论文部分内容阅读
液晶/聚合物distributed feedback(DFB)激光器是一种新型的有机激光器。液晶和光敏单体形成的混合液体通过干涉光场中的光化学反应,形成液晶层与聚合物层交替排列的折射率周期性分布的光栅结构作为激光器的“谐振腔”。宽荧光波长的有机激光染料均匀掺入到这种“谐振腔”结构中,成为有机激光器的的增益介质。最后,在脉冲激光的泵浦下,染料在光栅中产生粒子数反转,形成激光出射。这类激光器体积小、质量轻,激光线宽窄、阈值低、激光波长覆盖范围宽。同时,由于引入了液晶层,激光的波长和能量可以通过电场或者热效应进行调谐。因此,液晶/聚合物DFB激光器在集成光学、光谱分析、光通信等领域具有广阔的应用前景。但是液晶/聚合物DFB激光器较低的能量转化效率严重限制了它的应用。目前在已查到的其他研究小组对此类激光器的报道中,激光器的能量转化效率仅为0.8%。针对这一问题,展开了液晶/聚合物DFB激光器能量效率的研究。本文首先从“谐振腔”的反馈效率入手,在低曝光强度(2.5 mW/cm2)下,制备出散射损失低于6%的聚合物支撑形貌光栅结构。同时,通过在基片上旋涂取向膜并制备周期为405.5 nm的小周期光栅,采用摩擦取向和小周期光栅的几何限制作用来改善液晶层的分子排列,将光栅界面折射率差值从0.004提高到0.041,使“谐振腔”的反馈效率增强。激光器的能量转化效率从0.7%提高到1.3%,激光阈值为3 uJ/pulse。进一步考虑到激光染料的掺入浓度过低(不超过1%),对泵浦光的吸收只有16%,而浓度稍高则会产生浓度猝灭效应降低出射激光光强。为提高增益介质对泵浦光的吸收效率,选用一种半导体聚合物MEH-PPV发光薄膜作为增益介质,消除了浓度猝灭问题,85nm厚的薄膜对泵浦光的吸收率高达70%,相对掺杂染料的吸收提高4.4倍。但是MEH-PPV无法溶于液晶,只能制成薄膜,再在其上制备液晶/聚合物光栅作为dfb激光器的反馈层,检测激光的能量转化效率进一步提高到5.8%,相对掺杂染料的激光能量转化效率提高了4.5倍,说明新的dfb结构中的反馈效率并无降低,且阈值降低至0.33uj/pulse。在此基础上,对MEH-PPV薄膜进行真空热退火处理,期待改善MEH-PPV的结构有序性,提高半导体薄膜的发光效率。在120℃下退火1小时后,发现薄膜的表面粗糙度降低,荧光的绝对量子效率由23%提高到32%。在45°偏振的脉冲激光泵浦下,激光的能量转化效率提高到6.7%,阈值降低至0.2uj/pulse。又选择了一种半导体发光薄膜材料MODO-PPV,按照上述工艺制成dfb激光器,测得激光的能量转化效率提高到7.2%,阈值降低至0.15μj/pulse,说明MODO-PPV是更好的增益介质。最后,研制两种混合增益介质的dfb激光器,以研究两种发光能级之间的能量转移,试图提高主波长激光的能量转化效率。首先将激射能级结构很接近的MEH-PPV与MODO-PPV两种半导体聚合物材料以2:1的比例相混合成膜,以MODO-PPV为主激射波长的介质,制备出dfb激光器,获得波长为629.9nm和640nm的双波长激光出射,前者为MEH-PPV的激射,能量转化效率为4.8%,后者为MODO-PPV的激射,能量转化效率为2.8%,说明两种发光能级之间没有能量转移辅助的激射增强。然后尝试将染料dcm掺入到光栅层,MODO-PPV发光薄膜在光栅之下,制备出液晶/聚合物dfb激光器。检测到MODO-PPV的能量效率从单独作为增益介质时的7.8%提高到8%,dcm的能量效率则从1.4%降低到1%,推论dcm的部分激射能量转移到MODO-PPV的激射能级上。。更有趣的是,当将MODO-PPV制备成厚度渐变的薄膜时,激光波长随膜厚发生变化,范围是625nm~640nm,而dcm的激光波长则与MODO-PPV膜厚无关,只受电场调制,初始为614nm,随电场增强,激光波长蓝移7nm。本论文详细研究了液晶/聚合物光栅的结构特性、染料和半导体聚合物的发光特性。从提高光栅反馈效率、增大泵浦光吸收率、优化增益薄膜发光性能几个方面,提升了液晶/聚合物DFB激光器的性能,为其实用化进程打下了坚实的基础。