則在陽(yáng)極上在惰性氣體保護(hù)下通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂復(fù)或噴涂或印刷的方式沉積有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層；c.在有機(jī)電子傳輸層上沉積陰極，通過(guò)掩膜板控制陰極的形狀；除去掩膜板后，繼續(xù)在陰極上沉積頂部激光反射鏡，從而完成激光器的制備。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明設(shè)計(jì)的底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系以及陰極與頂部激光反射鏡組合體系不但能達(dá)到高于99％的反射率，而且極大地降低了來(lái)自陽(yáng)極和陰極的吸收損耗，解決了電極吸收損耗太大的問(wèn)題，如圖2、3所示。本發(fā)明設(shè)計(jì)的光學(xué)微型諧振腔，與普通腔結(jié)構(gòu)相比，使總的光損耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上(如圖2、3、4所示)，解決了電泵浦激光器光損耗太大的問(wèn)題，而有利于在較低的注入電流下實(shí)現(xiàn)電泵浦激光。本發(fā)明中頂部反射鏡的多層介質(zhì)膜沉積在陰極上同時(shí)起到封裝的作用，可以有效地保護(hù)光學(xué)微型諧振腔內(nèi)的陽(yáng)極和陰極以及有機(jī)薄膜層免受空氣中的水汽和氧的侵蝕，提高了激光器的工作穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化了激光器的復(fù)雜封裝步驟。


圖1本發(fā)明電泵浦有機(jī)微腔激光器結(jié)構(gòu)示意2實(shí)施例1中底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系的吸收光譜、透射光譜和反射光譜圖3實(shí)施例1中陰極與頂部激光反射鏡組合體系的吸收光譜、透射光譜和反射光譜圖4實(shí)施例1中光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)強(qiáng)分布與有機(jī)增益層、陽(yáng)極和陰極的位置關(guān)系圖5實(shí)施例2中底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系的反射光譜圖6實(shí)施例2中陰極與頂部激光反射鏡組合體系的反射光譜圖7實(shí)施例2中光學(xué)微型諧振腔的反射光譜圖8實(shí)施例2中有機(jī)增益介質(zhì)Alq:DCM的熒光譜(虛線)和激光發(fā)射譜(實(shí)線)圖9實(shí)施例2中有機(jī)增益介質(zhì)Alq:DCM的吸收截面和受激發(fā)射截面圖10實(shí)施例2中激光器的電流-電壓-輸出功率特性圖11、圖12、圖13實(shí)施例2所用有機(jī)材料的分子結(jié)構(gòu)圖14實(shí)施例3底部激光反射鏡與陽(yáng)極組合體系的反射光譜圖15實(shí)施例3中陰極與頂部激光反射鏡組合體系的反射光譜圖16實(shí)施例3中有機(jī)增益介質(zhì)NPB:Perylene的熒光譜(虛線)和激光譜(實(shí)線)
具體實(shí)施例方式如圖2所示它包括襯底1、底部激光反射鏡2、陽(yáng)極3、有機(jī)空穴傳輸層4、有機(jī)增益層5、有機(jī)空穴阻擋層6、有機(jī)電子傳輸層7、陰極8、頂部激光反射鏡9。
實(shí)施例1(1)襯底1可以采用高精度拋光的玻璃或半導(dǎo)體襯底，如硅、磷化銦等，以及塑料及其它柔性襯底。
(2)底部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系的結(jié)構(gòu)為[HbLb]nHb′EA。Hb和Lb為兩種不同的光學(xué)材料構(gòu)成的兩層光學(xué)薄膜。其中Hb為光學(xué)厚度為中心波長(zhǎng)λ0(激光反射鏡反射率最大的波長(zhǎng)位置，也是有機(jī)增益介質(zhì)熒光峰值波長(zhǎng))四分之一的一種高折射率材料(指折射率大于1.85的光學(xué)材料，如ZrO2、ZnS、TiO2、Ta2O5等)。Lb為光學(xué)厚度為中心波長(zhǎng)四分之一的一種低折射率材料(指折射率小于1.65的光學(xué)材料，如MgF2、SiO2、Al2O3、LiF、YF等)。[HbLb]n表示n個(gè)周期的高低折射率的材料組合，n＝1，2，3，4....n。Hb′是由光學(xué)材料構(gòu)成的一層或多層間隔層。EA為陽(yáng)極，由一層或多層透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，可選材料有ITO、ZnO等，或各種較高功函數(shù)金屬如Au、Al、Ag等。底部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系的設(shè)計(jì)要求在增益介質(zhì)中心發(fā)射波長(zhǎng)的反射率超過(guò)99％。
(3)有機(jī)空穴傳輸層4由一或二層有機(jī)薄膜構(gòu)成，它能有效的從陽(yáng)極注入空穴并把空穴傳輸?shù)接袡C(jī)增益層5中。有機(jī)空穴傳輸層4應(yīng)具有比有機(jī)增益層5更大的能帶隙寬度，并能在有機(jī)空穴傳輸層4與有機(jī)增益層5之間的界面形成有效的電子阻擋勢(shì)壘。
(4)有機(jī)增益層5由一或多層有機(jī)薄膜構(gòu)成。選用的有機(jī)激光材料要求受激發(fā)射截面達(dá)到10-16cm2量級(jí)以上，例如聚合物材料Polyfluorene及其衍生物，LPPP，BuEH-PPV等，以及Alq:DCM，NPB:Perylene和CBP:DCM2等小分子摻雜材料。
(5)有機(jī)空穴阻擋層6應(yīng)具有比有機(jī)增益層5更大的能帶隙寬度，并能在有機(jī)空穴阻擋層6與有機(jī)增益層5之間的界面形成有效的空穴阻擋勢(shì)壘。
(6)有機(jī)電子傳輸層7由一或二層具有較高電子傳輸能力的有機(jī)薄膜構(gòu)成，它能從陰極8有效地注入電子并能把電子經(jīng)過(guò)有機(jī)空穴阻擋層6傳輸?shù)接袡C(jī)增益層5中。
(7)陰極8與頂部激光反射鏡9組合體系的結(jié)構(gòu)為ECHt′[LtHt]m。其中EC為陰極8由一層或多層透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，沉積在有機(jī)電子傳輸層7上。陰極8可選材料包括具有較低功函數(shù)的金屬如Li、Mg、Ca，或合金如Mg:Ag、LiF:Al或透明導(dǎo)電薄膜，如ITO、ZnO等。其中Ht′是由光學(xué)材料構(gòu)成的一或多層間隔層。Lt和Ht為兩種不同的光學(xué)材料構(gòu)成的兩層光學(xué)薄膜(制備材料見(jiàn)底部激光反射鏡2，通常要選用可以在常溫下沉積的光學(xué)材料)，m表示周期數(shù)，m＝1，2，3，4......m個(gè)周期，陰極8與頂部激光反射鏡9組合體系的設(shè)計(jì)要求在增益介質(zhì)中心發(fā)射波長(zhǎng)的反射率超過(guò)99％。頂部激光反射鏡9中的多層介質(zhì)膜同時(shí)可以有效地保護(hù)光學(xué)微型諧振腔內(nèi)的陽(yáng)極3和陰極8以及有機(jī)薄膜層免受空氣中水汽和氧的侵蝕，起到封裝的效果。
(8)由反射率高于99％的底部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系和陰極8與頂部激光反射鏡9組合體系構(gòu)成光學(xué)微型諧振腔。腔內(nèi)多層有機(jī)薄膜的總光學(xué)厚度控制為中心波長(zhǎng)λ0的二分之一的整數(shù)倍。光學(xué)微型諧振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要使有機(jī)增益層5位于光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)強(qiáng)最大的波腹位置，陽(yáng)極3和陰極8分別位于駐波場(chǎng)強(qiáng)最小的波節(jié)位置。有機(jī)增益層5厚度的選擇要根據(jù)所用材料的受激發(fā)射特性以及光學(xué)微型諧振腔的增益與損耗特性進(jìn)行調(diào)節(jié)。
實(shí)施例2
采用的結(jié)構(gòu)順序?yàn)椴Ａбr底1/底部激光反射鏡2/陽(yáng)極3/有機(jī)空穴傳輸層4(NPB)/有機(jī)增益層5(NPB:DCM/Alq:DCM)/有機(jī)電子傳輸層7(Alq)/陰極8/頂部激光反射鏡9。
底部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系結(jié)構(gòu)為[HL]nHEA，其中H層材料為Ta2O5，折射率2.1，厚度75.6nm；L層材料為SiO2，折射率1.45，厚度109.4nm，n為10。EA為ITO，厚度可根據(jù)需要選擇。圖5給出了實(shí)施例2中底部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系的反射光譜。底部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系在中心波長(zhǎng)635nm處的反射率為99.7％。有機(jī)空穴傳輸層4采用的有機(jī)小分子材料為NPB，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12。有機(jī)增益層5為NPB:DCM/Alq:DCM，其中Alq和DCM的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11和圖13。有機(jī)電子傳輸層6采用的材料為Alq。有機(jī)層的總厚度為138nm。陰極8與頂部激光反射鏡9組合體系結(jié)構(gòu)為ECHt′[LtHt]m，其中Ec采用MgAg/ITO材料。Ht層材料為ZnS，折射率2.35，厚度67.6nm；Lt層材料為MgF2，折射率1.38，厚度115nm。Ht′為間隔層，材料為ZnS，厚28nm。圖6為實(shí)施例2中陰極8與頂部激光反射鏡9組合體系的反射光譜。陰極8與頂部激光反射鏡9組合體系在中心波長(zhǎng)635nm處的反射率為99.4％。陽(yáng)極3、陰極8兩個(gè)電極的形狀設(shè)計(jì)使發(fā)光區(qū)面積小于0.5×0.5mm2。圖7給出了實(shí)施例2中光學(xué)微型諧振腔的反射光譜，表明光學(xué)微型諧振腔的諧振峰位于635nm。圖8給出了實(shí)施例2中有機(jī)增益介質(zhì)Alq:DCM的熒光譜(虛線)和激光發(fā)射譜(實(shí)線)。增益介質(zhì)Alq:DCM的熒光峰位于635nm、半寬約100nm。激光發(fā)射峰為635nm，半寬1nm。圖9為實(shí)施例2中有機(jī)增益介質(zhì)Alq:DCM的吸收截面和受激發(fā)射截面，表明Alq:DCM的受激發(fā)射截面高于4×10-16cm2。圖10為實(shí)施例2中激光器的電流-電壓-輸出功率特性，表明激光的閾值電流為5mA左右。
實(shí)施例3采用的結(jié)構(gòu)順序?yàn)椴Ａбr底1/底部激光反射鏡2/陰極8/有機(jī)電子傳輸層7(Alq)/有機(jī)空穴阻擋層6(TAZ)/有機(jī)增益層5(NPB:Perylene)/有機(jī)空穴傳輸層4(NPB/CuPc)/陽(yáng)極3/頂部激光反射鏡2。
其中底部激光反射鏡2與陰極8組合體系結(jié)構(gòu)為[HL]10HEC，H層材料為Ta2O5，厚度57.7nm；L層材料為SiO2，厚度83nm。EC為ITO/MgAg。頂部激光反射鏡2與陽(yáng)極3組合體系結(jié)構(gòu)為EAHt′[LtHt]6，其中EA為陽(yáng)極采用ZnO材料。Ht′和Ht層材料為ZnS，厚度51.6nm；Lt層材料為MgF2，厚度87nm。有機(jī)層的總厚度為254nm。增益介質(zhì)NPB:Perylene的激光發(fā)射波長(zhǎng)為485nm。
實(shí)施例4采用的結(jié)構(gòu)順序?yàn)椴Ａбr底1/底部激光反射鏡2/陽(yáng)極3/有機(jī)空穴傳輸層4(聚合物摻雜材料PSS:PEDOT)/有機(jī)增益層5(聚合物激光材料Polyfluorene)/陰極8/頂部激光反射鏡9。
其中底部激光反射鏡2和頂部激光反射鏡9均采用Ta2O5和SiO2材料，在中心波長(zhǎng)450nm處的反射率均超過(guò)99.3％。陽(yáng)極材料為ITO，陰極材料為L(zhǎng)iF/Al/ITO。聚合物的總厚度為230nm。增益介質(zhì)Polyfluorene的激光發(fā)射波長(zhǎng)為450nm。
屬于本發(fā)明的其它實(shí)施方式不在敘述。
權(quán)利要求
1.電泵浦有機(jī)微腔激光器，包括襯底(1)，其特征在于還包括底部激光反射鏡(2)、陽(yáng)極(3)、有機(jī)空穴傳輸層(4)、有機(jī)增益層(5)、有機(jī)空穴阻擋層(6)、有機(jī)電子傳輸層(7)、陰極(8)、頂部激光反射鏡(9)；底部激光反射鏡(2)制備在襯底(1)上；把底部激光反射鏡(2)與陽(yáng)極(3)組合在一起，把陰極(8)與頂部激光反射鏡(9)的組合在一起；底部激光反射鏡(2)與陽(yáng)極(3)組合體系和陰極(8)與頂部激光反射鏡(9)組合體系之間構(gòu)成光學(xué)微型諧振腔包括有機(jī)空穴傳輸層(4)、有機(jī)增益層(5)、有機(jī)空穴阻擋層(6)、有機(jī)電子傳輸層(7)，陽(yáng)極(3)制備在底部激光反射鏡(2)上；在陽(yáng)極(3)上沉積有機(jī)空穴傳輸層(4)、有機(jī)增益層(5)、有機(jī)空穴阻擋層(6)、有機(jī)電子傳輸層(7)；在有機(jī)電子傳輸層(7)上沉積陰極(8)，頂部反射鏡(9)沉積在陰極(8)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電泵浦有機(jī)微腔激光器，其特征在于底部激光反射鏡(2)與陽(yáng)極(3)組合體系的結(jié)構(gòu)為[HbLb]nHb′EA，由多層介質(zhì)膜和透明導(dǎo)電薄膜共同構(gòu)成；其中Hb和Lb為兩種不同的光學(xué)材料構(gòu)成的兩層光學(xué)薄膜，Hb′是由光學(xué)材料構(gòu)成的間隔層，EA為陽(yáng)極(3)由透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電泵浦有機(jī)微腔激光器，其特征在于陰極(8)與頂部激光反射鏡(9)的組合體系結(jié)構(gòu)為ECHt′[LtHt]m，其中EC為陰極(8)由透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)成；Ht′是由光學(xué)材料構(gòu)成的間隔層；Lt和Ht為兩種不同的光學(xué)材料構(gòu)成的兩層光學(xué)薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電泵浦有機(jī)微腔激光器，其特征在于由有機(jī)空穴傳輸層(4)、有機(jī)增益層(5)、有機(jī)空穴阻擋層(6)、有機(jī)電子傳輸層(7)組成的多層有機(jī)薄膜總光學(xué)厚度控制為中心波長(zhǎng)λ0的二分之一的整數(shù)倍；有機(jī)增益層(5)位于光學(xué)微型諧振腔內(nèi)駐波場(chǎng)強(qiáng)最大的波腹位置，陽(yáng)極(3)和陰極(8)分別位于駐波場(chǎng)強(qiáng)最小的波節(jié)位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電泵浦有機(jī)微腔激光器，其特征在于頂部激光反射鏡(9)的多層介質(zhì)膜沉積在陰極(8)上。
6.電泵浦有機(jī)微腔激光器的制作方法，其特征在于制作步驟如下a.在已拋光襯底上高溫或常溫下沉積底部激光反射鏡，然后沉積陽(yáng)極3；并在陽(yáng)極上刻出適當(dāng)?shù)碾姌O形狀；b.當(dāng)有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層選用小分子材料時(shí)，則在陽(yáng)極上通過(guò)高真空熱蒸發(fā)方式沉積有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層；或當(dāng)有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層選用聚合物材料時(shí)，則在陽(yáng)極上在惰性氣體保護(hù)下通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂復(fù)或噴涂或印刷的方式沉積有機(jī)空穴傳輸層、有機(jī)增益層、有機(jī)空穴阻擋層、有機(jī)電子傳輸層；c.在有機(jī)電子傳輸層上沉積陰極，通過(guò)掩膜板控制陰極的形狀。除去掩膜板后，繼續(xù)在陰極上沉積頂部激光反射鏡，從而完成激光器的制備。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，是以有機(jī)半導(dǎo)體為增益介質(zhì)的一種激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備方法。結(jié)構(gòu)包括襯底1、底部激光反射鏡2、陽(yáng)極3、有機(jī)空穴傳輸層4、有機(jī)增益層5、有機(jī)空穴阻擋層6、有機(jī)電子傳輸層7、陰極8、頂部激光反射鏡9。工藝方法是在襯底上沉積底部激光反射鏡和陽(yáng)極；然后沉積多層有機(jī)薄膜層，最后沉積陰極及頂部激光反射鏡。本發(fā)明設(shè)計(jì)的激光反射鏡與電極的組合體系，不但能達(dá)到高于99％的反射率，而且結(jié)合光學(xué)微型諧振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)降低了電極的吸收損耗，并使總的光損耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，解決了電極吸收損耗及總光損耗太大的問(wèn)題。本發(fā)明中構(gòu)成頂部反射鏡的多層介質(zhì)膜有效地保護(hù)了激光器，簡(jiǎn)化了激光器的復(fù)雜封裝步驟。
文檔編號(hào)H01S5/30GK1731635SQ20041001104
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月13日
發(fā)明者劉星元, 劉云, 王立軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所