有機半導體雷射器現狀

2020-11-28 電子發燒友

有機半導體雷射器現狀

發表於 2018-02-01 13:37:01

最早的有機雷射器可以追溯到1964年對有機染料雷射器的研究，到現在開始對有機半導體雷射器的研究，這之中的幾十年已經取得了不少突破性的進展。隨著社會科學技術的進一步發展，有機雷射器在科學研究和眾多的社會生活領域的應用將會越來越廣泛

有機雷射器的現狀

有機雷射器最新的發展情況

有機染料雷射器已經發展了一段時間了，現在是應用最多的一種可調諧的雷射器。染料雷射器的可調諧範圍寬廣、輸出功率高、吸收和增益容易控制（因為染料濃度容易控制）、可產生連續波、Q開關及超短脈衝輸出等優點逐個得到開發，並且得到廣泛的應用。染料是一種碳氫化合物。染料分子中參與光的吸收或雷射輻射的電子處於分子的共軛雙鍵中，其結構如右圖所示。

液體有機染料雷射器起步較早，相對來說發展較成熟，這也使其難有突破，近幾年，發展速度較緩慢。但是液體染料的優點還是不容忽視的，波長在很寬的光譜範圍內可調，能夠產生超短脈衝雷射；光束髮散角小；譜線帶寬窄； 某兩種染料混合可以輸出新的波長；激活離子密度大，增益係數高，可得到較高的輸出功率；尤其是材料豐富、價格低廉。

當然，液體燃料的缺點也是顯而易見的，染料溶液的搬運和存貯都比較困難，有些雷射染料還很難溶於基體溶液，而基體溶液要求必須能通過染料池循環流動，在實際操作中，操作者要經常地存貯和清除大量的染料溶液，於是不可避免地發生染料溶液外溢的情況，然而大多數有機染料是易燃、易爆、有毒或致癌的；還有就是染料溶液的連續循環使得染料池循環系統的結構相當複雜，體積十分龐大。但是，染料盒的發展已經在一定的程度上改善了這種情況。

有機半導體材料的高速發展使得有機半導體的雷射器的出現成為了可能。相對於無機材料，有機材料有最重要的優勢是其近乎無限的可修飾性。通過改變有機分子的分子構成及元素成分，有機材料的性能可以在很大的程度上進行調整，也就更有機會充分接近實際應用的要求。下圖為成為有機半導體雷射器對於有機分子材料來說必須的分子結構即 鍵結構（以碳分子為例）

常見的小分子型有機半導體材料有並五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等。下圖是這幾種小分子型有機半導體材料的結構：

其中，（1）為並五苯型，（2）三苯基胺類，（3）富勒烯，（4）酞菁，（5）苝衍生物和（6）花菁類。

常見的高分子型有機半導體材料則主要包括聚乙炔型、聚芳環型和共聚物型幾大類，其中聚芳環型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等類型。

其中，（1）聚乙炔型，（2）聚芳環型，（3）共聚物型。

有機半導體材料還是一種新型的固體雷射材料，其發光波長範圍可以從藍光到近紅外。有機半導體材料已經在顯示器，光碟，有機發光二極體，傳感器等領域有所應用，這讓我們看到了，有機半導體材料在雷射器中應用的希望。

光泵浦有機半導體雷射器件由於增益譜寬、閾值低和成本小等優勢，其研究得到了快速發展。分布反饋式（DFB）雷射器，其主要部分就是DFB內的光柵。製作器件的光柵結構方法有很多，如納米壓印、UV 壓花、電子束刻蝕和離子刻蝕等，但大多存在工藝複雜、靈活性差和參數可控性差等缺點，限制了DFB 雷射器的進一步發展。為了解決這一問題，人們採用雷射燒蝕方法和雷射全息技術相結合，直接在MEHPPV聚合物薄膜表面燒蝕光柵結構來製備DFB有機雷射器。這一方法具有工藝簡單、光柵參數可控性和重複性好等優點。實驗中，研究了一下雷射的出射波長和光柵周期的關係，在光柵周期為360 ，370 ，380，390 nm 時，雷射波峰分別為602． 91，609． 24，613． 26，619． 01 nm，表明通過改變光柵周期可以實現DFB 雷射器波長的調節。這種製作有機雷射器的方法還是比較實用的，在有機雷射器的製造上還會有更廣闊的應用。

英國St. Andrews 大學有機半導體研究中心的研究人員研製出了一種LED泵浦的可調諧可見光有機雷射器，這是一種分布反饋式雷射器。通過一系列的實驗，從實驗結果上來看，研究人員認為568 nm的主峰對應於TE0模式， 而556 nm對應於TM0模式。在有機雷射器工作的1 h時間內， 研究人員沒有觀察到雷射輸出功率的衰減。美國Princeton 大學的V. Bulovic 等人研製出光泵浦紅光有機半導體雷射器， Princeton 大學的V. G.Kozlov 等人選擇CBP［ 4 - 雙（N - 咔唑） 聯苯］為主體材料， PRL ［ 北（peryene） ］ 為摻雜劑 ， CBP ：PRL 作為光泵浦藍光OSL 的有源層，研製光泵浦藍光雷射器。英國劍橋大學的R. H. Friend 研究小組的研究人員首次觀測到聚苯乙炔（PPV） 的雷射現象，做出了光泵浦綠光PPV OSL。

雖然已經對於有機半導體雷射器的一些研究有了一定的成果，即有機染料雷射器可以應用，但是在實際應用中還有許多的地方亟待改進，光泵浦的有機雷射器已經面世，電泵浦的有機雷射器還在研製中。有機半導體雷射器還在理論研究中，相信在不久的將來一定會有成型的產品推入市場。

有機雷射器的發展前景展望

有機光泵浦半導體雷射器雖然已經面世，但是尚處於實驗研究階段，沒有實際的應用，有機電泵浦雷射器還沒有成型的產品，未到應用階段。但是，有機染料雷射器相對於其他的無機雷射器，有很多的優點，所以它的應用前景很廣泛。

有機雷射器的發光的波長範圍幾乎涵蓋了整個可見光波段，所以在一些需要準直，相干光亦或是裝飾品等方面有著大量的應用潛力。我們可以展望一下，他們可能的應用方向。光泵浦藍光有機半導體雷射器，在光存貯應用和彩色下轉換等領域有著重要的應用。有機雷射器製作簡單、成本低廉、集成方便等優點， 在安全檢驗、探測、光譜、軍事和醫療診斷等方面有很大的應用潛力。並且它作為一種新型雷射光源，在集成光電子、信息顯示和通信和傳感器等領域具有潛在應用前景。

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