有机固体激光器

有机固体激光器
1 手性液晶激光器
有机固体激光器提供了适宜于应用为点治疗诊断检测源的小型、低成本（甚至是一次性的）相干、可见光源前景。

由于螺旋结构提供了分布式反馈，手性液晶可以提供反射镜激光。

增益来源于对螺旋结构进行染料的均匀掺杂或发光液晶本身。

胆甾相液晶的自组装造成周期性的螺旋结构，这就形成了一维的光子晶体，如图7a。

圆极化的分子螺旋线的相同螺旋性的自发发射被抑制在光子的阻带，但通过赛尔效果在阻带的边缘谐振频率增强。

这由图8中发射光谱与阻带重叠的手性向列型发光液晶解释。

光子态密度在阻带的边缘发散，光子停留时间也相应增加，激光频率对应于在阻带边缘的谐振模式之一。

另外，可在两个手性反射器之间插入薄缺陷层。

在后一种情况下，激光发射发生在该缺陷被许可的状态相关联的频率带隙范围内。

手性液晶激光器最早在1998年出现，最近也一直在讨论中。

至今大多的液晶是基于手性向列相的，但是近晶相的也已经被应用。

来源于三维晶体的蓝相激光发射也已经被观察到。

非可逆激射也已经证明，其中圆偏振激光发射的光谱依赖于观察方向。

该领域因为有机激光器的体积小、容易制造和广泛的可调性已经引发了极大兴趣。

该激光器的输出波长是很容易通过改变手性材料的浓度和螺旋的周期性调整。

近年来有许多用电场，温度，pH，光，甚至在染料掺杂的弹性体情况下的机械变形来调谐激光输出的进展。

光致顺- 反异构化和光弗里斯反应也被用于改变节距长度。

前者转变是可逆的，导致了可调谐激光发射超过70 nm范围内。

为得到分级螺旋周期在空间上调谐波长，该手性掺杂剂浓度的或紫外线固化的温度具有空间梯度。

不同染料也已在空间上分布。

事实上，在大部分可见光谱区在空间上分级、可调谐激光可通过涉及福斯特能量转移的双染料高分子稳定系统的光学间距和染料组合物的空间梯度获得。

同时最近已经有两个组实现了在红色，绿色和蓝色的激光发射。

染料掺杂向列型液晶在两个这样的复合层之间得到同步的红色，绿色和蓝色的激光。

第二种方法结合梯度间距、与透镜阵列为基础的泵送技术的液晶样本，以实现一个单一的固定的泵波长激发同时包括红色，绿色和蓝色发射光的多色激光器阵列，如图9所示。

通过避免温度相关的螺距扩张和物料流，玻璃态，而不是液态薄膜已被用来改善时间稳定性。

使用光聚合的手性向列型聚合物网络，形成的固体膜可从衬底移动，从而改善温度稳定性。

蓝相，通常发生在非常有限的温度范围。

然而聚合物稳定化已被用于延长蓝色相激射的温度，观察到的范围超过35℃。

阈泵能量已经获得低至每脉冲20nJ，斜率效率可高达32％。

掺杂剂分子的跃迁偶极矩可以沿着手性向列相的引导被定向以最大化所发射的激光和分布式谐振器之间的耦合，从而降低了阈值激射。

一个显著的挑战仍然是降低门槛值，以允许连续波（CW）激光，特别是因为光漂白染料由于三重态的形成导致额外的损失。

有机材料具有低的载流子迁移率造成空间电荷限制注入，因此，在一些典型的微米空腔长度的注入和传输高密度载流子是非常困难的。

所以如果要实现电泵浦，更低的阈值电压和精细的空腔设计是必须的。

间接电泵，即电泵浦的GaN激光光学地泵的有机激光器，尚未报道手性激光器，但已被证明是成功作为实现小型聚合物激光器的路径。

一个小型的手性激光系统需要一个小的泵浦激光器。

因此对一个三倍频Nd：YAG激光器作为泵浦源进行研究，而不是一个激光泵浦的光学参量振荡器。

级联系统，其中一个手性激光泵第二波长的激光也被证明。

2. 薄膜激光器
半导体薄膜激光器作为紧凑的有机激光器也得到了广泛研究。

增益是由形成的薄膜或薄膜某一个组分的发光聚合物或小分子的光泵浦提供。

许多不同的反馈方法已经被证明，包括法布里- 珀罗谐振器，微腔，分布式反馈（DFB）等。

后者的一个例子示于图7b：a，周期为Λ的1-或2-维的表面起伏光栅印在发光薄膜上。

该光栅引起的周期性变化的折射率，其中通过向后布拉格散射在波长λ提供反馈，使λ= 2 n effΛ（公式1），其中m是整数，n eff 是膜的有效折射率。

从第一阶光栅输出的激光被从侧端面耦合，而第二阶光栅所能提供的激
光的表面发射的输出耦合，同时提供了在平面内通过二阶衍射反馈。

有相当大的研究工作，以最大限度地提高增益，减小尤其是由于自吸收的腔损耗，并优化反馈。

使用纳秒脉冲获得小到30W cm -2的阈辐射能，并且小型的设备已被证实，即有机膜是由半导体二极管泵浦。

然而，光泵浦连续波激光手术还没有达到和电泵浦有机激光器仍然是一个遥远的未来。

最近的研究已经发现，聚合物17作为一个高取向向列型玻璃的光学增益较高，，而不是作为一个标准，旋涂制备的薄膜。

材料增益系数由g mat = Nσem估计，其中N是激子密度和σem是受激发射横截面。

是因为在受激发射的偏振方向和发色团的总体的跃迁偶极矩之间更大程度上的重叠，在取向薄膜后一个参数值更大。

不同于随机取向，棒状发射器，所有的受激发射源都能够有助于激光发射。

，因为单畴样品的较高光学性能取向薄膜显示更低的损失。

DFB 激光器也采用面向发光聚芴构造，当入射激发束偏振方向平行于分子链的排列轴向和光栅线时激射阈值达到最小。

向列液晶是高度双折射的，使得薄膜的有效折射率值，于是，激光的波长，也可通过改变聚合物链和在DFB光栅的取向方向之间的角度来调节。

这种策略将是一个电泵浦调谐激光器件特别有吸引力的，因为电荷传输性，也会通过如上面所讨论的由排列改善。

在有机激光器的分布反馈提供需要有机半导体或它们的底层基材表面的纳米级图案化，参见图7b。

压花和纳米压印技术经常使用，由此图案是使用具有形状特征的模具由有机薄膜的机械变形创建的。

最近，我们证明了表面浮雕光栅通过薄膜的质量转移自发和单步形成的。

从紫外线HeCd激光器发出的光通过周期ΛPM的入射相位掩模和一个与低熔点发光，半导体性反应性液晶的薄膜传输进行空间调制。

认为聚合引起的化学势的变化促使从有槽的辐照区域朝着含峰的区域的传质，因此周期ΛPM的表面光栅或ΛPM / 2自发形成。

当入射光束的偏振垂直于光栅槽，传质通过合作的效果增强。

光栅比原来的膜厚度更深的是用了一段小至265 nm的周期的建立。

这个周期接近所需要的约为250nm的周期，以使在510nm 处发射峰附近的材料获得第二阶分布反馈结构的激光，所以光压花加工具有用于光电子应用的重大潜力。

图7 分布反馈系统的有机激光器的原理图。

a）一种手性向列液晶的统一对齐的螺旋结构提供了一维激光的分布反馈。

增益是由掺杂在液晶螺旋染料分子的光泵浦提供，以阴影示出。

b）在蚀刻在底层硅衬底以周期Λ的波纹提供分布反馈的一种有机薄膜的激光器的结构示意图。

图8 右（PL R）和左（PL L）圆偏振的光致发光从发光手性向列型液晶，其阻带与光致发光光谱重叠。

虚线
示出了阻带，其中右旋圆偏振光的传输被禁止。

图9 获得使用透镜阵列同时泵不同地区的梯度间距染料掺杂，手性液晶单元的多彩色激光阵列。

经授权转
载。