柔性可調(diào)諧多波長有機半導(dǎo)體激光器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在柔性襯底上實現(xiàn)多波長可調(diào)諧的有機半導(dǎo)體激光器，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)60年代初，前蘇聯(lián)Basov等人提出了半導(dǎo)體激光器的概念，這一概念一經(jīng)提出，就因半導(dǎo)體激光器具有的優(yōu)越性能而受到了廣泛關(guān)注。1992年，Daniel Moses發(fā)現(xiàn)MEH-PPV的二甲苯溶液能夠發(fā)出激光，其量子產(chǎn)率可以與Rhodamine 6G相媲美。1996年，美國Heeger小組將MEH-PPV混入PS基質(zhì)中，并加入適量的T12納米晶體，制成厚度在微米量級(典型厚度為200um)的薄膜。在532nm脈沖激光的栗浦下，觀察到增益窄化現(xiàn)象。1996年，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的Friend小組首次詳細的報導(dǎo)了光栗浦的聚合物微腔激光器的激射行為。1998年，美國的Heeger小組在BuEH-PPV薄膜中實現(xiàn)了光栗浦的受激發(fā)射，獲得了具有高量子效率、高增益系數(shù)、低激射閾值的有機發(fā)光器件。
[0003]近年來，DFB激光已經(jīng)成為國際激光學(xué)界的熱門研究領(lǐng)域。DFB激光器具有穩(wěn)定性好、體積小、價格低廉等優(yōu)點，在顯示、照明、醫(yī)療、探測、存儲等諸多方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]多波長輸出的激光器是在光電子技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，因此如何提供一種便捷、快速調(diào)諧波長的隨機激光器，是目前的研究熱點之一。本發(fā)明正是基于以上考慮，提出了一種通過在柔性襯底上實現(xiàn)可調(diào)諧輸出的多波長DFB激光器，具有方便快捷調(diào)諧多波長的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提出一種基于柔性襯底的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)是將多個不同周期的光柵結(jié)構(gòu)以不同角度制作在同一個柔性襯底上，柔性襯底發(fā)生彎曲形變時，所有光柵的周期都將發(fā)生變化，從而形成基于二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器。
[0006]本發(fā)明中柔性可調(diào)諧多波長有機半導(dǎo)體激光器的具體制備方案如下:
[0007]I)將有機半導(dǎo)體材料溶解在有機溶劑中，制成濃度為10_60mg/ml的有機半導(dǎo)體溶液；
[0008]2)將有機半導(dǎo)體溶液旋涂在柔性基底上，旋涂速度為500-4000rpm，獲得厚度均勾的有機半導(dǎo)體薄膜，薄膜的厚度為50-500nm ；
[0009]3)將紫外激光干涉圖案與有機半導(dǎo)體薄膜作用，在有機半導(dǎo)體薄膜上分別直寫出不同周期的光柵，各個光柵方向均不同，形成高質(zhì)量的有機半導(dǎo)體復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)。
[0010]上述所述的熒光發(fā)射有機半導(dǎo)體材料為:9，9- 二辛基芴-2，7)-交替共聚-(1，4-{2，I’，3}-苯并噻二唑)(F8BT)，(9，9-二辛基芴-2，7)-共聚-二 (4-甲氧基苯基)-芴(F8DP)，(9，9- 二辛基芴-2,7)-共聚-雙-N，N，- (4- 丁基苯基)-雙-N，N’-苯基-1，4-苯二胺(PFB)等；所述的有機溶劑為二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲烷、環(huán)己烷、戊烷、己烷或辛烷中的一種；基底選自聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚對萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亞胺(PI)等；干涉灼蝕紫外激光光源為波長小于等于400nm的高能量脈沖激光。
[0011]當(dāng)采用機械彎曲本發(fā)明中的柔性激光器樣品時，原本的光柵結(jié)構(gòu)會隨著襯底的形變發(fā)生周期的增大或減小，從而產(chǎn)生新的激光的輸出波長，并且隨著形變的不同，多波長有機半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長會發(fā)生藍移和紅移。
[0012]機械彎曲調(diào)諧原理:厚度為t (可直接測量)、長度為Ill (可直接測量)的柔性襯底彎曲成2 α (可直接測量)度的弧形結(jié)構(gòu)時，其上表面長度將增加/減小，導(dǎo)致附著在其表面的光柵周期Λ (可直接測量)將增大/減小，從而引起激光發(fā)射波長紅移/籃移Λ λ，其中表面有光柵結(jié)構(gòu)的為上表面，向上表面方向彎曲，光柵周期Λ (可直接測量)將減小，背向上表面方向彎曲，光柵周期Λ (可直接測量)將增加。滿足公式:Λ λ = AtaA1, Λ,!^比的單位為]!!]!，α的單位為弧度。
[0013]采用本發(fā)明的技術(shù)方案可得到一系列可調(diào)諧輸出的的多波長DFB激光器。復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲形變時，栗浦該結(jié)構(gòu)可得到多波長可調(diào)諧激光輸出。本發(fā)明成本低廉，可制備大面積有機半導(dǎo)體激光器，重復(fù)性好，制備效率高。
【附圖說明】
[0014]附圖1是本發(fā)明中光柵結(jié)構(gòu)制備的雙光束干涉直寫光路。
[0015]其中，I為紫外脈沖激光；2為分束鏡；3為介質(zhì)膜全反鏡；4為待加工的樣品
[0016]附圖2是本發(fā)明中激光的產(chǎn)生原理圖。
[0017]其中，I為柔性襯底；2為光柵結(jié)構(gòu)；3為紫外脈沖激光；4為光柵內(nèi)衍射光束反饋路線；5為激光輸出
[0018]附圖3是所獲得的二維有機半導(dǎo)體復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡(AFM)照片。
[0019]其中，(a)為矩形晶格結(jié)構(gòu)；(b)為不等邊三角形晶格結(jié)構(gòu)
[0020]附圖4是本發(fā)明中的激光器的發(fā)射激光照片。
[0021]其中，(a)為基于矩形晶格結(jié)構(gòu)的雙波長激光發(fā)射光斑；(b)為基于不等邊三角形晶格結(jié)構(gòu)的三波長激光發(fā)射光斑
[0022]附圖5是本發(fā)明中的激光器發(fā)射波長機械彎曲調(diào)諧原理圖。
[0023]其中柔性襯底厚度為t (可直接測量)、長度為Ii1 (可直接測量)、彎曲后弦長度為h2 (可直接測量)、彎曲角度為2 α、曲率半徑為r(a和r的值可通過聯(lián)立公式Ii1= 2r a和h2= 2rsin ( a )計算得到)，其上/下表面長度將增加/減小Λ L = t a，導(dǎo)致附著在其表面的光柵周期Λ將增大/減小Λ Λ =AlVQviA),從而引起激光發(fā)射波長紅移/籃移Δ λ。滿足公式:Λ λ =Δ A = Ata Zh1。
[0024]附圖6是本發(fā)明中的激光器發(fā)射波長機械彎曲調(diào)諧實驗光譜圖。
[0025]附圖7是本發(fā)明中的激光器發(fā)射波長機械彎曲連續(xù)調(diào)諧的重復(fù)性實驗。
[0026]其中，波長變化理論計算公式為:Λ λ =Δ A = A t a /hjo
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做出詳細說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
[0028]實施例1:二維不等邊三角形晶格有機半導(dǎo)體激光器
[0029](I)將20mg F8BT加入Iml 二甲苯中，60°C加熱使其完全溶解，配制成20mg/ml的F8BT溶液；
[0030](2)選擇PET片材作為柔性基底(長寬分別為20mm，厚度0.4mm)，將F8BT溶液旋涂成約120nm厚的薄膜；
[0031 ] (3)利用搭建好的脈沖激光(脈寬5ns，脈沖能量60mj，重復(fù)頻率IHz)干涉光路在F8BT薄膜上分別直寫出不同周期的光柵，三個周期分別為355nm，360nm和365nm，三個光柵方向兩兩夾角為60°，最終形成固體樣品，其表面形貌的AFM照片如圖3 (b)所示；
[0032](4)用400nm的飛秒脈沖激光(脈寬為200fs，栗浦頻率為IkHz)作為栗浦光照射固體樣品；
[0033](5)如圖3 (b)所示，多條亮線的公共交點即為激光發(fā)射光斑；
[0034](6)通過機械彎曲襯底的方式將樣品彎曲不同的程度，實現(xiàn)輸出三波長有機半導(dǎo)體激光的調(diào)諧，如圖6所示。其中柔性襯底厚度t = 4X 105nm、長度Ii1= 2X10 7nm、彎曲后長度 h2= 1.8 X 10 7nm0
[0035](7)該結(jié)構(gòu)的波長連續(xù)調(diào)諧非常穩(wěn)定，與理論值比較吻合。圖7為其機械彎曲重復(fù)性測試結(jié)果。
[0036]本發(fā)明提出了一種基于柔性基底的可調(diào)諧多波長有機半導(dǎo)體激光器，以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要制作方法。
[0037]實施例2
[0038]將實施例1中的不等邊三角形晶格結(jié)構(gòu)的替換為兩個不同周期的互相垂直的光柵，如附圖3和4中a的矩形晶格結(jié)構(gòu)，同樣取得很好的效果。
【主權(quán)項】
1.一種基于柔性襯底的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)是將多個不同周期的光柵結(jié)構(gòu)以不同角度制作在同一個柔性襯底上，柔性襯底發(fā)生彎曲形變時，所有光柵的周期都將發(fā)生變化，從而形成基于二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器。2.權(quán)利要求1所述的一種基于柔性襯底的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其制作方法包括以下步驟: 1)將有機半導(dǎo)體材料溶解在有機溶劑中，制成濃度為10-60mg/ml的有機半導(dǎo)體溶液； 2)將有機半導(dǎo)體溶液旋涂在柔性基底上，旋涂速度為500-4000rpm，獲得厚度均勻的有機半導(dǎo)體薄膜，薄膜的厚度為50-500nm ； 3)將紫外激光干涉圖案與有機半導(dǎo)體薄膜作用，在有機半導(dǎo)體薄膜上分別直寫出不同周期的光柵，各個光柵方向均不同，形成高質(zhì)量的有機半導(dǎo)體復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)； 4)復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時，栗浦該結(jié)構(gòu)可得到多波長可調(diào)諧激光輸出。3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述有機半導(dǎo)體為9，9-二辛基芴_2，7)-交替共聚-(1，4-{2，I，，3}-苯并噻二唑)(F8BT)、(9，9-二辛基芴-2，7)-共聚-二 (4-甲氧基苯基)-芴(F8DP)或(9，9-二辛基芴-2，7)-共聚-雙-N，N’ -(4-丁基苯基)-雙-N，N’ -苯基-1，4-苯二胺(PFB)中的一種。4.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述的有機溶劑為二甲苯、甲苯、氯苯、二氯苯、苯、三氯甲燒、環(huán)己燒、戊燒、己烷或辛烷中的一種。5.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述的柔性基底為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚對萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亞胺(PI)中的一種。6.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，干涉灼蝕紫外激光光源為波長小于等于400nm的高能量脈沖激光。7.按照權(quán)利要求1一種基于柔性襯底的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器，其特征在于，其特征在于，厚度為t、長度為Ii1的柔性襯底彎曲成2 α度的弧形結(jié)構(gòu)時，其上表面長度將增加/減小，導(dǎo)致附著在其表面的光柵周期Λ將增大/減小，從而引起激光發(fā)射波長紅移/籃移Λ λ，其中表面有光柵結(jié)構(gòu)的為上表面，向上表面方向彎曲，光柵周期Λ將減小，背向上表面方向彎曲，光柵周期Λ將增加，滿足公式:Λ λ = Ata/hi，A、t、hj^單位為nm, α的單位為弧度，測得彎曲后弦長度為h2、彎曲角度為2 α、曲率半徑為r, α和r的值可通過聯(lián)立公式Ii1= 2r α和h 2= 2rsin( α )計算得到。
【專利摘要】柔性可調(diào)諧多波長有機半導(dǎo)體激光器及制備方法，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。多個不同周期的光柵結(jié)構(gòu)以不同角度制作在同一個柔性襯底上，柔性襯底發(fā)生彎曲形變時，所有光柵的周期都將發(fā)生變化，從而形成基于二維復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)的多波長可調(diào)諧有機半導(dǎo)體激光器。其制作包括以下步驟：1)制備有機半導(dǎo)體材料有機溶液；2)將有機半導(dǎo)體溶液旋涂在柔性基底上，獲得厚度均勻的有機半導(dǎo)體薄膜；3)將強紫外激光干涉圖案與有機半導(dǎo)體薄膜作用，在有機半導(dǎo)體薄膜上分別直寫出不同周期、不同方向的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)；4)復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲形變時，泵浦該結(jié)構(gòu)可得到多波長可調(diào)諧激光輸出。本發(fā)明成本低廉，可制備大面積有機半導(dǎo)體激光器，重復(fù)性好，制備效率高。
【IPC分類】H01S5/12, H01S5/06, H01S5/36
【公開號】CN105226500
【申請?zhí)枴緾N201510233259
【發(fā)明人】翟天瑞, 王勇祿, 陳麗, 張新平
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年5月8日